Основные факторы обледенения

Широкое применение авиации в деятельности человека вызывает большие проблемы по безопасности полетов и, в частности, защиты летательных аппаратов от обледенения. Обледенение самолетов и вертолетов происходит в атмосфере, содержащей влагу при отрицательных температурах. Следует отметить, что вода может находиться в жидкой фазе до температуры минус 65ºС.

Обледенение является процессом ледяных образований на некоторых поверхностях летательного аппарата. Это может привести к существенным осложнениям полета – вплоть до катастрофы.

Рис. 7.1. Схема обтекания профиля воздушным потоком, содержащим переохлажденные капли ––– линия тока; - - - траектории капель; заштрихованная область – зона, содержащая капли, оседающие на профиль

Процесс кристаллизации воды (переход в лед) осуществляется с большой скоростью и инициируется образованием центров кристаллизации. В качестве таких центров кристаллизации могут быть инородные тела (пылинки и пр.), соприкосновение с поверхностью и т.д.

Наибольшая вероятность обледенения возникает при полете в облаках с повышенным содержанием влаги. Наиболее благоприятная температура для обледенения составляет от 0°С до -20°С. Особо следует отметить возможность образования наледи на входных участках воздухозаборников двигателей при температурах от 0°С до +10°С. Это объясняется адиабатическим расширением воздуха, вызывающим одновременное понижение его температуры. При этом одновременно происходит конденсация паров, находящихся в воздухе. Это усиливает возможность обмерзания обтекаемых участков воздухозаборников и даже лопаток первых ступеней компрессора.

Образование льда на поверхностях летательного аппарата является следствием двух процессов – соударением переохлажденных капель с поверхностью и последующим их растеканием и замерзанием. Зоны возникновения обледенения дает картина обтекания влажным воздухом профиля крыла.

В дозвуковом полете атмосферный воздух распределяется вокруг лобовой поверхности крыла так (см. рис. 7.1), что линии тока существенно искривляются у передней кромки и затем следуют примерно кривизне профиля. Водные капли, в силу большей инертности, движутся по траектории меньшей кривизны, формируя вдоль обтекаемой поверхности слой воздуха с повышенной концентрацией водных капель. Существенная часть капель концентрируется на лобовой поверхности профиля. Оставшаяся часть потока, протекая по передней поверхности крыла, замерзает на его поверхности.

Величина зоны улавливания зависит в основном от скорости полета и диаметра капель – чем выше скорость и больше диаметр капель, тем больше зона улавливания и тем большая доля воды, содержащейся в воздухе, оседает на передней кромке. Уменьшение относительной толщины профиля и радиуса закругления передней кромки также приводит к увеличению размеров зоны улавливания (растекания). По этой причине при острых кромках, характерных для профилей сверхзвуковых самолетов, может быть захвачено до 90% водяных капель, содержащихся в воздушном потоке, в то время как относительно толстый дозвуковой профиль может захватить всего около 15%капель.

Обычно величина зоны захвата не превышает 5...6%хорды профиля, а диаметр капель, оседающих на поверхности, лежит в диапазоне от 5 до 75 мкм.

Размеры зоны растекания воды по поверхности зависят от температуры, скорости полета, способа защиты от обледенения и ряда других факторов.

В совокупности зона улавливания и зона растекания составляют зону защиты профиля, минимальный размер которой ограничен зоной улавливания, а максимальный — обычно не превышает 15% хорды профиля.

Кроме указанных выше температуры окружающей среды и диаметра переохлажденных капель существенное влияние на процесс обледенения оказывают водность окружающей среды и связанная с ней интенсивность обледенения. Под водностью окружающей среды понимается масса воды, находящейся в капельножидком состояний, в одном кубическом метре объема.

Интенсивность обледенения — это скорость образования льда, характеризующаяся изменением толщины ледяного слоя в единицу времени. Интенсивность обледенения зависит oт водности окружающего воздуха, а также диаметра переохлажденных капель.

Обледенение ЛА чаще всего происходит при прохождении атмосферных облачных фронтов. С точки зрения возникновения обледенения из всего многообразия облачных образований следует выделить две их разновидности — слоистые и кучевые облака.

Слоистые облака могут иметь толщину от 200 до 2000 м, по фронту достигать размера до 1000 км, а их протяженность может находиться в пределах от 200 до 900 км. По своей структуре это в основном капельные, иногда с примесью кристаллов льда, облака с диаметром капель от 3 до 20 мкм. Средняя водность слоистых облаков составляет около 0,18 г/м³,интенсивность обледенения может, достигать 2 мм/мин, а вероятность его возникновения – до 85%.

Кучевые облака могут иметь толщину до нескольких километров, по фронту имеют размер до 20...30 км и, как правило, идут грядами в зоне, имеющей протяженность от 30 до 100 км от фронта. По своей структуре – это капельные облака с диаметром капель около 12 мкм. Средняя величина водности в кучевых облаках составляет около 0,36 г/м³, интенсивность обледенения в верхней части облака достигает 5 мм/мин, а вероятность обледенения около 70%.