Обмерзанням називається відкладення льоду (інею або паморозі) на обтічних частинах ВС, силових установках і зовнішніх деталях спеціального обладнання при польоті в хмарах, туману, дощу або мокрого снігу.
Необхідною і достатньою умовою для зледеніння ВС в польоті є наявність достатньої вологи в повітрі (хмари, опади), негативні температури повітря і поверхні ВС.
Обледеніння характеризується інтенсивністю відкладення льоду на поверхні ВС, яка залежить від багатьох параметрів як ВС і навколишнього середовища, так і умов польоту.
За статистикою ICAO, через обмерзання щорічно відбувається близько 7% всіх авіаційних катастроф, пов'язаних з метеорологічними умовами, і 1% всіх авіакатастроф взагалі. Близько 4% авіаційних подій в складних метеоумовах доводиться на обмерзання. Таким чином, знання екіпажем основних відомостей про обмерзання ВС, його характеристиках і вплив на політ ВС дозволяють підвищити рівень безпеки польотів.
Інтенсивність обмерзання ВС характеризується товщиною льоду, що відкладається на одиниці площі обледеневают поверхні ВС в одиницю часу. Залежно від інтенсивності розрізняють три види обмерзання:
- при інтенсивності обмерзання, що дорівнює 0,5 мм / хв;
- при інтенсивності обмерзання, що дорівнює 0,5-1 мм / хв;
- при інтенсивності обмерзання, яка дорівнює 1 мм / хв.
Слабке обмерзання є накопичення льоду, який може бути вилучений за допомогою протизамерзання обладнання. Воно не становить серйозної небезпеки для повітряного судна, обладнаного противообледенительной системою.
Помірне обмерзання - обмерзання такої інтенсивності, при якому звичайні методи боротьби з обмерзанням забезпечують лише обмежену захист. Лід продовжує накопичуватися, але швидкість його накопичення ще недостатня для того, щоб серйозно вплинути на безпеку польоту, якщо повітряне судно не знаходиться в цих умовах протягом тривалого періоду часу.
Сильне обледеніння - обмерзання, при якому лід продовжує накопичуватися, незважаючи на всі вжиті заходи боротьби з обмерзанням. Швидкість накопичення льоду досить велика, щоб викликати помітну втрату повітряної швидкості і висоти. Цей вид є критичним з точки зору безпеки польоту.
Одне і те ж значення інтенсивності для одного типу ВС може становити небезпеку, а для іншого бути безпечним. Крижані відкладення на поверхні ВС можуть утворюватися в результаті:
замерзання переохолоджених водяних крапель хмари, туману або дощу при
зіткненні їх з частинами ЗС;
безпосереднього осідання кристалів льоду, снігу, граду;
сублімації водяної пари на поверхні ВС.
Процес утворення льоду на ВС внаслідок замерзання переохолоджених крапель є найпоширенішим і небезпечним.
Кристали, сухий сніг і град зазвичай не осідають на поверхні ВС, так як змітають потоком повітря. Однак при польотах реактивних літаків відзначалися випадки обмерзання в кристалічних хмарах. Це пояснюється тим, що поверхня ВС внаслідок кінетичного нагріву може мати значну позитивну температуру, і кристали, стикаючись з нею, плавляться. Потім, замерзаючи знову, вони утворюють наріст шорсткого (бугристого) льоду. У табл. 4.3 приведена залежність кінетичного нагріву поверхні ВС в сухому повітрі (Δtk) і хмарах (Δtk 1) в залежності від швидкості польоту (V).
Як видно з таблиці, кінетичний нагрів в хмарах приблизно на 40% менше, ніж в сухому повітрі. Кінетичний нагрів різних ділянок крила не однаковий у міру переміщення до бічної і задньої частин крила ВС. Можуть виникнути такі умови, що через нерівномірне кінетичного нагріву виникне нерівномірне відкладення льоду на поверхні ВС, що може порушити умови обтікання крила повітряним потоком і привести до погіршення аеродинамічних якостей, втрати стійкості і керованості літака або вертольота.
Процес сублімації має місце, коли пружність водяної пари перевищує пружність насиченої водяної пари над льодом. Це спостерігається при зіткненні водяної пари з більш холодними, ніж повітря, частинами ВС. Наприклад, при швидкому зниженні ВС з більш холодних верхніх шарів атмосфери в тепліші нижні шари або при вході в шар інверсії на поверхні ВС утворюються крижані кристали, які через деякий час (коли температура ВС зрівняється з температурою навколишнього повітря) зникають. Зазвичай це тонкий наліт, що не створює загрози польоту, але на деякий час він може покрити скління кабіни ВС і тим самим погіршити візуальний контакт з ВПП при посадці. Процес сублімації спостерігається також при стоянці ВС на землі. При короткочасної стоянці ВС холодну паливо в баках (з мінусовою температурою) може привести до обмерзання верхньої поверхні крила над паливними баками в умовах більш теплого вологого повітря. У цьому випадку на поверхні крила відкладається гладкий, прозорий лід, який при зльоті зривається і шматками потрапляє в повітрозабірники двигунів, розташованих в хвостовій частині ВС. Таке обмерзання називається «паливним» обмерзанням.
При обмерзання літаків і вертольотів застосовують таку класифікацію сніжно-крижаних відкладень на поверхні ВС (рис. 4.7).
Мал. 4.7. Класифікація сніжно-крижаних відкладень на поверхні ВС
Прозорий лід - відкладення льоду компактного склоподібного будови. Прозорий лід утворюється, як правило, при польоті в купчастих хмарах, що містять переважно великі краплі, або в зоні переохолодженого дощу при температурі від 0 до -10 ºС і нижче. Зіткнення великих переохолоджених крапель з ВС призводить до їх розтіканню і поширенню потоком повітря перед замерзанням по поверхні ВС. В результаті утворюється гладкий крижаний покрив. На початку процесу відкладення або при невеликому відкладення льоду його поверхня рівна і майже не спотворює профілю несучих поверхонь ВС. Але при значному наростанні лід стає горбистим, що робить цей вид відкладення, що володіє найбільшою щільністю, дуже небезпечним через зміни аеродинамічних характеристик ВС і ваги відкладення.
Матовий (напівпрозорий) змішаний лід утворюється при польоті в змішаних хмарах, що складаються з великої кількості дрібних і великих переохолоджених крапель води в поєднанні з крижаними кристалами і сніжинками, при температурі від -6 до -10 ° С. Великі краплі розтікаються перед замерзанням, дрібні ж замерзають, не встигаючи розтектися, сніжинки і кристали прилипають до замерзаючої водяній плівці і вмерзают в неї. В результаті утворюється крижане відкладення матового кольору з нерівною шорсткою поверхнею, що росте в напрямку потоку. Щільність матового льоду лише небагато чим менше щільності прозорого льоду, а форма його відкладення значно погіршує аеродинамічні характеристики крил ВС, тому матовий лід є найбільш важким і небезпечним видом обмерзання ВС.
Білий (крупообразний) лід утворюється при польоті в чисто водяних хмарах, що складаються, головним чином, з порівняно однорідних дрібних крапель, найбільш часто при температурі нижче -10 ° С. Краплі швидко замерзають при ударі об поверхню ВС, зберігаючи свою сферичну форму. Цей вид льоду відрізняється пористістю, невеликими щільністю і вагою. Наявність повітря між смерзшиміся краплями надає йому білий колір. Він слабкіше пристає до поверхні ВС і при вібрації в польоті зазвичай легко відділяється і злітає. Однак при тривалому польоті в хмарах (більше 1 год) скупчується білий лід під впливом механічних ударів повітря ущільнюється, і відкладення цього льоду може збільшитися до небезпечних розмірів, причому основну небезпеку становить зміна аеродинамічних характеристик ВС.
З усіх перерахованих видів відкладень льоду найбільш часто зустрічається матовий лід, оскільки в переохолоджених хмарах зазвичай існують краплі різних розмірів. Лише внутрімасові шаруваті хмари і туман складаються з порівняно однорідних дрібних крапель, замерзання яких дає білий (крупообразний) лід.
Паморозь - більш крупнозернистое кристалічна відкладення льоду при польоті в хмарах, що відбувається при температурі повітря, рівній -10 ° С. Паморозь виникає при замерзанні дрібних крапель з активною участю крижаних кристалів. Відкладення паморозі зазвичай дуже нерівне, шорстке, неміцно примикає до поверхні ВС, при вібрації в польоті щодо легко сколюється і здувається повітряним потоком. Але при тривалому польоті в хмарах паморозь може досягати великої товщини, має дуже нерівну форму з рваними краями, що виступають, окремими голками і стовпчиками. Таке відкладення паморозі є небезпечним для польоту.
Іній є легкий мелкокристаллический крижаний наліт, що виникає внаслідок сублімації водяної пари. Це утворення ніколи не досягає небезпечних розмірів і легко струшується з поверхні ВС під впливом повітряного потоку і вібрації ВС. Небезпеку становить лише відкладення інею на склі кабіни пілота, що утруднює візуальний огляд і управління ЗС при заході на посадку. Освіта інею припиняється, як тільки ВС приймає температуру навколишнього повітря, після чого швидко зникає.
Обледеніння на поверхні ВС може приймати різні форми залежно від виду льоду і швидкості польоту (рис. 4.8).
Обледеніння повітрязабірників реактивних двигунів внаслідок особливостей аеродинаміки їх обтікання і місцевих знижень тиску і температур може початися раніше, ніж інших елементів, і протікати інтенсивніше. Відповідно, крім зміни масових характеристик, це тягне за собою погіршення показників роботи двигунів, а можливість попадання осколків льоду в компресор загрожує його пошкодженням.
Обледеніння приймача повітряного тиску і вхідних каналів статичного тиску може виявитися вкрай небезпечним для виконання польоту за приладами, оскільки вносить великі неточності в показання покажчика швидкості і висотоміра. Це може стосуватися й інших барометричних приладів, наприклад, варіометра, покажчика повороту і ковзання (в залежності від конструкції системи статичного тиску).
Обледеніння стекол кабіни призводить до різкого погіршення огляду зовнішнього простору. Одним з основних умов забезпечення безпеки польотів в умовах обмерзання є своєчасне включення противообледенительной системи.
В основі дії протиобмерзних систем, що застосовуються на повітряних судах, лежить нагрів, механічні принципи і протизаморожувальні рідини.
Так, для попередження обмерзання на вході в двигун і на лобовій поверхні крила ВС створюється водонепроникний електронагрівальний шар, через який по команді від сигналізатора обмерзання при температурі повітря, близької до 0 ° С, пропускається електричний струм. Зазвичай ПОС складається з двох шарів ізоляції, між якими розташований нагрівальний елемент, і водонепроникного шару, на зовнішній поверхні якого в запобіжної оболонці встановлений датчик, який сигналізує про наявність обмерзання.
Протизаморожувальні системи, що використовують спеціальні рідини, можуть застосовуватися на літаках і вертольотах. Рідина подається на ті місця конструкції, які найбільш схильні до обмерзання і найбільш важливі з точки зору надійності польоту.