Обледенение | Библиотека знаний

Обледенение воздушного судна

На протяжении всей истории авиации одним из наиболее опасных явлений считается обледенение самолёта

Обледенение воздушного судна

Время чтения: ~5-7 минут

Когда влажный воздух конденсируется на поверхности самолета в виде льда, это может привести к серьезным последствиям, включая аварийную ситуацию. Понимание этого явления и разработка эффективных методов его предотвращения - ключевые задачи для авиационной индустрии.

В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое обледенение воздушного судна, как оно происходит и какие меры предосторожности принимаются для обеспечения безопасности полётов.

Примечание от редактора
В одной из наших статей в Библиотеке мы уже говорили на тему Cold Weather Operations. Однако тогда мы рассказали "по верхам" о том, как воздействует лёд на самолет и какие условия помогают льду образовываться. Сегодня статья более глубокая и охватывает все аспекты этого вопроса

Навигация по статье

Почему это опасно?

Часть 1

Как образуется обледенение?

Часть 2

Последствия обледенения

Часть 3

Профилактические меры и методы борьбы

Часть 4

Часть 1. Почему это опасно?

Согласно ФАП-128 сильное обледенение относится к опасным для полётов метеорологическим явлениям. Мерой интенсивности обледенения является толщина отложения льда в единицу времени:

слабое обледенение - скорость нарастания льда менее 0,5 мм/мин;
умеренное обледенение - 0,5…1 мм/мин;
сильное обледенение - более 1 мм/мин;

Одним из трагических последствий обледенения является катастрофа ATR-72 VP-BYZ, произошедшая 2 апреля 2012 года.

С причинами катастрофы, а также с результатами комиссии можно ознакомиться тут.

Другим ярким примером нарушения концепции “чистого крыла” является серьезный авиационный инцидент с ВС Airbus A321 авиакомпании S7. В своём отчете Росаваиция указала на ошибки в проведении процедуры противообледенительной обработки, что несомненно играет критическую роль в обеспечении безопасности полетов.

Эти случаи являются печальными примерами того, как опасно обледенение воздушного судна может быть, особенно в контексте недостаточных мер предотвращения и недооценки рисков.

Часть 2. Как образуется обледенение?

Об образовании льда мы уже рассказывали в нашей статье, посвященной Cold Weather Operations. Стоит лишь добавить, что для обледенения самолёта необходимыми условиями являются наличие переохлажденных капель воды в воздухе и отрицательная температура в месте столкновения воды и поверхности воздушного судна.

Переохлажденная вода находится в неустойчивом состоянии: когда самолёт сталкивается с каплей воды, то часть её мгновенно замерзает.

Скрытая теплота плавления, выделяемая при замораживании капли, повышает температуру оставшейся порции до точки плавления.
Способ замораживания оставшейся порции определяет вид обледенения.

К основным структурным видам относятся

прозрачный лед (clear ice),
изморозь (rime ice),
и смешанный (mixed) тип.

У каждого типа есть свои отличительные черты:

Прозрачный лёд образуется, когда после первоначального удара оставшаяся жидкая часть капли стекает по поверхности самолёта, постепенно застывая в виде гладкого слоя твердого льда. Этот тип льда образуется, когда капли крупные, например, при дожде или в кучевых облаках при температурах от 0°С до -10°С. Его удаление с помощью противообледенительного оборудования особенно затруднено.
Изморозь обычно возникает при столкновении с мелкими каплями, например, в слоистых облаках или при легком моросящем дожде при температурах ниже -10 °С Часть жидкости, оставшаяся после первоначального удара, быстро замерзает, прежде чем капля успевает растечься по поверхности самолёта.
Смешанный лёд образуется, когда капли различаются по размеру или когда капли жидкости смешиваются со снегом или частицами льда. Обычно смешанный тип обледенения образовывается очень быстро.

Часть 3. Последствия обледенения

Обледенение ухудшает аэродинамические, лётно-технические характеристики воздушного судна, а также характеристики устойчивости и управляемости. Рассмотрим, как обледенение влияет на выполнение полёта.

Подъёмная сила

Обледенение изменяет профиль обтекания крыла, что в последствии приводит к уменьшению подъемной силы при равных углах атаки.

Так, например, слой льда в 0,8 мм уменьшает подъемную силу примерно на 25%. Уменьшаются критический угол атаки, максимальное значение коэффициента подъемной силы Су, а также аэродинамическое качество крыла. Простыми словами, самолёт начнет сваливаться при меньших углах атаки и на большей скорости.

Сопротивление

Слой льда толщиной не более пары миллиметров на поверхностях крыла увеличивает лобовое сопротивление на 30-40%. Лобовое сопротивление имеет тенденцию к постоянному увеличению по мере нарастания льда (вплоть до 100%!).

Вес

Очевидно, что нарастающий лед увеличивает вес самолета, тем самым увеличивая расход топлива. Так, например, всего 45 минут полета в условиях обледенения могут увеличить вес самолёта на несколько сотен килограмм .

Мощность двигателей

Обледенение входных кромок воздухозаборников двигателей, лопаток вентилятора, а также лопастей воздушного винта снижает располагаемую тягу и мощность силовой установки.

Более того, включение противообледенительной системы также снижает располагаемую мощность самолета, тем самым ухудшая взлетно-посадочные характеристики ВС.

Устойчивость

Срыв потока на концевых частях стреловидного крыла при обледенении смещает фокус крыла вперед. В результате фокус по углу атаки также смещается вперёд и соответсвенно уменьшается статическая устойчивость по углу атаки.

Обледенение передней кромки крыла ухудшает поперечную устойчивость и управляемость самолета - лёд замерзает на полукрыльях и хвостовом оперении неравномерно, что может сначала к скольжению, а потом к сваливанию.

Управляемость

Бесспорно, нарастание льда уменьшают эффективность органов управления (элеронов, руля высоты и т.д.), то есть требуются бОльшие отклонения рулевых поверхностей.

В целом, обледенение воздушного судна всегда ухудшает его летно-технические характеристики, делая полет опасным и нестабильным.

Поэтому предотвращение обледенения и применение соответствующих противообледенительных систем и определенных процедур являются важнейшими аспектами обеспечения безопасности полётов в авиации.

Теперь же пора поговорить о том, как эффективно бороться с обледенением на земле и в воздухе.

Часть 4. Профилактические меры и методы борьбы

Сначала стоит объяснить, что в авиации понимается под концепцией “чистого крыла” (ФАП-128).

Федеральные авиационные правила
2.14. Запрещается начинать полет, если присутствует иней, мокрый снег или лед на поверхностях крыльев, фюзеляжа, органов управления, оперения, воздушных винтов, лобового стекла, силовой установки или на приемниках воздушного давления барометрических приборов воздушного судна, если иное не предусмотрено РЛЭ.

Также сразу обозначим разницу между понятиями de-icing и anti-icing: de-ice используется, когда имеется в виду удаление снежно-ледяных отложений (to remove ice), а anti-ice подразумевает под собой защиту от образования льда (to prevent from ice formation).

Прежде всего, производители самолетов предписывают выполнение специальных процедур при наличие условий образования обледенения. Например, Boeing описывает эти условия следующим образом:

Температура наружнего воздуха на земле (OAT) или в полете (TAT) равняется 10°С или менее (холоднее) и присутствует любое из следующих:
- видимая влага (облака, туман с видимостью менее 1600м, дождь, снег, слякоть, ледяной дождь и т.д.)
ИЛИ
- лед, снег, слякоть или вода присутствуют на перроне, рулежных дорожках или ВПП

Примечание: всегда рассматривайте документы и руководства вашей авиакомпании как приоритетный источник информации.

Рассмотрим, какие процедуры и способы существуют для обеспечения безопасности полётов в условиях обледенения.

На земле

Прежде всего, необходимо проведение тщательного предполетного осмотра ВС: все поверхности самолета, воздухозаборники двигателя, приемники давлений, датчики и измерители должны быть полностью отчищены от снега (концепция “чистого крыла”).

Примечание: есть исключение в виде тонкого слоя изморози на верхней и нижней поверхностях крыла в районе топливных баков, при наличии которого разрешено выполнение полета. Данное явление называется Cold-Soaked Fuel или эффект топливного обледенения и толщина/расположение/внешние условия, при которых это допустимо, очень жестко регламентированы. Подробнее почитать об этом можно тут.

В зависимости от температуры наружнего воздуха необходимо выполнение дополнительных процедур, например, выведение оборотов двигателя на определенный уровень на определенное время.

Все эти процедуры описаны в РПП авиакомпании и документах авиапроизводителя и разработаны для каждого отдельного типа ВС соответсвенно.

Более того, при стечении определенных обстоятельств (температура, видимость, осадки) необходимо выполнение процедуры облива самолета противообледенительной жидкостью. Для особо любопытных наших читателей рекомендую ознакомиться с документом FAA, где можно найти всю подробную информацию про эту процедуру.

Если вкратце, то по специальным таблицам определяется интенсивность осадков, а также тип жидкости. Но что более важно - определяется holdover time. (ICAO, Annex 14).

The estimated time the anti-icing fluid (treatment) will prevent the formation of ice and frost and the accumulation of snow on the protected (treated) surfaces of an aeroplane.
Это время, в течение которого противообледенителньая жидкость защищает поверхность крыла от образования льда НА ЗЕМЛЕ. Оно начинается с момента начала проведения обработки и заканчивается, когда жидкость теряет свою эффективность. По истечении данного времени пилоты юридически не имеют права продолжать полет.

В воздухе

Самый лучший способ борьбы с обледенением в полете - не попадать в зону обледенения:

Федеральные авиационные правила
2.15. Запрещается выполнять полет на воздушных судах, не оснащенных противообледенительной системой:

по ППП - при наличии на маршруте полета фактического или прогнозируемого обледенения;
по ПВП - при наличии фактического обледенения.

Обычно защиту от льда имеют входные устройства двигателей и передняя кромка крыла и стабилизатора. Давайте разберем основные типы противообледенительных систем, которыми сейчас оснащены современные лайнеры.

Жидкостная система. В системах такого типа противообледенительная жидкость забирается из накопительного бака насосом с электрическим приводом и подается через микрофильтры в несколько распределительных панелей из пористого металла. Подобная система установлена, например, на учебно-тренировочном самолете DA-42NG.

2. Пневматическая система. Двухмоторные турбовинтовые самолеты обычно оснащаются пневматическими противообледенительными системами. Резиновые накладки прикрепляются с помощью клея к передним кромкам крыльев и стабилизаторов. Эти накладки имеют ряд надувных трубок. Во время эксплуатации трубки поочередно надуваются и спускаются , что приводит к тому, что лед трескается и слетает. Такая система установлена, например, на самолете ATR-72.
Посмотреть, как эта система работает в полете можно посмотреть тут.

3. Воздушно-тепловая система. Данный вид систем в основном устанавливается на больших ВС коммерческой авиации. Горячий сжатый воздух отбирается от определенных ступеней компрессора, а далее поступает в систему трубопроводов для обогрева передних кромок крыла и входных устройств двигателей. Подобная система устанавливается на ВС Boeing 737 и семейство самолетов Airbus.

Чтобы лучше понять принцип работы всех этих систем, можете посмотреть коротенькое видео от Captain Joe. Более того, на всех современных воздушных судах электрическим способом обогреваются стекла в кабине пилотов, а также все приемники давлений, датчики температуры и измерения угла атаки.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели проблему обледенения воздушных судов и его влияние на безопасность полётов.

Мы начали с объяснения самого явления обледенения и его потенциально опасных последствий для летной деятельности. Затем мы рассмотрели процесс обледенения, факторы, способствующие его возникновению, и последствия, которые оно может иметь для воздушных судов.

Несомненно, обледенение остается серьезной угрозой для авиации, и борьба с этим явлением остается важным приоритетом для авиационной отрасли. Анализ метеорологической информации и знание систем и процедур по противообледенительной обработке играют ключевую роль в обеспечении безопасности полетов, позволяя предотвратить возникновение опасных ситуаций и обеспечить успешное выполнение полетов в различных метеорологических условиях.

Материалы