Условия и характер обледенения ЛА. Назначение, принцип работы типовых электрических противообледенительных систем и систем сигнализации обледенения.

Обледенение главным образом происходит при полётах в среде содержащей переохлаждённые капли воды. Чаще всего переохлаждение встречается при температурах от 0 до -40 град. Цельсия. Встречались случаи, когда обледенение происходило на высота, которым соответствовала температура (-61) – (-65), поэтому можно предполагать, что переохлаждённая вода может существовать и при таких температурах. Так вот переохлаждённая вода-это не устойчивое состояние, при встрече с поверхностью (ударе об неё) она откладывается  на ней в виде льда. Также может существовать и переохлаждённый пар, тогда он минуя жидкую фазу, сразу превращается в лёд.

Обледенение на самолёте в первую очередь наступает на тех местах, которые подвержены действию встречного потока (кромки крыльев, стабилизаторы, ПВД, входные устройства двигателей (обечайка) и т.д.

За счёт нарастания льда, искажается форма профиля крыльев, и как следствие ухудшение аэродинамических качеств. Изменяется обтекание – следствие дополнительная вибрация. Обледенение входных устройств двигателей - откол льда - попадание его на лопатки компрессора и потом в камеру сгорания.
Обледенение стёкол кабины может происходить и при отсутствии переохлаждённой воды. Это происходит из-за большой теплоёмкости, и малой теплопроводности стекла. На больших высотах сильно охолодили стекло допустим до -50, снизились ниже, стекло не успевает быстро нагреться, получается задержка в период которой стекло холодней окружающей среды. В результате этого сконденсированные капли могут замёрзнуть на стекле даже при температуре наружного воздуха 0 град Цельсия. (в котором нет переохлаждённой воды). Обледенение стекол может быть, как внутри так и снаружи.
Вероятность обледенения может быть представлена на рисунке 1.

        Наиболее вероятно встретить переохлаждённую воду при полёте в тумане, в кучевых облаках, в снег, в дождь. Различают два вида льдообразования.

-клинообразный

-желобообразный (рогообразный) – два рога.

Рогообразныйобразуется при отрицательных температурах -12 до 0. При такой температуре, капли переохлаждённой воды замерзают не сразу, а растекаются. Получается два рога. Этот лёд имеет стекловидный (прозрачный вид).

Клинообразныйвозникает при более низких температурах. Его возникновение возможно при -7 и ниже. Попавшие капли мгновенно замерзают. Т.к. между каплями остаётся воздух, то лёд имеет матовый (молочно-белый) оттенок.

Длинна нароста льда может быть 25-30 см, а скорость 15-20 мм/минута.

Скорость нарастания льда принято называть интенсивностью. (это толщина слоя льда образующегося в единицу времени, на единице поверхности).

Основные факторы обледенения:

- Температура (0- -10 град. С) вероятность обледенения наибольшая.

- Водность. Наиболее вероятно обледенение при полёте в кучевых и кучевых-дождевых облаках водность которых может составлять 2*10^-3 кг/м^3. Вероятность обледенения увиличивается с увеличением влажности воздуха.

С увеличением скорости полёта за счёт кинетического нагрева интенсивность обледенения уменьшается.

Обледенение самолёта не только снижает величину подъёмной силы, но и уменьшает критический угол атаки, следовательно уменьшаются допустимые углы атаки.

Срыв потока сопровождается тряской, ухудшаются показатели устойчивости и управляемости самолёта. (Происходит обледенение рулевых аэродинамических поверхностей и их последующие заклинивание).

 Обледенение входных устройств двигателя à скол à попадание в камеру сгорания à помпаж à Самопроизвольное отключение двигателя.

СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ ОБЛЕДЕНЕНИЯ.

датчики обледенения прямого действия

-пневматичекие

-электропроводные

-радиоизотопные
Пневматический сигнализатор обледенения в качестве чувствительного элемента содержит дифференциальный манометр. Устройство пневматического сигнализатора поясним следующим схематическим рисунком (рисунок 1.3).

Камеры А и В дифференциального манометра разделены упругой гофрированной мембраной. При равенстве давлений в камерах А и В под действием силы упругости мембраны контакты К находятся в замкнутом состоянии.

В камеру А с приемника давлений поступает воздух, давление которого равно статическому давлению  на высоте полета . В камеру  поступает воздушный поток, полное давление которого  больше статического давления:

Под действием разности давлений  мембрана манометра прогибается и размыкает контакты К. Таким образом при полете вне зоны обледенения сигнальная лампа Л и исполнительное реле Р находятся в обесточенном состоянии.

При входе летательного аппарата в зону обледенения на головной части приемника образуется лед, вследствие чего канал полного давления перекрывается. В результате наличия между каналами полного и статического давлений малого перепускного отверстия – жиклера давление в камере В начинает уменьшаться и становится равным статическому давлению . Под действием силы упругости мембраны контакты К замыкаются, что приводит к срабатыванию исполнительного реле Р и загоранию сигнальной лампы Л. Через замкнутые контакты реле Р подается напряжение на нагревательный элемент датчика.

В результате нагрева корпуса датчика и удаления льда с его головной части открывается канал полного давления и в камереВ восстанавливается полное давление . Контакты К дифференциального манометра размыкаются и отключают исполнительное реле и сигнальную лампу.

При дальнейшем полете в зоне обледенения по мере охлаждения корпуса датчика на его главной части вновь образуется лед, и процесс циклически повторяется. В результате этого при полете в зоне обледенения сигнальная лампа работает в мерцающем режиме.

Радиоизотопный сигнализатор обледенения предназначен для подачи сигнала о начале обледенения, непрерывной сигнализации при нахождении летательного аппарата в зоне обледенения и автоматического включения его противообледенительной системы.

После выхода из зоны обледенения прибор прекращает подачу сигналов, при этом выключение противообледенительной системы производится экипажем вручную.

Сигнализатор состоит из датчика сигналов, электронного блока и исполнительных реле, входящих в состав электронного блока.

Принцип действия прибора основан на эффекте ослабления бета-излучения радиоактивного изотопа слоем льда, образующимся при полете в зоне обледенения на чувствительной поверхности датчика.

Рассмотрим принцип устройства датчика радиоизотопного сигнализатора обледенения (рисунок 1.4).

Корпус датчика, выполненный из алюминиевого сплава, заканчивается выносным штырем, в торцевой части которого помещается источник бета-излучения.

В качестве источника бета-излучения используется радиоактивный изотоп стронций-90 плюс иттрий-90 активностью 5 мкюри с периодом полураспада 28,4 года.

С помощью специального окна на штыре датчика основная часть излучения источника направляется на рабочую поверхность фланца датчика. Для обеспечения прохождения излучения через фланец толщина его в месте установки детектора излучения уменьшена до 0,25 мм.

Детектор излучения представляет собой галогенный газоразрядный счетчик, работающий в импульсном режиме.

Интенсивность бета-излучения , воспринимаемого счетчиком, является функцией толщины льда, образующегося на штыре при полете в зоне обледенения:

,

где  - интенсивность излучения при отсутствии льда;

 - коэффициент поглощения излучения льдом;

 - толщина слоя льда.

Детектор излучения преобразует интенсивность излучения  в пропорциональную интенсивности частоту импульсов , измеренную электронным блоком. При появлении льда на поверхности штыря происходит уменьшение частоты импульсов, поступающих с детектора в электронный блок. Эта частота сравнивается с некоторым пороговым значением  и при достижении условия  на выходе электронного блока появляется сигнал о начале обледенения, загорается сигнальная лампа и происходит включение нагревательных элементов противообледенительной системы летательного аппарата. Кроме того, по сигналу электронного блока включается нагревательный элемент датчика, обеспечивающий периодическое сбрасывание льда со штыря датчика.

В процессе работы электронного блока реализуются две временные задержки:

 - «задержка обогрева», т.е. дополнительное время нагрева штыря датчика, необходимое для полного сброса льда; ;

 - «задержка зоны» – дополнительное время подачи сигнала об обледенении после сброса льда со штыря датчика; .

Прибор характеризуется чувствительностью, равной 0,3 мм льда. Это минимальная толщина льда, при которой выдается сигнал об обледенении.

При стоянке летательного аппарата на земле работа сигнализатора блокируется с помощью концевого выключателя, замыкающегося при уборке шасси. Кроме того, при наземной эксплуатации штырь сигнализатора закрывается защитным кожухом со свинцовым экраном и красным флажком.

Мощность дозы излучения на поверхности зачехленного датчика не превышает 10 мр/час, а на расстоянии 1 м – 0,3 мр/час.

При эксплуатации радиоизотопного сигнализатора обледенения необходимо соблюдать следующие правила:

не разбирать датчик с радиоактивным изотопом;

при наземных проверках сигнализатора с помощью имитатора льда не допускать включения обогрева штыря датчика более чем на 3 с;

не допускать отложений пыли, грязи и снега на штыре и фланце датчика.

Несоблюдение последнего правила ведет к ложным включениям сигнализатора обледенения в процессе полета.

Датчик обледенения, реагирующий на электропроводность льда. Этот датчик в свою очередь состоит из датчика температуры набегающего потока воздуха и датчика электрической проводимости (рисунок 1.5).

Датчиком электрической проводимости являются два латунных цилиндра, вставленных один в другой и размещенные в дюралюминиевом корпусе (1).

Наружный (2) и внутренний (3) цилиндры изолированы электрически друг от друга и корпуса датчика специальной изоляцией (5). На наружной поверхности каждого цилиндра имеются обогревательные элементы (6) и (7).

Датчиком температуры служит терморезистор (4), вмонтированный в полость внутреннего цилиндра.

 В рабочем состоянии противообледенительной системы к внутреннему цилиндру датчика подводится потенциал напряжения бортовой сети +27 в. В свою очередь внешний цилиндр подсоединен к электронному блоку сигнализатора.

Принцип работы датчика основан на электропроводности льда, которая существенно выше электропроводности воздуха.

При полете в условиях обледенения на поверхности датчика, обращенной навстречу набегающему воздушному потоку, появляется пленка льда. Образовавшийся лед перемыкает торцевые поверхности латунных цилиндров, что приводит к появлению сигнала на входе электронного блока. В свою очередь электронный блок через исполнительные реле включает сигнальную дампу обледенения, а также подает напряжение на обогревательные элементы самого датчика. В результате периодического таяния и последующего нарастания льда на датчике при полете в зоне обледенения сигнальная лампа будет работать в мерцающем режиме.

Для исключения ложных срабатываний сигнализатора при полете в сырую погоду и дождь, когда латунные цилиндры перемыкаются водяной пленкой, используются показания терморезисторного датчика температуры воздуха. При положительной температуре воздуха и соответствующем ей сопротивлении терморезистора сигнал о замыкании контактных цилиндров электронным блоком игнорируется.

Особенность эксплуатации рассматриваемого датчика в том, что при проведении регламентных работ его торцевая поверхность должна зачищаться мелкой шкуркой и промываться спиртом-ректификатом.

Как уже отмечалось, датчики и сигнализаторы обледенения бывают как прямого, так и косвенного действия. В качестве примера рассмотрим следующий датчик косвенного действия.

ДАТЧИКИ СИГНАЛИЗАТОРЫ КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Датчик обледенения, анализирующий водность набегающего воздушного потока. Это наиболее распространенный на современных летательных аппаратах датчик обледенения косвенного действия. В его состав входят терморезисторный датчик температуры воздуха и собственно анализатор водности.

Анализатор водности – это открытый цилиндр, продуваемый набегающим потоком воздуха. На входе и выходе цилиндра расположено по терморезистору, которые подключены по мостовой схеме к электронному блоку.

Датчик температуры измеряет полную температуру набегающего потока воздуха . В том случае, когда температура воздуха удовлетворяет условиям обледенения, т.е. , включается так называемый дежурный обогрев анализатора водности.

Если полет происходит в условиях малой влажности, то эффективная температура воздушного потока, измеряемая терморезисторами на входе и выходе цилиндра анализатора, будет практически одинаковой.

При полете во влажном воздухе и включенном дежурном обогреве анализатора температура, измеряемая терморезистором на его входе, будет за счет большей влажности ниже, чем температура, измеряемая терморезистором на выходе анализатора. В результате мост с терморезисторами в его плечах будет разбалансирован, что приведет к срабатыванию исполнительных реле в электронном блоке системы. На сигнальное табло экипажа выдается информация о начале обледенения и о величине интенсивности нарастания льда. Одновременно включается режим более интенсивного рабочего обогрева сигнализатора и выдается сигнал на включение исполнительных элементов антиобледенительной системы летательного аппарата.

Исполнительные элементы тепловых электрических противообледенительных систем.

Исполнительными элементами электрических тепловых противообледенительных систем служат нагревательные элементы, изготавливаемые из тонкой проволоки диаметром 0,2…0,5 мм с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром и т.д.).

Нагревательный элемент представляет собой две токопроводящие шины, соединяемые между собой отрезками тонкой проволоки (рисунок 7.6.). Густота расположения проволок по длине нагревательного элемента переменная с тем, чтобы при неравномерной теплоотдаче участка защищаемой поверхности обеспечить его равномерный нагрев.

К шинам нагревательного элемента в зависимости от типа противообледенительной системы может подводиться как постоянное, так и переменное напряжение бортовой силовой электросети.

Форма нагревательного элемента соответствует форме защищаемого участка поверхности летательного аппарата. Обычно на самолетах с помощью электрических тепловых систем защищаются передние кромки крыла и хвостового оперения.

С целью электрической и тепловой изоляции от корпуса самолета нагревательные элементы с двух сторон оклеиваются несколькими слоями стеклоткани и размещаются между внешней и внутренней обшивками носка защищаемой поверхности.

Нагревательные элементы собираются в секции. Так, например, военно-транспортный самолет может иметь на киле пять секций, а на каждой половинке стабилизатора по четыре секции нагревательных элементов.

Секции крыла и горизонтального оперения объединяются в пары. В каждую пару входят секции, соединенные друг с другом последовательно и располагаемые на самолете на симметричных участках поверхности крыла или горизонтального оперения. Этим самым предотвращается нарушение балансировки самолета при полете в зоне обледенения и выхода из строя какой-либо секции нагревательных элементов.

Режим работы секций может быть либо постоянный, либо периодический (циклический).

Часть секций противообледенительной системы, работающих постоянно, предотвращает образование льда на защищаемых участках поверхности. Эти секции носят название тепловых ножей и потребляют удельную мощность порядка

Остальные секции противообледенительной системы работают периодически и при своем включении обеспечивают лишь подтаивание льда на защищаемой поверхности. Подтаявший лед, разрезанный на участки с помощью тепловых ножей, срывается и уносится с поверхности летательного аппарата набегающим воздушным потоком.

При использовании электрических нагревательных элементов необходимо обеспечить защиту элементов секции от перегрева при ненормальной работе противообледенительной системы, а также обеспечить защиту летательного аппарата и его энергосистем при коротких замыканиях нагревательных элементов на корпус.

Для решения первой проблемы в местах расположения каждого участка секции устанавливаются биметаллические термовыключатели. Срабатывание термовыключателя приводит к разрыву цепи питания обмоток силовых контакторов, питающих данную секцию и ей симметричную.

Для защиты от короткого замыкания нагревательных элементов используется различие величин электрического сопротивления исправного нагревательного элемента  и фюзеляжа . Так величина сопротивления  не превосходит 0,01 Ом, в то время как сопротивление  имеет величину порядка 5 Ом.

При питании нагревательных элементов переменным током может применяться схема дифференциальной защиты (рисунок 7.7), принцип работы которой состоит в следующем.

Силовой провод питания нагревательного элемента НЭ проходит через обмотку чувствительного элемента ЧЭ в прямом и обратном направлении. При исправном нагревательном элементе ток в прямом проводе  и ток в обратном проводе  создают м.д.с., одинаковые по величине и противоположные по направлению. В результате во вторичной обмотке ЧЭэ.д.с. будет отсутствовать.

При возникновении короткого замыкания нагревательного элемента на корпус, обратный ток  будет равен нулю, при этом ток  существенно увеличится. На выходе ЧЭ возникает переменное напряжение, которое после выпрямления мостовой схемой и сглаживания вызывает срабатывания исполнительного реле Р. Размыкание нормально замкнутых контактов реле в цепи постоянного напряжения 27в воспринимается как сигнал на отключение аварийной секции нагревательных элементов.

В системах электрического обогрева стекол кабин летательных аппаратов используются нагревательные элементы двух типов:

тонкие проволоки из константана или нихрома, помещенные между внешним и внутренним слоями стекла и подключенные к двум контактным шинам;

прозрачная токопроводящая пленка из серебра или нихрома толщиной не более 10^{-5 мм.}

Питание нагревательных элементов стекол осуществляется обычно от бортовой сети переменного тока напряжением 115..120 в.

Во всех возможных случаях для исключения обледенения стекол кабин необходимо обеспечить выделение нагревательными элементами тепла, соответствующего удельной мощности не менее .

В процессе полета изменяются как условия обдува стекол кабин, так и температура наружного воздуха. Поэтому необходимо не только предотвращать запотевание и обледенение стекол, но и исключить возможность их механического разрушения при нагреве. С этой целью используются автоматические регуляторы, стабилизирующие температуру стекла в пределах 33…35^°С. В качестве датчиков температуры в таких системах используются терморезисторы, вмонтированные в стекло кабины.

Импульсный режим работы противообледенительной системы.

Как уже отмечалось, тепловые электрические противообледенительные системы в процессе работы потребляют весьма значительную мощность, достигающую нескольких десятков киловатт. Поэтому проблема выбора рационального режима работы нагревательных элементов такой системы является весьма актуальной. Исходя из этого, в настоящее время весьма часто применяется так называемый импульсный, или иначе – периодический режим работы противообледенительных систем, при котором некоторая меньшая часть секций нагревательных элементов работает в режиме тепловых ножей, а остальные секции периодически включаются и выключаются в течение всего полета в зоне обледенения.