Способ уменьшения обледенения летательных аппаратов

 

Изобретение относится к области метеорологии и активным воздействиям на облака и осадки. Способ уменьшения обледенения летательных аппаратов включает определение до начала полета с помощью радиозондовых данных и данных активно-пассивного радиолокационного метеорологического зондирования вертикальных и горизонтальных размеров зон переохлажденных облаков, их скорость и направление движения, определение по измеренным значениям радиояркостной температуры и протяженности зон переохлажденных облаков, их средней водности в радиальном направлении. Отличия способа в том, что по измеренному значению средней водности в радиальном направлении и экспериментально установленной зависимости определяют зоны возможного обледенения и проводят воздействия на указанные зоны возможного обледенения путем ввода в них льдообразующих реагентов. Достигаемый технический результат: ослабление обледенения летательных аппаратов и его предотвращение при необходимости проведения полета через облака. 1 ил., 1 табл.

Область техники.

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и активным воздействиям на облака и осадки. Несмотря на достигнутые успехи в разработке и применении технических средств и методов борьбы с обледенением летательных аппаратов, прежде всего самолетов и вертолетов, проблема продолжает оставаться актуальной.

Уровень техники.

Известны технические средства и методы борьбы с обледенением в полете, применяемые на самолетах и вертолетах [1, 7]. К ним прежде всего относятся тепловые противообледенители, использующие горячие выхлопные газы двигателей, либо электрические нагреватели лобовых частей крыльев, оперения самолетов, несущих винтов вертолетов, жидкостные противообледенители винтов самолетов и хвостовых винтов вертолетов, покрытия винтов самолетов и вертолетов специальными гидрофобными пленками, обладающими очень малыми силами смерзания с ледяной коркой и др.

Рассмотрим более подробно одну из жидкостных противообледенительных систем [1]. Физической основой применения этих систем является то обстоятельство, что подаваемая по трубопроводам противообледенительная жидкость, поступая, например, на лобовое стекло кабины летчиков, при достаточной скорости ее подачи, просто смывает оседающие переохлажденные капли, не давая им кристаллизоваться. Чем ниже температура замерзания жидкости и чем более она полярна, тем лучше жидкость расплавляет лед.

Принципиальным недостатком всех жидкостных противообледенителей является ограниченность их действия по времени. Необходимо иметь большой запас этой жидкости на борту, не все элементы самолета можно защитить указанным противообледенителем [1].

Кроме того, к общим недостаткам указанных технических противообледенительных средств относится то, что они борются с уже образовавшимся льдом или препятствуют его образованию не на всей поверхности различных частей летательного аппарата. Имеются элементы, которые из-за конструкторских особенностей вообще невозможно оснастить противообледенителями данного типа. Вследствие этого при полетах в метеорологических условиях, вызывающих тяжелое и очень тяжелое обледенение, не обеспечивается необходимая безопасность полетов с помощью известных противообледенительных устройств, так как их эффективность заметно снижается при большой интенсивности обледенения [3].

Физические основы изобретения состоят в том, что в отличие от перечисленных противообледенительных методов и технических средств, с помощью которых удаляется уже образовавшийся лед или препятствующих его образованию на лобовых частях летательного аппарата, предлагается технология существенного уменьшения опасности обледенения, так как при ее реализации жидко-капельная водность переохлажденных облаков и осадков - W, г/м³, являющаяся основным физическим параметром, определяющим интенсивность возможного обледенения -I, мм/мин, значительно уменьшается или вообще отсутствует, то есть W→0.

Действительно, величина I зависит от нескольких метеорологических и аэродинамических факторов. Для расчета значений I можно воспользоваться следующим соотношением [2, 3]:

где W - водность облаков на участке траектории полетов, где возникает обледенение;

U - воздушная скорость полета;

Е(r) - интегральный коэффициент захвата, характеризующий процент осевшей влаги на лобовых частях летательного аппарата, зависящий от геометрических форм и размеров этих частей, диаметра капель, скорости полета;

ρ_л - плотность ледяной корки, образовавшейся при обледенении;

β - коэффициент намерзания, представляющий собой отношение массы нарастающего льда к массе влаги, оседающей за то же время на ту же поверхность.

Экспериментальная проверка формулы (1) была проведена в работе [3] при полетах на винтомоторных самолетах, обладающих скоростью U до 300 км/ч. Во время полетов в переохлажденных облаках измерялись одновременно I и W. Результаты этих измерений представлены на чертеже.

Анализ этого чертежа показывает, что до значений W≈2,0 г/м³ существует практически линейная зависимость I=ϕ(W) и формула (1) дает корректные результаты. При значениях W>2,0 г/м³ формулой (1) трудно пользоваться для расчетов I. Заметим, что в облаках умеренных широт значение водности находится в пределах от сотых долей г/м ³ до 4÷5 г/м³. Следовательно, формулой (1) можно пользоваться в подавляющем числе случаев.

В таблице приведены данные, характеризующие различное по силе обледенение для винтовых самолетов, имеющих воздушную скорость полета U до 300-400 км/ч.

Сущность предлагаемого в качестве изобретения способа.

Предлагаемое изобретение решает задачу существенного уменьшения возможности и интенсивности обледенения всех частей и деталей летательных аппаратов, обеспечивающего повышение безопасности их полетов в зонах переохлажденных* облаков и осадков, именно там, где происходит указанное опасное явление.

* Переохлажденными зонами (ПЗ) облаков и осадков являются те, которые располагаются в слое отрицательной температуры атмосферы

Порядок действий при осуществлении предлагаемого в качестве изобретения способа состоит:

1. По данным ближайшего ко времени полетов данных радиозондирования определяют высоту нулевой изотермы в атмосфере.

2. С помощью активных (радиолокаторов) - пассивных (микроволновых радиометров) радиотехнических метеорологических средств (АПРТМС) проводят обзор пространства и по данным активного канала обнаруживают зоны переохлажденных облаков и осадков в радиусе действия АПРТМС, определяют вертикальные и горизонтальные размеры этих зон, а также их местоположение в облаке. При этом, используя данные пассивного канала, измеряется радиояркостная температура - Т_я, а активным каналом в радиальном направлении устанавливается протяженность переохлажденных зон облаков - _R.

3. По измеренным значениям Т_я и L_R определяется средняя водность в радиальном направлении - [4, 5].

4. По данным и экспериментально установленному алгоритму I_R=ϕ() (см. чертеж и таблицу) определяют силу возможного тяжелого или очень тяжелого обледенения в зафиксированных переохлажденных зонах облаков.

5. Проводят активные воздействия (АВ) на облака льдообразующими реагентами [6], вводя их в выше установленные зоны возможного обледенения летательных аппаратов в переохлажденных облаках в количестве 2 кг на 1 км. В результате АВ происходит либо полная кристаллизация переохлажденных капель в зоне обледенения (что имеет место при низких отрицательных температурах воздуха в этих зонах), приводящая к исчезновению указанных капель, поскольку в облаке остались только ледяные частицы, не вызывающие обледенения, так как W≈0, либо частичная кристаллизация переохлажденных капель, увеличивших свой диаметр, что приводит к их выпадению из облако в виде осадков. В последнем случае наблюдаются не очень низкие отрицательные температуры воздуха в переохлажденной части облака. Как в первом, так и втором случаях в результате АВ происходит уменьшение значений W, а следовательно, и ослабление или исключение возможного обледенения летательных аппаратов.

В качестве льдообразующих реагентов целесообразно применять твердую углекислоту (СО₂ - сухой лед) или AgI или РвI₂, обладающие высокой эффективностью льдообразования (большой выход ледяных частиц на 1 грамм вещества реагента - 10¹⁴ и относительно высокий нижний предел отрицательных температур, равный - 3-4°С).

При такой эффективности согласно расчетным данным практически для полного льдообразования требуется 2 кг реагента на 1км пути в переохлажденных облаках для гарантированного существенного уменьшения их водности.

6. Повторное зондирование переохлажденных зон облаков с помощью АПРТМС через 20-30 мин. после проведения АВ на переохлажденные зоны облаков позволяет установить уменьшение водности в этих зонах, а, следовательно, уменьшение интенсивности обледенения или его отсутствие.

Предлагаемый способ может найти применение при проведении мероприятий, связанных с обеспечением безопасности полетов летательных аппаратов в условиях возможного их обледенения. Такие условия могут иметь место при взлете и посадке самолетов и на маршруте их полетов. Особенно опасно обледенение для вертолетов. Предлагаемый способ уменьшения обледенения летательных аппаратов может быть реализован как с помощью наземных средств доставки реагентов в переохлажденные зоны облаков (средств, используемых в противоградовых службах), так и с борта самолета - лаборатории, обеспечивающей безопасность полета в районе аэродрома.

Литература

1. Трунов O.K. “Обледенение самолетов и средства борьбы с ним.” Изд. Машиностроение, М, 1965, 247 с.

2. Мазин И.П. „Физические основы обледенения самолетов." Гидрометеоиздат, М, 1957, 120 с.

3. Степаненко В.Д. „Вероятность и интенсивность обледенения самолетов". Изд. ГГО им. А.И. Воейкова, С-Пб. 1994, 99 с.

4. Вимберг Г.П., Тарабукин И.А., Щукин Г.Г. „Оценка эффективности пассивно-активного радиолокационного метода определения средней водности переохлажденных зон облаков для использования в прогнозе возможного обледенения самолетов." Труды ГГО им. А.И. Воейкова, Гидрометеоиздат, Л., вып.526, 1988, с. 49-55.

5. Степаненко В.Д. „Радиолокация в метеорологии." Гидрометеоиздат, Л, 1973., 343 с.

6. Качурин Л.Г. „Физические основы воздействий на атмосферные процессы." Гидрометеоиздат, Л., 1990, 462 с.

7. Степаненко В.Д., Попов Б.Д. Авторское свидетельство на изобретение “Антиобледенитель воздушных судов.” №108949 от 6 сентября 1957.

Формула изобретения

Способ уменьшения обледенения летательных аппаратов, включающий определение до начала полета с помощью радиозондовых данных и данных активно-пассивного радиолокационного метеорологического зондирования вертикальных и горизонтальных размеров зон переохлажденных облаков, их скорость и направление движения, определение по измеренным значениям радиояркостной температуры и протяженности зон переохлажденных облаков, их средней водности в радиальном направлении, отличающийся тем, что по измеренному значению средней водности в радиальном направлении и экспериментально установленной зависимости I_R=ϕ(W_R), где W_R - средняя водность в радиальном направлении, I_R - интенсивность обледенения, определяют зоны возможного обледенения и проводят воздействия на указанные зоны возможного обледенения путем ввода в них льдообразующих реагентов СО₂, или РbI₂, или AgI в количестве 2 кг на каждый 1 км горизонтальной протяженности зоны возможного обледенения.

РИСУНКИ

Рисунок 1