3.4 Противообледенительное и обогревательное оборудование ла

3.4.1. Способы защиты ла от обледенения

Противообледенительное оборудование ЛА служит для предотвращения обледенения отдельных частей его во время полета при различных атмосферных и полетных условиях.

Применяемые способы защиты ЛА и его установок от обледенения имеют четыре основные группы: механические, физико-химические, тепло­вые и комбинированные. Сущность механических способов защиты от обледенения заключается в механическом удалении льда с защищаемой поверхности.

Один из вариантов этого способа, разработанного в последние годы, предусматривал установку внутри крыла нескольких индукторов (электро­магнитов), которые срабатывают при подаче импульса тока на обмотки электропитания. При этом обшивка испытывала ударный толчок, от кото­рого образовавшийся лед трескался, разламывался и сбрасывался встреч­ным воздушным потоком. Способ эффективный, но он ускоряет процесс изнашивания обшивки ЛА.

Физико-химические способы борьбы с обледенением основаны на уменьшении сцепления льда с поверхностью ЛА и понижении температуры замерзания воды. Их сущность состоит в создании промежуточного слоя некоторого вещества между льдом и защищаемой частью поверхности ЛА (покрытием лаками, пастами или смазками). Однако положительных резуль­татов в этой области получить до настоящего времени еще не удалось. При смазывании обшивки некоторыми веществами сцепление между обшивкой и льдом уменьшалось, но не приводило к сбрасыванию льда. На некоторых ЛА применялись жидкостные противообледенительные системы. На защищаемую поверхность подводилась жидкость, которая не допускала образования льда. Такие противообледенительные системы применялись на вертолетах Ми-1, -4 для защиты от обледенения несущего и рулевого винтов. Однако они не получили широкого распространения из-за сложности и недостаточной эффективности.

Тепловой способ защиты основан на использовании тепловой энергии, выделяющейся при работе авиадвигателей. Широкое применение для защиты крыла и оперения нашла воздушно-тепловая защита, построенная на использовании либо горячего воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, либо воздуха, нагреваемого в теплообменниках горячими выхлопными газами. Воздух иногда подогревают с помощью специальных бензообогревателей.

Другим видом тепловой защиты является электротепловая, часто используемая для защиты от обледенения оперения и несколько реже для защиты крыла.

Для защиты от обледенения двигателей и их воздухозаборников при­меняют две основные системы: электротепловую и воздушно-тепловую. Наиболее распространенным способом защиты стекол кабины от обледенения является электротепловой и менее распространенными –химический и комбинированный способы. К числу последних способов, как правило, двух способов, например механическом» и ф химического или механического и теплового.

3.4.2. Требования к противообледенительному оборудованию ла

Требования к противообледенительному оборудованию ЛА неразрывно связаны с требованиями к самому ЛА.. Основными из которых обеспечение безопасности полета, максимальное сохранение характеристик ЛА (устойчивость, управляемость) и силовой установки.

На ЛА должны быть защищены от образования льда:

‑‑передние кромки крыла и оперения;

‑‑части двигателя, образование льда на которых может вызвать повреждение отдельных узлов или нарушение работы двигатели (например, лопатки входного направляющего аппарата компрессора, обтекатели)

‑‑носок воздухозаборника двигателя и все детали, расположенные в воздухозаборном канале;

‑‑остекление кабины пилотов;

‑‑приемники воздушного давления;

‑‑дренажные трубки и воздухозаборники для продува рразличных приборов и агрегатов;

‑‑антенны, обледенение которых может привести к ухудшению радиооборудования.

Противообледенительные системы делят на две группы: предупреждающие обледенение (не допускающие образование льда), и устраняющие обледенение (периодически сбрасывающие образующийся слой льда).

Противообледенительную систему выбирают с учетом конструктивных особенностей, влияния обледенения на летные характеристики ЛА и на работу его силовой установки. Например, для защиты остекления кабины экипажа и приемников воздушного давления, системы предупреждения обледенения. Для крыла и оперения используют противообледенительные системы как первой, так и второй группы Для двигателей предусматривают, как правило, системы предупреждения обледенения, за исключением тех случаев, когда есть уверенность в том, что образование льда небольших размеров на частях двигателя, и его сброс не повлияют на работу двигателя. Любая система должна отвечать основному требованию — обеспечению безопасности полетов.

Некоторые рекомендации по выбору защищаемой поверхности и ее размеров сводятся к следующему. Защита от обледенения крыла или оперения должна быть обеспечена по всему размаху крыла и оперения. Размеры защищаемой зоны по хорде профиля выбираю в зависимости от типа применяемой противообледенительной системы. Если ставят тепловую противообледенительную систему, защиту выполняют тремя способами: испарением всей оседающей воды при непрерывном или интенсивном нагреве; недопущением замерзания жидкости на всей поверхности, которая подвергается смачиванию и удалением образующегося льда при периодическом нагреве. Во всех этих случаях необходимое значение поверхности по хорде профиля будет различным, однако минимальные размеры этой поверхности должны быть ограничены зоной захвата переохлажденных капель как для систем, предупреждающих обледенение, так и для систем периодического устранения обледенения. Значение зоны захвата зависит от скорости и высоты полета, угла атаки, длины хорды профиля и других величин.

Обогревательные системы делят на системы непрерывного действия, периодического действия и смешанные. Тепловую Противообледенительную систему непрерывного действия (система предупреждения обледенения) проектируют на заданный температурный перепад, равный разности температур обогреваемой поверхности и наружного воздуха. Основное требование к такой системе: предупредить обледенение защищаемой поверх­ности. Оно будет выполняться, если температура поверхности всего крыла будет выше нуля. Другой метод, устраняющий возможность образования льда, заключается в испарении всей воды на площади ее оседания. Оба способа требуют большой мощности и высокой температуры обогреваемой поверхности.

Тепловую защиту можно выполнять применением нагретого воздуха, подводимого по соответствующим каналам к обогреваемой поверхности, и с помощью электронагревательных элементов. Так обогревают передние кромки крыла, стабилизатора, киля и винтов самолетов с турбовинтовыми двигателями и вертолетов. При обогреве с помощью горячего воздуха температура его находится в пределах от 70 до 200° С.. Средний расход воздуха равен 1800 — 2800 кг/ч.

Противообледенительные системы периодического действия более экономичны по потребляемой энергии: нагрев происходит периодически, для удаления образовавшегося льда требуемся расплавить лишь его тонкий слой, непосредственно прилегающий к обшивке, с целью нарушения сцепле­ния и облегчения сбрасывания с поверхности набегающим воздушным потоком. Основное требование, которое предъявляют к противообледе­нительной системе периодического действия, заключается в том, чтобы обеспечить полное удаление льда за один цикл работы. Это требование выполняют высоким темпом нагрева и остывания защищаемой поверхности, созданием на защищаемой поверхности так называемых тепловых «ножей» постоянного действия, представляющих собой узкие непрерывно обогреваемые зоны, расположенные вдоль передней кромки поверхности и на стыках нагревательных элементов (это облегчает сбрасывание ледяного нароста воздушным потоком), а также регулированием цикличности работы (временем включения и выключения системы) в зависимости от темпера­туры окружающего воздуха и интенсивности обледенения.

Выдвинутые требования проще реализуются в электротепловых системах по сравнению с воздушно-тепловыми. К недостаткам воздушно-тепловых систем относится и их инерционность — медленный нагрев при включении и медленное остывание после отключения.

Электротепловая система состоит из нагревательных элементов цикли­ческого или постоянного действия с применением тепловых «ножей». Нагревательные элементы разбивают на секции, расположенные, кик правило, на разных частях обшивки защищаемого Л А. Пол шли цикл работы состоит из нескольких импульсов. На отечественных ЛА цикличность состоит из четырех импульсов по 40 с, т. е. каждая секция 40 с находится под напряжением, а затем 120 с - в обесточенном состоянии.

Тепловые «ножи» изготовляют из нержавеющей стали толщиной около 0,2мм и шириной 10—11мм, а также из латунной фольги. Удельная электрическая мощность обогрева «ножей» равна 1,2 Вт/см².

Любая противообледенительная система вызывает ухудшение летно-технических и эксплуатационных данных ЛА из-за уменьшения тяги или мощности авиадвигателя, повышения расхода топлива, увеличения массы и усложнения конструкции.

Отбор энергии от турбореактивного двигателя противообледенительной системой может осуществляться тремя способами:

‑‑преобразованием механической энергии в электрическую;

‑‑использованием энергии выхлопных газов;

‑‑использованием нагретого воздуха от компрессора двигателя.

Первый способ требует применения мощных генераторов, особенно при установке противообледенительной системы непрерывного действия. Поэтому все тепловые системы обогрева крыла и оперения являются циклическими. При втором способе выхлопные газы отводятся от реактивного сопла. Для снижения температуры они смешиваются с опреде­ленным количеством холодного воздуха. Из-за возможной коррозии трубо­проводов и элементов конструкции ЛА этот способ не получил широкого распространения. Третий способ более прост, так как не требует дополни­тельных установок. Нагретый воздух до 150 —200 °С от компрессора используется непосредственно в противообледенительной системе.

Из всех рассмотренных систем наибольшими преимуществами обладает электротепловая противообледенительная система. Она имеет более высокий коэффициент использования тепла, проще позволяет выполнить цикличность по заданной программе, легче обеспечивает защиту от обледенения небольших поверхностей, позволяет рационально распределять и регулировать подводимую энергию к защищаемой поверхности. Однако она имеет недостатки: большую сложность и вероятность отказов; необходимость более строгого контроля; сложность получения электроэнергии по сравнению с другими видами энергии; более трудоемкое обслуживание.

3.4.3. Противообледенительные и обогревательные устройства силовых установок, кабин и передних стекол

К противообледенительным системам силовых установок ЛА предъ­являют более высокие требования, чем к другим его системам. Это объясняется тем, что безопасность полета ЛА должна быть обеспечена при всех встречающихся атмосферных явлениях. Работоспособность силовых установок не должна заметно снижаться в течение всего времени полета в зоне обледенения.

Особенно чувствительным к обледенению является осевой компрессор газотурбинного двигателя. Лед может образовываться на входных направляющих лопатках и на передних лопатках компрессора самого ротора. Обледенение этих элементов конструкции может существенно повлиять на мощность авиадвигателя. Практика показывает, что отказ при обледенении всех двигателей сразу происходил в том случае, когда противообледенительная система включалась с некоторым опозданием. Поэтому для газотурбинных двигателей требуется эффективная и надежная противообледенительная система защиты. Попадание в двигатель кусков льда размерами до 30мм при сбрасывании может привести к выключению двигателя, а более мелких кусков — к нарушению его режима работы, сопровождающегося тряской, хлопками и появлением белого дыма на выхлопе.

Для защиты двигателей в большинстве случаев применяют противообледенительные системы непрерывного действия. Требуемые температур­ные перепады в системе защиты силовой установки выше, чем планера, стабилизатора, рулей и других частей ЛА. Противообледенительные системы для двигателей используют чаще, чем противообледенительные системы крыльев и оперения. Это определяет соответственно их срок службы и общее время работы, которое для планера и его частей составляет 3 — 6% летного времени, а силовых установок — 15—20% (противообледенительная система двигателей включается до входа в зону обледенения, а крыла и оперения ЛА—после срабатывания сигнализатора).

На отечественных ЛА для защиты силовой установки обычно приме­няют воздушно-тепловую систему. По принципу работы она является непрерывной. В работу ее включают пневматическими устройствами с помощью кранов управления и отбора воздуха от двигателей. Для каждого двигателя противообледенительная система является автономной.

Электрический обогрев кабин и салонов предназначен для поддержа­ния температуры на заданном уровне. Нормальной температурой в кабине и салонах считается температура плюс 20°С.. Она должна поддерживаться как в условиях герметизации, так и при разгерметизации кабин и салонов.

Большинство самолетов летает на больших высотах при температуре от -50 до -60 °С. Вследствие этого происходит непрерывная утечка тепла через стенки кабин, салонов и специальных отсеков.

Температуру в кабинах и салонах поддерживают подачей нагретого воздуха, отбираемого от компрессоров авиадвигателей, но, кроме этого, применяют также электрические обогревательные установки, которые предотвращают запотевание и обмерзание стекол, не имеющих встроен­ных обогревательных элементов. Обмерзание и запотевание стекол кабины происходят из-за повышения влажности воздуха в результате выделения влаги членами экипажа при дыхании. Наиболее распространены кабинные обогреватели со ступенчатой регулировкой теплопроизводительности, осу­ществляемой ручным или автоматическим включением и отключением обогревательных элементов.

В состав кабинных обогревателей входят также вентилятор, приводи­мый во вращение электродвигателем, и биметаллический термовыключа­тель. Схема кабинного обогревателя С-1010 приведена на рис.16.1,а. Она состоит из двух нагревательных элементов НЭ1, НЭ2 (мощностью 1 кВт каждый), изготовленных из ленты нихрома в виде спирали. Якорь электро­двигателя М и его обмотка возбуждения ОВ подключены на напряжение 12В. Для понижения напряжения минусовый зажим двигателя включен на часть элемента НЭ2. Обогреватели включают контакторами К1, К2 после того, как включен выключатель режимов S1, который обеспечивает максимальный (включены оба обогревателя) и минимальный (включен один обогреватель) режимы.

Для предохранения нагревательных элементов от перегрева и предотвращения возникновения пожара, особенно в кабинах, насыщенных кислородом, служит термовыключатель ТВ. При срабатывании и он разрывает цепь питания контакторов К1, К2 и отключает элементы НЭ1, НЭ2 от шины питания.

Рис.3.4. Принципиальная электрическая схема кабинного обогревателя С-1010 (а) и гидравлическая схема противообледенительной защиты стекол (б)

При эксплуатации электрообогревателя С-1010 контролируют состояние (в частности, состояние внутреннего монтажа и щеточно-коллекторных узлов электродвигателя; высота щеток должна быть не менее 10 мм) и работоспособность электродвигателя. Если при включении двигателя вентилятор В не работает, то нельзя включать нагревательные элементы, так как они вследствие перегрева могут выйти из строя. Питание элемента НЭ1, НЭ2 подают через автоматы защиты F1, F2. Двигатель М и обмотки контакторов К1, К2 питают через автомат защиты FЗ.

При проверке работоспособности агрегата контролируют значение то­ков, потребляемых нагревательными элементами и двигателем.

Противообледенители стекол кабины экипажа необходимы при полете в сложных метеоусловиях, а также при посадке. Обледенение стекол возникает иногда при отсутствии облаков вследствие значительной тепло­емкости и малой теплопроводности стекол. Охлажденные стекла при полете на большой высоте сохраняют свою температуру в течение всего времени снижения. Это способствует образованию капель при конденсации пара на поверхности стекол и замерзанию образовавшейся воды.

Для борьбы с обледенением передних стекол кабины экипажа на них подают противообледенительную жидкость, обогревают стекла горячим воздухом, а также применяют электрообогрев. Последний способ при­меняют чаще, так как он не имеет ряда недостатков, присущих другим способам (ограниченность времени действия, ухудшение видимости из-за неполной очистки стекла и оседания частичек пыли между ними).

На рис. 3.4,6 приведена одна из применяемых схем жидкостной противообледенительной системы, защиты стекол. Жидкость на стекло кабины экипажа подается электропневматическим приводом . В качестве противообледенительной жидкости используют этиловый спирт, находящийся в баке Б. Подача его на стекла начинается с момента нажатия кнопки S1. Через эту кнопку и автомат защиты Р1 питание 27В посту­пает на электромагнит ЭМ, и он открывает электроклапан ЭК. Воздух из бортовых систем идет в бак Б и давит на жидкость, находящуюся в баке. Вследствие этого жидкость из бака через обратный клапан ОК подается к коллектору К и через отверстия в нем растекается по стеклу. Длительность включения жидкости 2 — 3с. Бак заполняется жидкостью через горловину Г. Запасенный объем жидкости позволяет осуществить 20 — 30 включений. В данной схеме электроэнергию расходуют только для управления системой подачи жидкости.

Другие системы защиты стекол от запотевания и замерзания исполь­зуют на все процессы только электроэнергию. В них электрообогреваемые стекла имеют проволочные или пленочные нагревательные элементы, помещенные между склеенными стеклами 2 и 4 (рис. 3.5). Стекло, обращенное к воздушному потоку, более тонкое. Между стеклами размещены токопроводящие плоские шинки 1, к которым припаяно большое число тонких нихромовых проволочек 5. Расстояние между проволочками 0,4—0,7мм. Проволочки не должны быть видны на расстоянии 300мм, поэтому их диаметр, как правило, равен 0,02—0,04 мм. Стекла склеивают веществом 3, которое заполняет пространство между стеклами и создает хороший тепловой контакт с проволочками. Плотность тока в проволочках достигает 100 А/мм².

В ночных условиях видимость через стекло ухудшается из-за кажуще­гося увеличения размеров проволочек, нагретых до темно-красного кале­ния, а также из-за возникновения дифракции света наземных источников, что затрудняет обзор при посадке. Проволочный обогреватель запитан от постоянного тока напряжением 27 В.

Более лучшими свойствами обладают стекла с пленочными нагревательными элементами, которые также расположены между двух склеивае­мых стекол. На наружное, более тонкое, стекло перед склеиванием, обычно методом напыления, наносят токопроводящую пленку из металлов (се­ребро, золото). Пленка на­столько тонка, что имеет вы­сокую прозрачность. К ее противоположным сторонам приклеивают токоподводящие шинки. Из-за малой толщины пленки у нее боль­шое электрическое сопротив­ление, поэтому для создания необходимой удельной мощ­ности требуется повышенное напряжение питания.

По значению питающего напряжения стекла с пле­ночным обогревом разбиты на четыре группы: для напряжений 190, 208, 230 и 250 В

Для исключения образования льда на поверхности стекла, обдуваемой интенсивным воздушным потоком, нужно выделить 0,65 Вт/см² тепловой мощности. Мощность, потребляемая всем стеклом, составляет 1,5 — 2 кВт. Для стекла, обдуваемого потоком слабее, данное значение удельной мощ­ности может оказаться лишней, поэтому в таких случаях используют специальные автоматы обогрева стекол, поддерживающие температуру стекол в нужных пределах

Рис. 3.5. Стекло с проволочным нагревательным элементом