Введение
Система воздушного судна, предотвращающая образование льда на наружных поверхностях во время полета.
В авиации системы защиты от обледенения предотвращают накопление атмосферной влаги на поверхностях воздушного судна, таких как крылья, воздушные винты, лопасти несущего винта, воздухозаборники двигателей и входы систем наддува кабины. Накопление льда может изменять форму аэродинамических профилей и рулевых поверхностей, ухудшая управляемость, характеристики управления и летные качества. Система противообледенительной защиты, система удаления льда или система защиты от обледенения либо предотвращает образование льда, либо позволяет воздушному судну сбрасывать лед до того, как он станет опасным.
Эффекты обледенения
Облёденение увеличивает вес и сопротивление, уменьшает подъёмную силу и может снизить тягу. Лёд снижает мощность двигателя, блокируя воздухозаборники. Когда лёд накапливается при замерзании от удара или при замерзании стекающей воды, он изменяет аэродинамику поверхности, модифицируя её форму и гладкость, что увеличивает сопротивление и уменьшает подъёмную силу крыла или тягу винта. Как уменьшение подъёмной силы крыла из-за изменения формы профиля, так и увеличение веса от обледенения обычно требуют полёта с большим углом атаки для компенсации потери подъёмной силы и поддержания высоты. Это увеличивает расход топлива и ещё больше снижает скорость, повышая вероятность сваливания и приводя к потере высоты. Лёд накапливается на лопастях вертолётов и винтах самолётов, вызывая весовые и аэродинамические дисбалансы, которые усиливаются из-за их вращения. Противообледенительные системы, установленные на реактивных и турбовинтовых двигателях, помогают предотвратить проблемы с воздушным потоком и избежать риска серьёзных внутренних повреждений двигателя из-за попадания льда. Эти проблемы наиболее актуальны для турбовинтовых самолётов, в которых чаще встречаются резкие повороты в воздухозаборнике, где лёд склонен накапливаться.
Ботинки для обезжиривания с пневматическим приводом
Пневматический ботинок обычно изготавливается из слоев резины или других эластомеров, с одной или несколькими воздушными камерами между слоями. Если используется несколько камер, они обычно имеют форму полос, выровненных вдоль продольной оси ботинка. Обычно он устанавливается на передней кромке крыльев и стабилизаторов самолета. Камеры быстро надуваются и сдуваются, либо одновременно, либо по определенной схеме, последовательно надувая только определенные камеры. Быстрое изменение формы ботинка предназначено для разрушения силы сцепления между льдом и резиной, позволяя воздушному потоку уносить лед от крыла. Однако лед должен полностью отделиться от задней части поверхности, иначе он может повторно замерзнуть за защищенной зоной. Повторное замерзание льда таким образом было одним из факторов, способствовавших катастрофе рейса 4184 авиакомпании American Eagle. Считалось, что старые пневматические ботинки подвержены образованию ледяных мостов. Снежная каша могла выталкиваться за пределы досягаемости надувающихся секций ботинка до замерзания. Эта проблема была решена за счет увеличения скорости цикла надувания/сдувания и чередования времени работы соседних камер. Испытания и тематические исследования, проведенные в 1990-х годах, показали, что образование ледяных мостов не является существенной проблемой для современных конструкций ботинок. Пневматические ботинки подходят для самолетов с низкой и средней скоростью, не оснащенных устройствами увеличения подъемной силы передней кромки, такими как предкрылки, поэтому эта система наиболее часто встречается на небольших турбовинтовых самолетах, таких как Saab 340 и Embraer EMB 120 Brasilia. Пневматические противообледенительные ботинки иногда встречаются на других типах самолетов, особенно на более старых моделях. Они редко используются на современных реактивных самолетах. Изобретены Б. Ф. Гудричем в 1923 году.
Обезледенение жидкости
Иногда называемые "плачущим крылом", системами "мокрого" типа или испарительными системами, эти системы используют противообледенительную жидкость, обычно на основе этиленгликоля или изопропилового спирта, для предотвращения образования льда и удаления накопившегося льда с критических поверхностей самолета. Один или два электрических насоса подают жидкость в пропорциональные клапаны, которые распределяют поток между защищаемыми участками. Второй насос используется для обеспечения 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 стабилизаторов, обтекателей, подкосов, воздухозаборников двигателей, а также из разбрызгивающего кольца на винте и омывателя лобового стекла. В этих панелях просверлены отверстия определенного диаметра. Система самоочищающаяся, и жидкость помогает очистить самолет перед тем, как быть сдутой воздушным потоком. Система впервые была применена во время Второй мировой войны британцами и разработана компанией Tecalemit Kilfrost Sheepbridge Stokes (TKS). Boeing 787 Dreamliner использует электротермическую защиту от обледенения, в которой нагревательные элементы встроены в композиционную конструкцию крыла. Boeing утверждает, что система потребляет вдвое меньше энергии, чем системы отбора воздуха от двигателя, и снижает сопротивление и шум. Тонкопленочные нагревательные элементы могут быть приклеены к внутренней стороне металлических обшивок самолета для снижения энергопотребления по сравнению с встроенными схемами, поскольку они работают при более высокой плотности мощности. Для авиации общего назначения ThermaWing использует гибкую, электропроводящую графитовую фольгу, прикрепленную к передней кромке крыла. Электрические нагреватели нагревают фольгу, которая плавит лед. Небольшие провода или другие проводящие материалы могут быть встроены в лобовое стекло для его обогрева. Пилоты могут включать электрический обогреватель, чтобы обеспечить достаточное тепло для предотвращения образования льда на лобовом стекле. Однако электрические обогреватели лобового стекла могут использоваться только в полете, так как они могут привести к перегреву лобового стекла. Они также могут вызывать отклонения компаса до 40°. Одно из предложений использовало углеродные нанотрубки, сформированные в тонкие нити, скрученные в пленку толщиной 10 микрон. Пленка является плохим проводником электричества из-за зазоров между нанотрубками. Вместо этого ток вызывает быстрый нагрев, в два раза более быстрый, чем у нихрома, который является предпочтительным нагревательным элементом для противообледенительной системы в полете, при этом потребляется вдвое меньше энергии и вес составляет одну десятитысячную часть веса нихрома. Достаточное количество материала для покрытия крыльев Boeing 747 весит и стоит примерно 1% от стоимости нихрома. Также были предложены аэрогелевые обогреватели, которые можно включать непрерывно при низкой мощности.
Электромеханические
Электромеханические системы удаления обледенения (EMEDS) используют импульсную силу, создаваемую исполнительными механизмами внутри конструкции, которая генерирует ударную волну на очищаемой поверхности. Также были разработаны гибридные системы, сочетающие EMEDS с нагревательными элементами: нагреватель предотвращает образование льда на передней кромке профиля, а система EMEDS удаляет накопления льда позади нагреваемой зоны профиля.
Пассивные (ледоупорные покрытия)
Пассивные системы используют ледофобные поверхности. Ледофобия аналогична гидрофобии и описывает свойство материала, устойчивое к образованию льда. Термин не имеет четкого определения, но обычно включает в себя три характеристики: низкую адгезию льда к поверхности, предотвращение образования льда и отталкивающий эффект по отношению к переохлажденным каплям. Ледофобия требует специальных материальных свойств, но не идентична гидрофобии. Для минимизации намерзания исследователи ищут ледофобные материалы. В качестве кандидатов рассматриваются углеродные нанотрубки и пористые поверхности, пропитанные скользящей жидкостью (SLIPS), которые отталкивают воду при ее превращении в лед.