Жидкостная противообледенительная система.

На некоторых самолетах применяются жидкостные ПОС для защиты остекления лобовых частей фонаря, блистера штурмана и т.д. В этой системе на защищаемую поверхность подается жидкость, которая или понижает температуру замерзания воды, или уменьшает силу сцепления льда с защищаемой поверхностью для последующего его удаления встречным потоком воздуха.

В качестве рабочих жидкостей применяются различные спирты, спиртоглицериновая смесь или жидкости на основе гликолей, как правило, имеющих температуру замерзания около -60°С. Качество работы системы во многом зависит от способа подачи жидкости и равномерности ее растекания на защищаемой поверхности.

Рис.7.13. Конструкция рабочей части жидкостной ПОС: 1 – обшивка из пористого металла; 2 – пористый полимерный материал; 3 – подача противообледенительной жидкости: 4 – обшивка носка крыла.

На рис. 7.13 представлена высокоэффективная конструкция защиты от обледенения носка крыла, выполненного из пористой коррозионно-стойкой стали. Под обшивкой 1располагается слой пористого полимерного материала 2, к которому под давлением; подается жидкость 5. Слой пористого материала способствует равномерному распределению жидкости в пределах защищаемого агрегата, а затем эта жидкость равномерно поступает на наружную поверхность.

Наиболее широкое распространение жидкостная ПОС получила по защите остекления кабин. Ее работа заключается в том, что рабочая жидкость подается через коллектор на остекление и встречным потоком забортного воздуха разбрызгивается по стеклу.

К преимуществам систем такого типа относятся: отсутствие остаточных льдообразований, хорошие массовые характеристики
(многие компоненты системы изготавливаются из полимерных материалов), малые потребляемые мощности, экономичное расходование жидкости, большой ресурс, соизмеримый с ресурсом планера.

Однако жидкостные ПОС имеют существенные недостатки:

- время работы системы зависит от запаса жидкости на борту;

- эффективность в случае тяжелого обледенения недостаточна;

- системы пожароопасные.

Тепловые ПОС

В настоящее время для защиты ЛА от обледенения наиболее часто применяются тепловые ПОС, которые можно подразделить на две группы – воздушнотепловые и электротепловые. В основу такого деления положен источник энергии, от которого питается ПОС. Кроме того, в отдельных случаях, главным образом для защиты силовой установки, применяются противообледенительные системы, использующие горячее масло от двигателя.

Независимо от источника энергии все тепловые ПОС подразделяются на системы постоянного и циклического действия.

При постоянном обогреве капли воды, попадая на подогретую поверхность, не замерзая, растекаются по ней, постепенно испаряясь и частично сдуваясь набегающим потоком. Если протяженность зоны обогрева окажется недостаточной для полного удаления воды, то последняя замерзает на границе обогреваемой зоны в виде не удаленного барьерного льда.

Применение противообледенителей постоянного обогрева, полностью испаряющих воду, требует повышенных затрат энергии и связано с необходимостью защиты больших поверхностей. Поэтому такие противообледенители используют для защиты только тех частей, на которых недопустимо образование льда.

Существенную экономию энергии дает применение противообледенителей циклического обогрева. В этом случае вся защищаемая поверхность разбивается на отдельные секции, обогреваемые поочередно. На поверхности образуется лед допустимой толщины, который при очередном нагреве секции должен сбрасываться. Для того чтобы после выключения обогрева лед опять не примерзал к поверхности, на передней кромке есть узкая полоса, обогреваемая постоянно. Это так называемый "тепловой нож", который разделяет лед на две части, легко удаляемые набегающим потоком после того, как в результате нагрева и подтапливания льда изнутри резко уменьшаются силы его сцепления с обшивкой. ПОС циклического действия применяют для защиты только тех поверхностей, сброс льда с которых не может привести к опасным последствиям. Например, их нельзя применять для защиты входных кромок воздухозаборников силовых установок.

Принципиальные схемы рабочей части воздушно-тепловой ПОС представлены на рис.7.14.

Рис. 7.14. Типовые схемы рабочей части воздушно-тепловых противообледенителей: а) продольный рабочий канал с распределительной трубой «пиколло» 1, б) микроэжекторная схема противообледенителя с поперечными рабочими каналами, 2 – микроэжекторная распределительная труба, 3 – плоская камера смешения воздуха, II – продольный канал для отвода отработанного воздуха, в) схема с высоконапорной камерой 1, рабочими каналами малой высоты 4 и распределительной трубой «пиколло»   В вариантах а и в горячий воздух по длине крыла или хвостового оперения распределяется так называемыми трубками «пиколло», имеющими вдоль лобовой образующей ряд небольших отверстий с диаметром около 1,5 мм. Трубки «пиколло» обеспечивают более равномерное распределение горячего воздуха за счет того, что он вытекает из отверстий со скоростью, близкой к звуковой. В варианте а и б засчет эжекции, создаваемой струей при выходе из отверстий трубки, происходит циркуляция отработанного воздуха, и, соответственно, коэффициент теплоиспользования такой системы выше. В варианте в наряду с трубкой «пиколло» применяется высоконапорная камера 1, и рабочие поперечные каналы имеют небольшую, около 1,5 мм высоту. Это обеспечивает большие скорости горячего воздуха в рабочих каналах и лучшие тепловые характеристики по сравнению с другими системами. В схеме б, которая получила название микроэжекторной, горячий воздух подводят распределительной трубой 2и через микросопла, расположенные с шагом 10…15 мм, подают в плоскуюкамеру смешения 3, которая плавно переходит в гофр в верхней и нижней частях профиля. При истечении горячего воздуха из микросопел энергично подсасывается отработанный воздух из канала II, в результате потребный расход горячего воздуха в такой противообледенительной системе значительно меньше.

Рис. 7.15. Типовая принципиальная схема воздушно-тепловой ПОС постоянного действия с отбором воздуха от ГТД: 1 – ступень высокого давления; 2 – ступень низкого давления; 3 – компенсатор; 4 – смесительное устройство; 5 – обратный клапан; 6 – подача воздуха от второго двигателя; 7 – электромагнитный кран включения ПОС; 8 – температурный компенсатор телескопического типа; 9 – регулятор расхода; 10 – ограничитель расхода; 11 – противообледенитель киля; 12 – противообледенитель стабилизатора; 13 – противообледенитель корневой части крыла; 14 – противообледенитель концевой части крыла; 15 – подача воздуха по второй половине крыла; 16 –датчик температуры воздуха

На рис. 7.15 приведена типовая принципиальная схема воздушно-тепловой ПОС, в которой используется горячий воздух, отбираемый от компрессоров двигателей. Для получения потребной температуры воздуха он одновременно отбирается от низконапорных 1и высоконапорных 2ступеней компрессора, а затем эти два потока смешиваются в специальных смесителях эжекторного или клапанного типа 4.Температура воздуха по условиям термопрочности не должна превышать некоторой определенной величины. Так, для конструкций из алюминиевых сплавов эта величина не должна превышать 180...200°С. Отбор воздуха от нескольких двигателей повышает надежность работы ПОС при отказе одного из них.

Отбор воздуха от компрессора двигателя имеет и свои отрицательные стороны: увеличиваются длина разбега и взлетная дистанция, снижается скороподъемность и сокращается дальность полета ЛА.

Современные самолеты (особенно пассажирские лайнеры), имеющие существенные размеры несущих поверхностей и, соответственно, зоны защиты, ПОС непрерывного действия требуют для своей работы значительных мощностей (сотни киловатт). Это вызывает необходимость применения систем циклического действия, позволяющих существенно сократить энергозатраты на работу ПОС. Удельная мощность у таких систем составляет 12…35 кВт/м².

Особенность работы таких систем состоит в определенной периодичности подачи горячего воздуха в отдельные секции обогреваемой поверхности. Управление, как правило, автоматическое.

Воздушно-тепловая ПОС циклического действия, установленная на крыле Ил-62 (рис. 7.16), состоит из трех секций, работающих поочередно в течение 50 с каждая. Корневая часть крыла обогревается постоянно и образование льда на ней не допускается. В конструкции рабочей части для повышения коэффициента теплового использования применено эжектирование отработанного воздуха.

Рис. 7.16. Общий вид воздушно-тепловой противообледенительной системы крыла Ил-62: 1 – программные коммутаторы; 2 – программный механизм; 3 – разделительная заслонка; 4 – обратный клапан; 5, 12 – заслонка; 6 – обогрев воздухозаборника радиатора; 7 – эжектор подачи воздушной смеси в противообледенителъную камеру; 8 – приемник; 9 – отверстия для выхода отработанного воздуха; 10 – эжектор подачи тепловой смеси в камеру теплового «ножа»; 11 – тепловой «нож»; 13 – обратный клапан переключения; 14 – противообледенитель носка; 15 – трубопровод подачи горячего воздуха в систему кондиционирования и противообледенителям крыла

Однако в большинстве случаев ПОС циклического действия – это электротепловая система. Применение электротепловых ПОС исключает отбор воздуха от двигателей, обеспечивает удобство передачи энергии к защищаемой поверхности и позволяет легко автоматизировать процесс обогрева. Кроме того, для ряда агрегатов ЛА, например воздушных винтов, применение других систем (водно-спиртовой) существенно усложняется.

Источником питания электротепловой ПОС является самолетная сеть переменного трехфазного тока напряжением 115/208 В. Нагревательный пакет противообледенителя состоит из нескольких слоев, одним из которых является собственно нагревательный элемент. Конструктивно нагревательный элемент может быть выполнен по-разному: из проволоки с высоким удельным сопротивлением, из полос фольги коррозионно-стойкой стали, из токопроводящей ткани и из антикоррозионной металлической сетки. Этот элемент изолируется от металлических поверхностей с помощью приклеенного слоя резиновой изоляции. Общая толщина нагревательного пакета, как правило, не превышает 3...4 мм.

По такой же схеме выполняются противообледенительные устройства винтов изменяемого шага. Зона обогрева организуется по наружной и внутренней поверхностям носков профиля и составляет до 60% радиуса лопасти от оси вращения винта. ПОС воздушных винтов, как правило, работает в пульсирующем режиме при равных интервалах времени нагрева и охлаждения. К примеру, затрачиваемая мощность ПОС для винта с диаметром 4,5 м составляет 6…8 кВт.

Для обогрева остекления применяются проволочные и пленочные нагревательные элементы. Проволочный нагревательный элемент состоит из ряда параллельно расположенных константановых проволочек диаметром 0,03 мм. Они монтируются между двумя стеклами, которые затем склеиваются прозрачным бутафолем. Концы проволочек припаиваются к медным шинам, которые, в свою очередь, через автомат обогрева присоединяются к бортовой сети постоянного тока напряжением 27 В.

Пленочный нагревательный элемент представляет собой тонкую металлическую пленку, нанесенную на органическое стекло методом напыления в вакууме. Эта пленка заключается между двумя слоями силикатного стекла, склеенными между собой склеивающей пленкой, незначительно ухудшающей оптические свойства стекла. Для питания пленочных нагревательных элементов применяется переменный ток напряжением 115В частотой 400 Гц.

Тепловые системы, обладают следующими недостатками:

- существенное снижение прочности и ресурса обшивки и каркаса защищаемых носков;

- большая сила тока, подводимого к электрическим нагревательным элементам, вследствие чего при некоторых повреждениях образуется вольтова дуга;

- сложность наземной проверки работоспособности;

- большая длительность нагрева защищаемых поверхностей (особенно при использовании воздушно-тепловой системы).

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. Каковы причины обледенения элементов самолета?

2. Каковы основные формы обледенения и условия их возникновения?

3. Какие поверхности самолета наиболее подвержены обледенению?

4. Как влияет обледенение на аэродинамику самолета?

5. К каким последствиям может привести обледенение входных устройств силовых установок?

6. В чем заключается влияние обледенения на аэродинамические характеристики ЛА?

7. Почему обледенение наиболее опасно на взлетно-посадочных режимах полета?

8. К каким последствиям может привести обледенение входного устройства силовой установки ЛА?

9. Какие требования предъявляются к сигнализаторам обледенения?

10. На каком принципе основана работа сигнализаторов пневмо- и вибрационного типа?

11. Назовите известные Вам способы защиты ЛА от обледенения.

12. Как работают пневматическая и электроимпульсная ПОС?

13. Чем отличаются тепловые ПОС постоянного действия от ПОС циклического действия?

14. Каким образом можно повысить коэффициент теплового использования воздушно-тепловых ПОС?

15. Назовите возможные способы защиты силовых установок ЛА от обледенения.

16. Назовите источники тепла при защите остекления от обледенения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акопов М.Г., Бекасов В.И., Евсеев А.С. и др. Системы оборудования летательных аппаратов. М.: Машиностроение 1995. 496 с.

2. Алексеев С.М., Балкинд Я.В., Гершкович Я.В. и др. Средства спасения экипажа самолета. М.: Машиностроение 1975. 432 с.

3. Алексеев С.М., Уманский С.П. Высотные и космические скафандры. М.: Машиностроение 1973. 280 с.

4. Никифоров Г.Н., Котылев Г.В. Конструкция самолетных агрегатов. М.: Машиностроение 1989. 246 с.

5. Некрасов Б.Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. М.: Машиностроение 1967. 368 с.

6. Мещерякова Т.П. Проектирование систем защиты самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение 1977. 232 с.

7. Единые нормы летной годности гражданских транспортных самолетов стран – членов СЭВ. М.: Межведомственная комиссия по нормам летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР, 1985. 470 с.