Система защиты от льда
В аэронавтике , системы защиты от обледенения атмосферной влаги предотвращают накопление на поверхностях самолетов , таких как крылья, пропеллеры , лопасти несущего винта воздухозаборники двигателей и воздухозаборники системы контроля окружающей среды . [1] Накопление льда может изменить форму аэродинамических профилей и поверхностей управления полетом , ухудшая характеристики управления и управляемости, а также летные характеристики. Противообледенительная система образование или система защиты от обледенения либо предотвращает льда , либо позволяет самолету сбрасывать лед до того, как он станет опасным.
Эффекты обледенения
[ редактировать ]
Обледенение самолета увеличивает вес и сопротивление, уменьшает подъемную силу и может уменьшить тягу. Лед снижает мощность двигателя, блокируя воздухозаборники. Когда лед накапливается в результате замерзания при ударе или замерзания в виде стока, он изменяет аэродинамику поверхности, изменяя форму и гладкость поверхности, что увеличивает сопротивление и уменьшает подъемную силу крыла или тягу винта. Как уменьшение подъемной силы крыла из-за измененной формы аэродинамического профиля, так и увеличение веса из-за ледяной нагрузки обычно приводят к необходимости летать под большим углом атаки, чтобы компенсировать потерю подъемной силы для поддержания высоты. Это увеличивает расход топлива и еще больше снижает скорость, повышая вероятность сваливания , в результате чего самолет теряет высоту.
Лед накапливается на лопастях несущего винта вертолета и воздушных винтах, вызывая весовой и аэродинамический дисбаланс, который усиливается из-за их вращения.
Противообледенительные системы, установленные на реактивных или турбовинтовых двигателях , помогают предотвратить проблемы с воздушным потоком и предотвратить риск серьезного внутреннего повреждения двигателя из-за попадания льда. Эти опасения наиболее актуальны для турбовинтовых двигателей, которые чаще имеют резкие повороты на впускном тракте, где имеет тенденцию накапливаться лед. [2]
Типы систем
[ редактировать ]Пневматические противообледенительные сапоги
[ редактировать ]
Пневматический пыльник обычно состоит из слоев резины или других эластомеров с одной или несколькими воздушными камерами между слоями. Если используются несколько камер, они обычно имеют форму полос, выровненных по длинному направлению ботинка. Обычно его размещают на передней кромке крыльев и стабилизаторов самолета. Камеры быстро надуваются и сдуваются либо одновременно, либо по схеме только из определенных камер. Быстрое изменение формы ботинка призвано разрушить силу сцепления между льдом и резиной и позволить льду уноситься воздухом, проходящим мимо крыла. Однако лед должен полностью отпадать с задних участков поверхности, иначе он может повторно замерзнуть за защищенной зоной. Повторное замерзание льда таким образом стало одним из факторов, способствовавших крушению рейса 4184 компании American Eagle .
Считалось, что старые пневматические ботинки подвержены образованию ледяных мостиков. Слякоть можно удалить из надувных частей ботинка, прежде чем она затвердеет. Проблема была решена за счет ускорения цикла инфляции/дефляции и чередования времени соседних ячеек. [4] Испытания и тематические исследования, проведенные в 1990-х годах, показали, что образование ледяных мостиков не является серьезной проблемой для современных конструкций ботинок. [5]
Пневматические пыльники подходят для низко- и среднескоростных самолетов без подъемных устройств передней кромки, таких как предкрылки , поэтому эта система чаще всего встречается на небольших турбовинтовых самолетах, таких как Saab 340 и Embraer EMB 120 Brasilia . Пневматические противообледенительные сапоги иногда встречаются на самолетах других типов, особенно на старых самолетах. Они редко используются на современных реактивных самолетах. Он был изобретен Б. Ф. Гудричем в 1923 году.
Жидкостное противообледенительное средство
[ редактировать ]
Иногда его называют плачущим крылом, [6] Влажная или испарительная система, в этих системах используется противообледенительная жидкость, обычно на основе этиленгликоля или изопропилового спирта , для предотвращения образования льда и разрушения скопившегося льда на важных поверхностях самолета. [7] Один или два насоса с электроприводом подают жидкость в дозирующие устройства, которые делят поток между защищаемыми областями. Второй насос используется для резервирования, особенно для самолетов, сертифицированных для полетов в известных условиях обледенения , с дополнительными механическими насосами для лобового стекла. Жидкость подается через отверстия в панелях на передних кромках крыльев, горизонтальных стабилизаторах, обтекателях, стойках, воздухозаборниках двигателя, а также из строповочного кольца на винте и распылителя лобового стекла. Эти панели имеют 1 ⁄ дюйма (0,064 мм), по 800 отверстий на квадратный дюйм (120/см). В них просверлены отверстия диаметром 2 ). Система является самоочищающейся, и жидкость помогает очистить самолет до того, как его унесет поток воздуха. [8] [9] Система первоначально использовалась во время Второй мировой войны британцами и была разработана компанией Tecalemit-Kilfrost-Sheepbridge Stokes (TKS) . [9]
Преимуществами жидкостных систем являются механическая простота и минимальное нарушение потока воздуха из крошечных отверстий; это сделало системы популярными в старых бизнес-джетах . Недостатками являются более высокие требования к техническому обслуживанию, чем у пневматических ботинок, вес потенциально ненужной жидкости на борту самолета, ограниченный запас жидкости, когда она необходима, и непредсказуемая необходимость дозаправки жидкости, что усложняет остановки в пути. [10]
Выпустить воздух
[ редактировать ]Системы отбора воздуха используются на большинстве крупных самолетов с реактивными или турбовинтовыми двигателями. Горячий воздух «отводится» из одной или нескольких секций компрессора двигателей в трубы, проходящие через крылья, хвостовое оперение и воздухозаборники двигателя. Отработанный воздух выводится через отверстия в нижней части крыльев.
Недостатком этих систем является то, что подача достаточного количества отбираемого воздуха может отрицательно повлиять на работу двигателя. Во время крейсерского полета или снижения часто требуются более высокие, чем обычно, настройки мощности, особенно при одном или нескольких неработающих двигателях. Что еще более важно, использование отбираемого воздуха влияет на пределы температуры двигателя и часто требует снижения мощности во время набора высоты, что может привести к существенной потере характеристик набора высоты с особенно критическими последствиями в случае выхода двигателя из строя. Эта последняя проблема привела к тому, что системы отвода воздуха стали редкостью для небольших газотурбинных самолетов, хотя они были успешно реализованы на некоторых небольших самолетах, таких как Cessna CitationJet . [11] [12]
Электротермический
[ редактировать ]
В электротермических системах используются нагревательные змеевики (очень похожие на печные элементы малой мощности), встроенные в конструкцию планера для выработки тепла при подаче тока. Тепло может генерироваться непрерывно или периодически. [13]
В Boeing 787 Dreamliner используется электротермическая ледовая защита. В этом случае нагревательные змеевики встроены в составную конструкцию крыла. Boeing утверждает, что эта система использует половину энергии систем отвода воздуха, питаемых двигателем , и снижает сопротивление и шум. [14]
Нагревательные катушки из травленой фольги можно прикрепить к внутренней части металлической обшивки самолета, чтобы снизить энергопотребление по сравнению со встроенными схемами, поскольку они работают с более высокой плотностью мощности. [15] Для авиации общего назначения ThermaWing использует гибкую электропроводящую графитовую фольгу, прикрепленную к передней кромке крыла. Электрические нагреватели нагревают фольгу, которая растапливает лед.
Небольшие провода или другие проводящие материалы можно встроить в ветровое стекло для обогрева ветрового стекла. Пилоты могут включить электрический обогреватель, чтобы обеспечить достаточное количество тепла и предотвратить образование льда на лобовом стекле. Однако электрообогреватели ветрового стекла разрешается использовать только в полете, поскольку они могут привести к перегреву ветрового стекла. Они также могут вызывать ошибки отклонения компаса на целых 40°. [16]
В одном из предложений использовались углеродные нанотрубки, сформированные в тонкие нити, которые скручивались в пленку толщиной 10 микрон. Пленка является плохим электрическим проводником из-за зазоров между нанотрубками. Вместо этого ток вызывает быстрый рост температуры, нагреваясь в два раза быстрее, чем нихром , нагревательный элемент для борьбы с обледенением в полете, потребляя при этом половину энергии при одной десятитысячной массе. Материал, достаточный для покрытия крыльев Боинга 747, весит 80 г (2,8 унции) и стоит примерно 1% нихрома. аэрогелевые обогреватели, которые можно было бы оставлять включенными постоянно на низкой мощности. Также были предложены [17]
Электромеханический
[ редактировать ]Электромеханические системы противообледенения выталкиванием (EMEDS) используют ударную силу, инициируемую приводами внутри конструкции, которая вызывает ударную волну на очищаемой поверхности. [18] [19] Также были разработаны гибридные системы, сочетающие EMEDS с нагревательными элементами, где обогреватель предотвращает накопление льда на передней кромке профиля, а система EMED удаляет накопления в кормовой части обогреваемой части профиля. [20]
Пассивный (ледофобные покрытия)
[ редактировать ]В пассивных системах используются ледофобные поверхности. Ледофобность аналогична гидрофобности и описывает свойство материала, устойчивое к обледенению. Этот термин не имеет четкого определения, но обычно включает три свойства: низкую адгезию между льдом и поверхностью, предотвращение образования льда и отталкивающее действие на переохлажденные капли. [21] Ледофобность требует особых свойств материала, но не идентична гидрофобности . [22]
Чтобы свести к минимуму нарастание, исследователи ищут ледофобные материалы. В число кандидатов входят углеродные нанотрубки и скользкие пористые поверхности, пропитанные жидкостью (SLIPS), которые отталкивают воду, когда она превращается в лед. [23]
См. также
[ редактировать ]- Атмосферное обледенение
- Условия обледенения
- Аварии с обледенением - перечислены по годам
- Рейс 5017 авиакомпании Air Algeria (2014 г.)
- Рейс 5428 Sol Lineas Aereas (2011 г.)
- Рейс 883 Aero Caribbean (2010)
- Рейс 447 Air France (2009 г.)
- Рейс 3407 Colgan Air (2009)
- Рейс 708 компании West Caribbean Airways (2005 г.)
- Рейс 670 Логанаир (2001)
- Комар, рейс 3272 (1997)
- Авиакатастрофа Алана Кулвицкого (1993)
- Рейс 751 Скандинавских авиалиний (1991)
- Рейс 1363 Эйр Онтарио (1989)
- Рейс 2415 United Express (1989)
- Рейс 1285 Arrow Air (1985)
- Рейс 90 авиакомпании Air Florida (1982)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рэгг, Дэвид В. (1973). Словарь авиации (первое изд.). Скопа. п. 106. ИСБН 9780850451634 .
- ^ Федеральное управление гражданской авиации , 2015 г. , с. 16–17.
- ^ «Глава 7: Авиационные системы». Справочник пилота по авиационным знаниям (изд. FAA-H-8083-25B). Федеральное управление гражданской авиации . 24 августа 2016 г. п. 40. Архивировано из оригинала 20 июня 2023 г.
- ^ «Информация FAA для эксплуатантов 09005» (PDF) .
- ^ Федеральное управление гражданской авиации, 2015 г. , с. 20.
- ^ Сзуровы 1999 , с. 31.
- ^ Федеральное управление гражданской авиации , 2015 г. , с. 22.
- ^ Э. Макманн, Майкл. «TKS Ice Protection: полеты круглый год становятся возможными с системой TKS Ice Protection» . Журнал «Самолет и пилот» . Издательская корпорация Вернер . Проверено 17 октября 2014 г.
- ^ Jump up to: а б «Разморозка на сегодняшний день» . Полет . 11 апреля 1946 года. Архивировано из оригинала 15 марта 2012 года . Проверено 11 декабря 2013 г.
- ^ Сзуровый 1999 , стр. 31–32.
- ^ Федеральное управление гражданской авиации , 2015 г. , с. 21.
- ^ Сзуровы 1999 , с. 58.
- ^ Слоан, Джефф (30 декабря 2008 г.). «787 оснащен новой композитной противообледенительной системой крыла» . www.compositesworld.com .
- ^ «АЭРО – 787 Беспродувочные системы» . www.boeing.com .
- ^ http://papers.sae.org/2009-01-3165/ | Использование повышенной гибкости, обеспечиваемой электротермическим противообледенительным устройством с высокой плотностью мощности
- ^ «Глава 7: Авиационные системы». Справочник пилота по авиационным знаниям (изд. FAA-H-8083-25B). Федеральное управление гражданской авиации . 24 августа 2016 г. п. 41. Архивировано из оригинала 20 июня 2023 г.
- ^ «Противообледенительные самолеты: Закопченное небо» . Экономист. 26 июля 2013 г. Проверено 11 декабря 2013 г.
- ^ «Как они работают: системы защиты от льда» . Авиационная неделя. 2010. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Электромеханическое противообледенение» . Журнал «Авиация и космос». 2004.
- ^ «Объединение противообледенительной и противообледенительной защиты» . НАСА НТИ. 2002. Архивировано из оригинала 5 апреля 2003 г.
- ^ Хиджази, Вахид; Соболев Константин; Носоновский, Михаил (12 июля 2013 г.). «От супергидрофобности к ледофобности: анализ сил и взаимодействия» . Научные отчеты . 3 (1): 2194. Бибкод : 2013NatSR...3E2194H . дои : 10.1038/srep02194 . ISSN 2045-2322 . ПМК 3709168 . ПМИД 23846773 .
- ^ Юнг, Стефан; Доррестейн, Марко; Рэпс, Доминик; Дас, Ариндам; Мегаридис, Константин М.; Пуликакос, Димос (14 февраля 2011 г.). «Являются ли супергидрофобные поверхности лучшими с точки зрения ледофобности?» . Ленгмюр . 27 (6): 3059–3066. дои : 10.1021/la104762g . hdl : 20.500.11850/32592 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 21319778 .
- ^ Ким, Филсок; Вонг, Так-Синг; Альваренга, Джек; Кредер, Майкл Дж.; Адорно-Мартинес, Уилмер Э.; Айзенберг, Джоанна (28 августа 2012 г.). «Наноструктурированные поверхности, пропитанные жидкостью, с исключительными противообледенительными и противообледенительными характеристиками». АСУ Нано . 6 (8): 6569–6577. дои : 10.1021/nn302310q . PMID 22680067 – через публикации ACS.
Библиография
[ редактировать ]- Руководство для пилота: Полет в условиях обледенения (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации (Отчет). 8 октября 2015 г. AC 91-74B . Проверено 9 марта 2021 г.
- Сзуровый, Геза (1999). Cessna Citation Jets . Оцеола, Висконсин: Издательская компания MBI. ISBN 0-7603-0785-7 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Документ SAE по электротермической защите от льда, авторы Стрелов Р. и Мозер Р.