14.1. Противообледенительное оборудование самолетов

Обледенение поверхностей самолета в большинстве случаев происходит при его полете в среде, содержащей влагу во взвешенном состоянии при температуре от 0 до —30° С. На интенсивность обледенения влияют температура и относительная влажность среды, скорость полета самолета, его аэродинамическая компоновка и состояние поверхностей.

Причинами быстрой кристаллизации переохлажденных капель воды при их соприкосновении с поверхностями агрегатов самолета являются наличие на них мельчайших кристаллов льда и пыли, служащих центрами кристаллизации, а также образование ультразвуковых волн при ударе капель' о поверхность и наличие их в спектре звуковых колебаний при работающих двигателях, что ускоряет течение процесса обледенения.

Наряду с обледенением, обусловленным переохлаждением капель жидкости, имеет место качественно отличный его вид — сублимационное обледенение, которое происходит вследствие быстрого перехода водяных паров непосредственно в твердое состояние.

Сублимационное обледенение при малой относительной влажности среды не представляет опасности. Но при попадании самолета в зону, содержащую влагу в капельном состоянии, эти тонкие инееобразные льдинки, играя роль центров кристаллизации, становятся причиной лавинообразного обледенения поверхностей самолета.

Ледяные наросты могут иметь стекловидный с гладкой наружной поверхностью или мутнобелый внешний вид с шероховатой поверхностью.

Стекловидный лед нарастает с большой скоростью и принимает на поверхностях агрегатов самолета желобообразную или рогообразную конфигурации в продольном сечении. Имея широкую зону захвата, он оказывает значительное влияние на ухудшение аэродинамических характеристик самолета и вызывает вибрацию его частей. Обледенение воздухозаборника и входных устройств двигателей и винтов приводит к возникновению вибраций, помпажу двигателей, срыву пламени в камерах сгорания и в итоге — к остановке двигателей. Кроме того, сорвавшиеся с воздухозаборника куски льда при попадании в компрессор могут стать причиной разрушения его лопаток, а затем и всего двигателя. Серьезную опасность таит обледенение лобовых стекол фонарей пилотов и антенн радиоэлектронного оборудования.

Образование мутнобелого льда является наиболее часто возникающим видом обледенения. Поскольку обледенение охватывает небольшую зону, а наросты льда имеют клинообразный профиль, большой опасности для самолета оно не представляет.

Независимо от вида льда обледенение приводит к увеличению массы самолета, усложнению его пилотирования и росту удельного расхода топлива двигателями.

Для безопасности полетов над сушей в диапазоне температур наружного воздуха до —20° С и над морем — в диапазоне до —30° С все современные самолеты оборудуются противообледенительными системами (ПОС). Даже сверхзвуковые самолеты, несмотря на возникновение кинетического нагрева передних кромок агрегатов, должны иметь ПОС, так как при взлете и на посадке они могут быть подвержены интенсивному обледенению.

Своевременное предупреждение пилотов о начале обледенения осуществляется установленными на самолете системами сигнализации. В зависимости от метода, положенного в основу принципа работы, сигнализаторы можно условно подразделить на две основные группы: косвенного и прямого действия.

Сигнализаторы косвенного действия реагируют на наличие капель воды в воздушной среде, что проявляется в виде изменения теплоотдачи, электропроводности или других косвенных характеристик среды. К этой группе относятся электропроводные, тепловые и локационные сигнализаторы.

Сигнализаторы прямого действия реагируют на наличие слоя льда на датчике. К ним относятся механические, пневмоэлектрические и радиоизотопные сигнализаторы.

Рассмотрим принцип действия пневмоэлектрических и радиоиЗотопных сигнализаторов, получивших наиболее широкое применение в авиации.

На смотреть статью под номером 14.1 показаны компоновка и принципиальная схема пневмоэлектрического сигнализатора о наличии льда на передних кромках крыла, оперения или воздухозаборника двигателя.

При включении АЗС1 перед взлетом сигнальная лампочка Л или табло с надписью «Обледенение» на приборной доске пилота загораются и указывают на работоспособность системы. В полете, если не возникает обледенения, воздушный поток поступает в приемник 2 через отверстия обшивки 1, а затем по трубопроводу 3 в рабочую полость сигнализатора. Под действием этого давления происходит прогиб мембраны 5, которая через шток 4 передает усилие на кнопку микровыключателя 7. Срабатывая, он размыкает нормальнозамкнутые контакты. Сигнальная лампочка или табло при этом гаснет, указывая на отсутствие обледенения передней кромки агрегата.

В случае возникновения обледенения отверстия в обшивке закрываются льдом. Вследствие этого давление в полости сигнализатора становится равным давлению среды в том отсеке агрегата, где он установлен. Под действием пружины 6 шток и мембрана возвращаются в исходное положение. Кнопка микровыключателя освобождается, и происходит замыкание электрической цепи сигнальной лампочки или лампочки табло. Их загорание указывает пилоту о начале обледенения того или иного агрегата.

Сигнализатор может быть также использован в качестве исполнительного органа автоматического включения противообледенительной системы. В случае возникновения обледенения ток поступает не только на сигнальную лампочку или табло, а также на обмотки контактора К Он срабатывает и при включении АЗС2 замыкает цепи питания системы включения ПОС.

Существенным недостатком подобных сигнализаторов является возможность ложного срабатывания в случае засорения отверстий приемника давлений.

Радиоизотопный сигнализатор типа РИО3, структурная схема которого изображена на смотреть статью под номером 14.2, относится к группе приборов бесконтактной сигнализации наличия льда. Комплект сигнализатора состоит из датчика и электронного блока.

Датчик устанавливается в таком месте, на котором его полый штырь находится в невозмущенном воздушном потоке. Внутри штыря помещается ампула А с источником бетаизлучения (стронций90 или иттрий90), а по всей высоте на электроизоляционном каркасе намотан нагревательный элемент R„ для сбрасывания образовавшегося льда. Периодическое включение нагревателя необходимо для выявления прекращения обледенения.

Поток бетачастиц, проходя через прорезь в корпусе штыря под определенным углом к поверхности фланца датчика, облучает галогенный газоразрядный счетчик СЧ. Если обледенение отсутствует, блок задержки БЗ сбалансирован, и сигнал на лампочку Л или на табло не поступает.

С момента возникновения обледенения штыря датчика интенсивность потока бетачастиц уменьшается, что приводит к разбалансировке электронного блока. Счетчик импульсов СЧ преобразует интенсивность излучения в ряд последовательных импульсов, которые после усиления преобразуются формирователем Ф в прямоугольные нормализованные импульсы. Импульсы положительной полярности поступают в исполнительный каскад ИК, а отрицательной полярности — на вход интенсиметра И, где происходит изменение их амплитуд пропорционально скорости следования импульсов. Если амплитуды импульсов выше некоторой пороговой величины, пороговый каскад ПК замыкает контакты реле. В исполнительном каскаде ИК в результате дифференцирования импульсов, поступающих с формирователя и порогового каскада при наличии льда на датчике толщиной 0,3 мм и более, включается исполнительное реле блока задержки БЗ. В этом блоке имеется два реле. Одно из них обеспечивает увеличение времени нагрева штыря датчика до 5 с для полного сбрасывания льда, а второе—задержку на 20 с от времени подачи сигнала о начале обледенения на сигнальную лампочку Л или световое табло и в систему управления ПОС.

Для предотвращения перегрева нагревательного элемента датчика и срабатывания ПОС на стоянке, где отбор тепла недостаточен, в электросистеме РИО предусмотрена блокировка этих цепей концевым выключателем К Подключение цепей к БЗ электронного блока происходит только после взлета самолета нажатием стойки шасси на исполнительный шток концевого выключателя.

Для защиты агрегатов самолета от обледенения используются механические, физикохимические и тепловые способы борьбы с образованием льда на их поверхностях. Нередко на практике применяются ПОС, основанные на использовании комбинации нескольких способов защиты. В зависимости от характера работы ПОС подразделяются на системы постоянного и циклического действия.

При работе ПОС постоянного действия на расчетном режиме образование льда не происходит. Работающая ПОС циклического действия допускает образование безопасной для самолета корки льда на защищаемой поверхности с последующим его удалением.

Рассмотрим принцип действия противообледенительных систем.

Механические противообледенительные системы. Принцип действия механических ПОС заключается в механическом деформировании слоя льда с последующим его сбрасыванием под действием аэродинамических, центробежных или других внешних силовых факторов.

В основу принципа действия электроимпульсных ПОС положено явление возбуждения в материале обшивки агрегата упругих волн напряжений с крутым передним фронтом. Они вызывают в ледяном слое напряжения, превосходящие его динамическую прочность, но не вызывают усталостных явлений в материале конструкции агрегата. Возникающий скачок напряжений приводит к мгновенному разрушению льда с последующим его удалением с поверхности набегающим потоком воздуха.

Преобразование электрических импульсов в импульсы упругих деформаций осуществляется в индукторах вихревых токов, представляющих собой соленоиды без сердечников. Поступающие из конденсаторных накопителей электроэнергии импульсы электрической энергии проходят через обмотки соленоидов и создают в них переменное магнитное поле высокой частоты. Это поле, в свою очередь, наводит в металлической обшивке агрегата переменные вихревые токи и соответствующие упругие деформации, достаточные для разрушения льда. Практика эксплуатации электроимпульсных систем на самолетах показала их высокую надежность при работе в диапазоне температур до —40° С. В сравнении с другими типами эти системы характеризуются небольшим расходом энергии, малой массой и высокой компактностью элементов.

Весьма перспективным в будущем предполагается применение ультразвуковых ПОС.

Физикохимические противообледенительные системы. Физикохимический способ основан на использовании специальных жидкостей и паст, которые либо понижают температуру замерзания переохлажденных капель воды, либо уменьшают силу сцепления льда с защищаемой поверхностью для последующего его удаления набегающим потоком воздуха.

В качестве рабочих жидкостей применяются различные спирты, спиртоглицериновые смеси или жидкости на основе гликолей, например этиленгликоль.

I Применяемые на некоторых типах самолетов жидкостные ПОС работают либо в режиме предупреждения обледенения, либо в режиме периодического удаления льда с защищаемой поверхности.

Поскольку время работы системы зависит от запаса рабочей жидкости, которая к тому же пожароопасна, подобные ПОС имеют

ПГПЯНИИРННПР ППИМРНРНИР

Тепловые противообледенительные системы. Тепловой способ борьбы с обледенением заключается в нагревании защищаемой поверхности агрегата до температуры таяния льда или испарения осаждающейся на нее влаги. Так же как и ранее рассмотренные, тепловые ПОС работают в режимах постоянного или циклического действия.

В зависимости от вида используемой энергии эти ПОС подразделяются на воздушнотепловые и электротепловые.

В воздушнотепловых системах горячий воздух для обогрева поверхностей отбирается от компрессора двигателя или от специальных калориферных печей, устанавливаемых в удлинительной трубе после турбины. Поскольку из соображений сохранения прочности конструкций температура поступающего воздуха на вход в рабочие части ПОС не должна превышать 200 . 230° С, нередко применяется эжектирование, т. е. подмешивание атмосферного воздуха к отбираемому от компрессора. За счет этого удается несколько снизить объемы отбора воздуха и повысить КПД двигателя.

На смотреть статью под номером 14.3 изображен отсек крыла пассажирского самолета с воздушнотепловым противообледенительным устройством.

Горячий воздух поступает через патрубок 3 в продольные каналы, образованные внутренней обшивкой 6, стенкой  и внешней обшивкой 5. Нагревая внешнюю обшивку и предотвращая этим ее обледенение, воздух затем через отверстия во внутренней обшивке и стенке лонжерона 4 выходит в окружающую атмосферу. Для уменьшения потерь тепла при движении горячего воздуха в продольном канале и в полостях теплообменника на стенке и внутренней обшивке носка стабилизатора установлена теплоизоляционная облицовка 2.

В электротепловых ПОС нагревательными элементами служат параллельно подсоединяемые к шинам металлические проволочки с высоким электрическим сопротивлением, металлическая фольга, а также токопроводящие пленки или ткани.

На смотреть статью под номером 14.4 показано схематическое устройство носка киля самолета электротепловыми нагревательными элементами.

Нагревательный элемент 3 в виде ряда константа новых проволочек подсоединяется к каждой секции контактных шин 4. Для предотвращения короткого замыкания с внутренней 5 и наружной 1 обшивками его помещают между двумя панелями из стеклоткани. Нижняя панель выполняется из четырех и более слоев стеклоткани 6 для надежной тепловой изоляции, а верхняя— из двух слоев, которые обеспечивают только электроизоляцию нагревательного элемента.

В системах защиты крыла и оперения циклического действия наряду с секционными нагревательными элементами в районе передних кромок этих агрегатов устанавливаются постоянно обогреваемые металлические полосы, получившие наименование «тепловых ножей». Образовавшийся лед как бы разрезается на верхнюю и нижнюю части, что облегчает удаление льда с поверхности агрегата. Значительно улучшаются условия для сбрасывания льда с больших площадей при дополнительной установке поперечных «тепловых ножей». В этом случае образуется своего рода панель ледяного покрова с оплавленными и деформированными кромками, которая удаляется при совместном воздействии ПОС циклического действия и набегающего воздушного потока.

В качестве нагревательных элементов смотровых стекол фонарей кабин экипажа используются металлические молекулярные пленки из золота или сплава золота с висмутом. Они наносятся на поверхность стекла напылением этих металлов при испарении в условиях глубокого вакуума, что практически не ухудшает оптические свойства стекла. Такие стекла обладают в то же время свойством отражать инфракрасное излучение и не вызывают возникновение поляризационных или интерференционных эффектов.

На смотреть статью под номером 14.5 представлена принципиальная схема системы обогрева передних стекол фонаря кабины с использованием одного из трех каналов автомата обогрева стекол типа АОС8Ш.

В основу принципа ее работы положена мостовая схема. Два плеча моста представляют собой соединенные встречно обмотки wl и w2 поляризованного реле РП4, а два других — регулировочное сопротивление Rv и термистор RT.

Термистор является чувствительным элементом схемы. Он выполнен из полупроводникового материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Его электрическое сопротивление уменьшается с повышением температуры окружающей среды, и, наоборот, уменьшение температуры среды приводит к увеличению электрического сопротивления термистора.

Если температура стекла ниже той, на которую отрегулирован автомат, сопротивление RT термистора увеличивается. Сила тока и величина магнитного потока в обмотке wl становятся большими, чем в обмотке w2. Поскольку они включены последовательно и встречно, под действием разностного магнитного потока срабатывает реле РП4. Замыкание его контактов вызывает срабатывание реле РВЗ45 и силового контактора К, который подключает нагревательный элемент Ru к источнику питания. Начинается цикл обогрева стекол.

При повышении температуры стекла выше расчетной сопротивление термистора уменьшается. Ток и магнитный поток в обмотке wl становятся меньше, чем в обмотке w2. Контакты реле РВЗ45 и контактора К размыкаются, и цепь нагревательного элемента обесточивается. Стекло охлаждается, но при температуре ниже расчетной цикл его обогрева повторяется снова.

Остановимся вкратце на вопросах применения различных ПОС для защиты агрегатов самолета от обледенения.

Наиболее широкое применение для защиты крыла, оперения и воздухозаборников получили воздушнотепловые и электротепловые ПОС. Началось внедрение электроимпульсных систем. Вместе с тем следует отметить, что применение воздушнотепловых систем целесообразно в тех случаях, когда обогреваемые агрегаты расположены недалеко от источника тепла, так как в противном случае создаются затруднения в компоновке трасс и систем регулирования, увеличиваются потери тепла, а также увеличивается масса системы.

Защита винтов ТВД осуществляется с помощью электротепловых ПОС.

Для предотвращения обледенения смотровых стекол фонаря экипажа нашли применение электротепловые ПОС при одновременном обдуве внутренней их поверхности горячим воздухом, что предотвращает запотевание. Совместно с тепловой защитой при посадке самолета в условиях дождя или снегопада может использоваться жидкостная ПОС. При этом одновременно с подачей жидкости осуществляется механическое удаление влаги и снега с помощью специальных механических скребков — «дворников».