АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Обледенение (авиация)

В авиации обледенение — это образование льда на воздушном судне. В истории авиации обледенение неоднократно приводило к несчастным случаям. Нарастание и накопление льда может затрагивать внешние поверхности воздушного судна — в этом случае это называется обледенением воздушного судна[1] — или двигатель, что приводит к обледенению карбюратора, обледенению воздухозаборника или, в более общем смысле, к обледенению двигателя[2]. Эти явления могут происходить как одновременно, так и по отдельности.

Не все летательные аппараты, особенно самолёты авиации общего назначения, сертифицированы для полётов при известном обледенении — то есть полётов в зонах с определёнными или вероятными условиями обледенения, основанными на отчётах пилотов, наблюдениях и прогнозах[3]. Для того чтобы получить сертификат, воздушные суда должны быть оснащены соответствующими системами защиты от обледенения для предотвращения аварий в результате обледенения.

Определение

Условия обледенения возникают, когда в воздухе содержатся переохлаждённые капли воды. Они замерзают при контакте с потенциальным местом выпадения, которым в данном случае являются части самолёта, вызывая обледенение. Условия обледенения количественно характеризуются средним размером капель, содержанием жидкой воды и температурой воздуха. Эти параметры влияют на степень, тип и скорость образования льда на воздушном судне. Федеральные авиационные правила содержат определение условий обледенения[4], при которых некоторые самолёты сертифицированы для полётов. Так называемые условия переохлаждённого крупнокапельного обледенения — это условия, которые превышают эти требования и представляют особую опасность для воздушных судов, которой все самолёты должны стараться избегать.

Качественные данные пилотов указывают на условия обледенения с точки зрения их воздействия на воздушное судно и зависят от имеющихся возможностей самолёта. В результате разные самолёты могут сообщать об одних и тех же количественных условиях как о разных уровнях обледенения. Для индикации наличия обледенения часто используются детекторы льда.

Типы структурного льда

undefined
  • Глазурный лёд часто бывает прозрачным и гладким. Переохлаждённые капли воды, или ледяной дождь, ударяются о поверхность, но не замерзают мгновенно. Часто образуются «рожки» или выступы, которые направляются в поток воздуха, который сглаживает их. Такую форму льда также называют глазурью.
  • Шероховатый и непрозрачный лёд образуется из переохлаждённых капель, быстро замерзающих при ударе. Образуется в основном в лобовой точке аэродинамического профиля и обычного повторяет его форму.
  • Смешанный лёд — это сочетание глазурного и шероховатого льда, обладающее обоими свойствами.
  • Морозный лёд — это результат замерзания воды на незащищённых поверхностях, когда самолёт находится в неподвижном состоянии, ещё до начала полёта. Это может быть опасно при попытке взлёта, поскольку нарушает пограничный слой воздушного потока, вызывая преждевременное аэродинамическое сваливание и, в некоторых случаях, резкое увеличение сопротивления, делая взлёт опасным или невозможным, что может привести к преждевременным авариям.
  • Крупнокапельный лёд — это лёд, образующийся в условиях переохлаждённого крупнокапельного обледенения. Он похож на глазурный лёд, но из-за большого размера капель распространяется на незащищённые части самолёта и образует более крупные ледяные фигуры, быстрее, чем при обычном обледенении, от которого почти все самолёты недостаточно защищены. Это стало одним из факторов крушения рейса 4184 авиакомпании American Eagle.

Факторы

Структурное обледенение самолёта в основном определяется тремя факторами: содержанием переохлаждённой воды, которое определяет, сколько воды участвует в обледенении; температурой воздуха, причём половина всех зарегистрированных случаев обледенения происходит между −8 °C (18 °F) и −12 °C (10 °F); и размером капель, причём маленькие капли влияют на передние кромки самолёта, а большие капли могут воздействовать дальше в кормовой части аэродинамического профиля. Скорость движения воздуха также влияет на обледенение. В целом, чем выше скорость, тем больше накапливается льда. Однако на более высоких скоростях это компенсируется трением поверхности летательного аппарата, и в результате структурное обледенение минимально при скорости выше 575 узлов (1065 км/ч; 662 миль/ч). Кроме того, конструкция самолёта также влияет на обледенение[5].

В слоистых облаках обледенение более мягкое. Оно обычно образуется в виде налёта или смешанного обледенения и, как правило, ограничивается атмосферным слоем толщиной 3000—4000 фут (910—1220 м). Уровень интенсивности обледенения в кучево-дождевых облаках, напротив, может варьироваться от незначительного для мелких кучевых до сильного в виде глазурного или смешанного обледенения для крупных облаков, располагающихся в верхних слоях атмосферного слоя. Также обледенение может усиливаться и на больших высотах над уровнем моря[5].

Влияние обледенения

undefined

При образовании ледяного нароста крыло обычно сваливается при меньшем угле атаки, а значит, и при большей скорости полёта, поскольку значительно снижается коэффициент подъёмной силы и увеличивается аэродинамическое сопротивление[6]. Даже небольшое количество льда оказывает влияние, а если лёд шероховатый, то это влияние может быть значительным. Таким образом, если на крыльях остаётся лёд, рекомендуется увеличить скорость захода на посадку. Степень увеличения скорости зависит как от типа самолёта, так и от количества льда. Характеристики сваливания самолёта с загрязнёнными льдом крыльями будут ухудшены, и нередко возникают серьёзные проблемы с управлением по крену. Нарастание льда может быть несимметричным между двумя крыльями, что требует калибровки. Кроме того, внешняя часть крыла, которая обычно тоньше и, следовательно, лучше собирает лёд, скорее всего, свалится первой.

Влияние на беспилотные летательные аппараты

Беспилотные летательные аппараты — это развивающаяся технология с широким спектром коммерческих и военных применений. Обледенение в полёте происходит в переохлаждённых облаках или замерзающих осадках и представляет собой потенциальную опасность для всех летательных аппаратов. Обледенение БПЛА в полёте существенно ограничивает их эксплуатационные возможности[7].

Беспилотные летательные аппараты более чувствительны и восприимчивы к обледенению по сравнению с пилотируемыми самолётами[8]. Основные различия между БПЛА и пилотируемыми самолётами, когда речь идёт об обледенении, таковы:

  • Размер и вес: маленькие воздушные судна накапливают лёд быстрее, чем большие самолёты, и на единицу площади приходится больше льда. БПЛА, как правило, меньше пилотируемых самолётов и поэтому более чувствительны к обледенению. Кроме того, дополнительная масса от скопления льда может быстро оказать негативное влияние на БПЛА с жёсткими ограничениями по весу.
  • Скорость полёта: высокая скорость полёта приводит к нагреву крыльев или пропеллеров самолёта, что может в определённой степени противодействовать обледенению. БПЛА летают на меньших скоростях, чем пилотируемые самолёты, и не могут воспользоваться тем же эффектом нагрева. Поэтому обледенение на БПЛА может происходить в более широком диапазоне температур, чем на пилотируемых самолётах.
  • Ламинарный поток: число Рейнольдса для БПЛА примерно на порядок ниже, чем для пилотируемых самолётов. Это приводит к тому, что БПЛА работают в режимах течения, где эффекты ламинарного потока преобладают над эффектами турбулентного потока. Поскольку на ламинарное течение легче, чем на турбулентное, действуют внешние возмущения, негативные последствия обледенения оказываются более значительными.
  • Тип: БПЛА с поворотным крылом обычно более чувствительны к обледенению, чем БПЛА с фиксированным крылом[9].

Части БПЛА, наиболее подверженные обледенению, — это датчик воздушной скорости, передняя кромка аэродинамических поверхностей, роторы и пропеллеры.

Обледенение БПЛА — глобальное явление, и условия обледенения на рабочей высоте могут возникать круглый год по всему миру. Однако риск обледенения особенно велик в субарктических районах, Арктике и Антарктике. Например, на большей части Северной Европы с сентября по май обледенение наблюдается от 35 % до более чем 80 % времени[9].

Предотвращение и устранение

undefined

Существует несколько способов уменьшить опасность обледенения. Первый и самый простой — полностью избежать обледенения, но для многих полётов это нецелесообразно.

Защита перед полётом

Если лёд (или другие загрязнения) присутствуют на самолёте перед взлётом, их необходимо удалить с критических поверхностей. Удаление может принимать различные формы:

  • Механические средства, которые могут быть простыми, как использование мётлы или щётки для удаления снега.
  • Применение противообледенительной жидкости или даже горячей воды для удаления льда, снега и т. д.
  • Использование инфракрасного обогрева для расплавления и удаления загрязнений.
  • Помещение самолёта в отапливаемый ангар до тех пор, пока снег и лёд не растают.
  • Позиционирование самолёта в направлении солнца для максимального нагрева покрытых снегом и льдом поверхностей. На практике этот метод ограничен тонким слоем загрязнения, временем и погодными условиями.

Все эти методы удаляют существующее загрязнение, но не обеспечивают практической защиты в условиях обледенения. Если условия обледенения существуют или ожидаются до взлёта, то используются антиобледенительные жидкости. Они более густые, чем противиобледенительные жидкости, и в течение некоторого времени противостоят воздействию снега и дождя. Они предназначены для удаления с самолёта во время взлёта и не обеспечивают защиты в полёте.

Защита во время полёта

undefined

Для защиты самолёта от обледенения в полёте используются различные антиобледенительные или противообледенительные средства:

  • Общий подход заключается в том, чтобы направить «стравливаемый воздух» двигателя в воздуховоды вдоль передних кромок крыльев и хвостовых плоскостей. Воздух нагревает переднюю кромку поверхности, что приводит к плавлению или испарению льда при контакте. На самолётах с турбиной воздух забирается из компрессорной части двигателя. Если самолёт оснащён поршневым турбонаддувом, воздух для стравливания может отбираться из турбокомпрессора.
  • Некоторые самолёты оснащены пневматическими противообледенительными системами, которые рассеивают лёд, образующийся на поверхности. Эти системы требуют меньше воздуха для продувки двигателя, но обычно менее эффективны, чем подогреваемая поверхность.
  • На некоторых самолётах используется система «плачущего крыла», которая имеет сотни маленьких отверстий в передних кромках и выпускает антиобледенительную жидкость по требованию, чтобы предотвратить образование льда.
  • Для защиты самолётов и их компонентов (включая пропеллеры) от обледенения также используется электронагрев. Нагрев может осуществляться непрерывно (обычно на небольших критических компонентах, таких как статические датчики Пито и лопасти) или периодически, что даёт эффект, схожий с использованием пневматической ПОС.

Во всех этих случаях обычно защищаются только критические поверхности и компоненты самолёта. В частности, обычно защищается только передняя кромка крыла.

Подогрев карбюратора применяется в карбюраторных двигателях для предотвращения и устранения обледенения. Двигатели с впрыском топлива не подвержены обледенению карбюратора, но могут страдать от засорения впускных каналов. В таких двигателях часто используется альтернативный источник воздуха.

Существует разница между антиобледенительной и противообледенительной обработкой. Противообледенительная обработка означает удаление льда с планера самолёта; антиобледенительная обработка означает предотвращение накопления льда на планере самолёта.

Связанные с обледенением аварии и инциденты

Дата Инцидент
15 октября 1943 Рейс 63 авиакомпании American Airlines
21 ноября 1973 Авария самолёта C-117D ВМС США в Сольхеймасандуре
1 декабря 1974 Катастрофа Boeing 727 под Стоуни-Пойнтом
4 декабря 1978 Рейс 217 авиакомпании Rocky Mountain Airways
13 января 1982 Катастрофа Boeing 737 в Вашингтоне
12 декабря 1985 Катастрофа DC-8 в Гандере
15 ноября 1987 Катастрофа DC-9 в Денвере
10 марта 1989 Катастрофа Fokker F28 под Драйденом
26 декабря 1989 Рейс 2415 авиакомпании United Express
17 февраля 1991 Рейс 590 авиакомпании Ryan International Airlines
27 декабря 1991 Авария MD-81 в Готтрёре
22 марта 1992 Катастрофа Fokker F28 в Нью-Йорке
1 апреля 1993 Авария Fairchild Merlin в Теннесси
31 октября 1994 Катастрофа ATR 72 под Розлоном
9 января 1997 Катастрофа EMB 120 в Монро
27 февраля 2001 Рейс 670A авиакомпании Loganair
21 декабря 2002 Рейс 791 авиакомпании TransAsia Airways
21 ноября 2004 Катастрофа CRJ200 в Баотоу
16 августа 2005 Катастрофа MD-82 под Мачикесом
12 февраля 2009 Катастрофа DHC-8 под Буффало
1 июня 2009 Катастрофа A330 в Атлантике
4 ноября 2010 Катастрофа ATR 72 в Гуасимале
9 января 2011 Катастрофа Boeing 727 под Урмией
18 мая 2011 Катастрофа Saab 340 в Рио-Негро
24 июля 2014 Катастрофа MD-83 в Мали
11 февраля 2018 Катастрофа Ан-148 в Подмосковье
9 августа 2024 Катастрофа ATR 72 под Сан-Паулу

Примечания

  1. ↑ Wadel, Mary Airframe Icing. NASA Glenn Research Center. National Aeronautics and Space Administration (3 августа 2017). Дата обращения: 8 июня 2019.
  2. ↑ Wadel, Mary Engine Icing. NASA Glenn Research Center. National Aeronautics and Space Administration (31 июля 2017). Дата обращения: 8 июня 2019.
  3. ↑ Yodice, John S. (1 August 2005). “The law on 'known icing'”. AOPA Pilot Magazine. 48 (8). Архивировано из оригинала 1 January 2015. Дата обращения 25 April 2013. Используется устаревший параметр |url-status= (справка)
  4. ↑ Federal Aviation Regulations, Part 25, Appendix C. Дата обращения: 20 сентября 2008. Архивировано 19 марта 2012 года.
  5. ↑ 1 2 FAA-H-8083-28A, Aviation Weather Handbook 20—3 — 20-4. Federal Aviation Administration. Дата обращения: 22 декабря 2024.
  6. ↑ Martin, Swayne How Ice Affects Your Wings, And Why It Leads To An Early Stall. Bold Method - Learn to Fly (29 января 2022).
  7. ↑ Hann, Richard; Johansen, Tor (2020). “Unsettled Topics in Unmanned Aerial Vehicle Icing (EPR2020008 Research Report) - SAE Mobilus”. saemobilus.sae.org. DOI:10.4271/epr2020008. HDL:11250/3113980. S2CID 226200723. Дата обращения 2021-02-12.
  8. ↑ Hann, Richard. Atmospheric Ice Accretions, Aerodynamic Icing Penalties, and Ice Protection Systems on Unmanned Aerial Vehicles. — NTNU, 2020. — ISBN 978-82-326-4749-1.
  9. ↑ 1 2 UAV Atmospheric Icing Limitations (май 2021). Дата обращения: 8 декабря 2021.

Ссылки

Категории