Обледенение

Инж. М. ДЫМОВ

Один английский летчик рассказывал о случае, который произошел с ним над Атлантическим океаном. Однажды после долгого полета, в течение которого пилот все время владел машиной, отлично чувствовал ее, самолет внезапно стал проваливаться. Летчик попытался набрать высоту, — машина не слушалась. Она катастрофически тяжелела. Рули не повиновались руке летчика. Когда он догадался, что произошло, было уже поздно спасать самолет: слой льда покрывал плавные плоскости машины. Обледенение подкралось незаметно. Ледяной покров нарастал, казалось, по законам геометрической прогрессии. Все произошло в течение нескольких минут.

В эти действительно роковые минуты летчик был абсолютно спокоен. Он не чувствовал беды. Он не заметил, как обледенел винт, как вал начал бить, резко застучали цилиндры, «закашлял» мотор.

Пилот бросился на парашюте вниз в океан. Еще в воздухе он видел, как сомкнулись волны над его самолетом. А в жизни пилота не много испытаний тяжелей, чем гибель своей машины.

Сам он плыл в океане до тех пор, пока не подобрало его случайно проходившее рыболовное судно.

К этому лаконичному рассказу трудно что-нибудь добавить, потому что самое страшное в обледенении — именно его внезапность, именно то, что летчик не может уловить момент, когда обледенение начинается, и чувствует его лишь тогда, когда наступает катастрофа.

История авиации знает много катастроф, аварий и вынужденных посадок, связанных с обледенением самолетов.

Пилоты утверждают, что обледенение наиболее возможно в слоистых, дождевых, слоисто-кучевообразных, слоисто-кучевых и грозовых облаках.

Самые опасные из них облака слоистые и дождевые. В таких облаках лед образуется при невысокой температуре и особенно мощным слоем отлагается на поверхностях.

Наиболее интенсивно обледенение проходит при полете в морось. В морось больше 10—15 минут летать нельзя.

Итак, обледенение происходит в облаках и тумане.

Эскиз с обледенелой модели. δ = 3 мм —  толщина слоя льда.

Случается это не обязательно в каких-нибудь сверхдальних или сверхскоростных перелетах, не только в Арктике, не при высоких лишь морозах. Даже наоборот: обледенение хоть и наблюдалось при 10—15 и даже 20° ниже нуля, но очень редко. Известны случаи обледенения в полетах под Москвой при температуре 15—20° выше нуля. Но в большинстве случаев самолет обледеневает при 1—2° ниже нуля. Обычно обледенение происходит в воздухе, сильно насыщенном водяными парами.

Самолет быстро покрывается ледяной коркой. Большей частью лед сперва отлагается на коке винта — небольшом кожухе, что закрывает втулку с болтами, крепящими винт на валу мотора. Ледяная корка разрастается вдоль ребра, а через некоторый промежуток времени льдом покрываются передние кромки крыльев и хвостового оперения, стойки и выступающие части фюзеляжа.

Обледенение бывает большим или меньшим в зависимости от количества переохлажденной воды, находящейся в атмосфере в каплеобразном состоянии, от скорости самолета по отношению к каплям дождя, от угла падения капель, под которым встречаются они с поверхностью самолета, от количества поверхностей, покрывающихся каплями, и от размеров капель воды.

Обстоятельства, вызывающие обледенение, различны. Во-первых, это переохлажденные водяные пары, которые, минуя промежуточную стадию — воду, — сразу превращаются в лед. Во-вторых, лед отлагается на поверхностях самолета при перелете в зоне осадков через слои атмосферы с разной температурой. И, в-третьих, наконец, то же происходит в облаках и тумане, где скопились в большом количестве переохлажденные капли воды.

В первом случае, когда самолет попадает в зону переохлажденных водяных паров, находящихся в стадии перехода к твердому состоянию, части машины сильно переохлаждаются. После этого самолет входит в более теплую зону воздуха, насыщенную водяными парами, и на поверхности его откладывается слой кристаллического льда.

При превращении пара в лед выделяется некоторое количество тепла. Этого тепла достаточно для того, чтобы расплавить лед, отложившийся на поверхности самолета, в сплошной массив. Лед при этом оседает, прежде всего, на передней лобовой кромке поверхности самолета.

Такое обледенение может наступить от 0 до 20° Ц ниже нуля. Самолет этот вид обледенения переносит сравнительно легко в продолжение нескольких часов, потому что крыло не слишком деформируется. В течение часа ледяной покров нарастает не более чем на 5 мм. Это, конечно, не может сделать полет опасным.

Но вот машина проходит через зону осадков, где имеются слои атмосферы с разной температурой. Падает снег. Он попадает из холодного слоя атмосферы в более теплый слой, и снежинки превращаются в переохлажденные водяные капли с твердым ядром в середине.

Твердые осадки — сухой лед и «крупа» — не грозят самолету обледенением. Но вместе с переохлажденными каплями воды они очень легко прилипают к его поверхности и тотчас же замерзают, покрывая выступающие части самолета слоем блестящего льда. Ледяная корка отличается неправильной формой. Она нарушает профиль крыла и влияет на лобовое сопротивление самолета. Вес ее очень значителен, поэтому подъемная сила машины резко уменьшается. Такая форма обледенения возникает при температуре от 0 до минус 6° Ц, чаще всего во время полета в облаках с осадками или при расплывчатом фронте полета, когда самолет проходит через «паштетовидные» облака.

Самолет летит в облаках и тумане, состоящих из микроскопических переохлажденных капелек воды. Наблюдения показали, что микроскопические частички тумана или облаков при низкой температуре, доходящей до 20° Ц ниже нуля, могут находиться в капельножидком состоянии.

Когда самолет сталкивается с такими переохлажденными капельками, они мгновенно превращаются в лед. Машина покрывается сперва тонким льдом, быстро разрастающимся по мере движения самолета. Такие отложения особенно опасны. Капельки замерзают мгновенно, но они не успевают распространиться на все поверхности профилей. Поэтому на передних кромках самолета образуются наросты.

В последних двух случаях льдообразование на поверхности передних кромок происходит настолько интенсивно, что уже через несколько минут после начала обледенения самолет может потерять свою управляемость и авария при вынужденной посадке неминуема.

Что же произошло с машиной?

Нарушена аэродинамика, говорят специалисты.

Это значит, что ледяной покров, изменив профиль крыла, нарушил обтекаемость формы. Увеличивается сопротивление встречному потоку, падает скорость.

Увеличился вес самолета...

Это значит, что расчетная его грузоподъемность, уравновешенная с конструкцией, нарушена и самолет проваливается в воздушной среде.

Самолет теряет управляемость...

Это значит, что обледенели не только крылья, но и хвостовое оперение, руль направления и стабилизатор с рулем глубины. Управление рулями потеряно, и самолет переходит «в пик», из которого очень трудно выйти.

И не только в этом дело.

Когда обледенение происходит в условиях, подобных описанным двум последним случаям, оно наступает так неожиданно и развивается так быстро, что совершенно подавляюще действует на экипаж самолета.

Поэтому важнее всего для экипажа — не терять самообладания и времени.

В от что рассказывает о знаменитом полете в Америку Герой Советского Союза т. Байдуков:

«...я заметил, что мы летим между двумя слоями облачности, которые вот сейчас соединятся. Как будто не летим, а падаем в ущелье, заканчивающееся узеньким дном. Высотомер показывает 2 тыс. м — ну, это правильно. А вот температура наружного воздуха —4°. Это дело куда хуже, чем кажется с первого взгляда. Я беспокойно оглядываюсь назад. Чкалов лежит и курит трубку, Беляков копошится у радиостанции. И, не почувствовав поддержки, я еще больше напрягся, ожидая облачность. «Только бы не обледенеть» — все вертится в голове. Верхний слой не просвечивается, и близости его чувствуется через сырость на стеклах кабины и на руках без перчаток. Внизу та же облачность, отгораживающая землю. И солнце где-то тоже бессильно прячется за хитрыми тучами. Вот уже белизна водяных паров окутала плотно фюзеляж и крылья, — и я становлюсь автоматом, подчиняясь приборам, и только им. Чувства к черту: они обманчивы в таких делах! Вера в каждый прибор и знание их до тонкости заменяют все, и по ним же вы выбираете правильное положение для полета. Слепой полет — моя специальность в перелетах. Валерий и Саша спокойно сидели за моей спиной. Но у меня этого спокойствия на сей раз было так мало, что через 5 минут я заорал благим матом, призывая Валерия. Тот с красными глазами, встревоженный, подлез ко мне и сразу же понял, что мне надо, увидев только появляющийся ледок на стеклах и крыльях самолета. Мотор слегка затрясся мелкой дрожью.

— Давай скорей давление на антиобледенитель!

— Сейчас! — крикнул во все горло Валерий и, быстро спустившись с бака, начал качать насосом.

Я открыл капельник, и вместо капель пошла солидная струя благородной жидкости, очищающей винт от льда. Потянуло спиртом. Самолет стал спокойнее, удары уменьшились, и лишь хвостовые стяжки, отяжелев, разбалтывали фюзеляж сильными рывками. Вот они, тревожные минуты, дающие отпечаток на седеющей русой голове Чкалова. Обледенение — страшнейший враг авиации — взяло нас за горло и повторяло нам: куда вы лезете, вернитесь! Я понял: если мы пробудем хоть час в этих тисках, мы или разломаем самолет, или сядем, перегруженные от льда, на землю. Скорей вырваться из объятий обледенения наверх! Полный газ мотору, — и самолет медленно берет метр за метром. Вот уже 2500 м; слева тускло просачиваются лучи солнца. Значит, конец облачности близок. Через 5 минут появилось солнце, и мы, так же сияюще весело, как его лучи, с гордостью посматривали на оставшиеся внизу облака...

Под солнцем быстро очистились стекла моей кабины от льда...»

Исследованием обледенения занимались много, но нельзя сказать, что условия обледенения самолетов ясны. Мало изучены и условия, при которых наступает обледенение, и различные формы льдообразования. В лабораториях это сделать трудно, потому что там нелегко воспроизвести метеорологические условия, при которых самолет обледеневает в воздухе.

Летом 1935 г. Н. П. Фомин в лаборатории НКПС впервые произвел опыт над металлической моделью крыла самолета типа «Юнкерс-38», полой внутри. Опыт был произведен в трубе Прандтля с открытой рабочей частью. В этой трубе имитировалось прохождение самолета в условиях осеннего полета, сквозь переохлажденную полосу дождя. Температура менялась от плюс 5 до минус 10°. Толщина слоя льда достигла 3 мм. Так получили картину общего обледенения, достаточно близкую к природным условиям.

Все меры борьбы с обледенением самолетов подсказаны не лабораторными исследованиями, а практикой.

В настоящее время из способов борьбы с обледенением самолетов самый распространенный — так называемый пассивный метод. Заключается он в том, что при первых признаках обледенения пилот возможно скорее уходит из опасной зоны. Обычно он либо подымается вверх, либо, наоборот, спускается в нижние слои воздуха. Подъем вверх иногда не осуществим: для этого необходимо вовремя заметить обледенение. Если же обледенение началось, то самолету трудно держаться на высоте. Пробивание облаков требует дополнительного увеличения скорости самолета, но это невозможно потому, что обледенение резко снизило подъемную силу самолета.

Кроме того, пассивным методом, или, как иногда его называют, «пилотажным», нельзя ограничиться. При полете в боевой обстановке так, конечно, задачи не решить. Здесь, наоборот, может потребоваться лететь и в обстановке, явно благоприятной для обледенения. В этих случаях требуются более действенные, технические, меры борьбы. Технических мер борьбы с обледенением самолетов в мировой практике существует много. По методам их можно разделить на группы.

Так существуют: механические, химические и термические методы борьбы с обледенением самолетов.

Из механических методов интересны специальные ножи, действующие против обледенения самолетов. По конструкции эти ножи представляют собой скобы. Под действием рычажной системы и механизмов они движутся вдоль крыла. Ледяные наросты, попадающие под такие ножи, скалываются, и обледенелые поверхности самолета очищаются. Устройство такого приспособления чрезвычайно сложно, так как оно связано со вскрытием несущих поверхностей машины. Кроме того, возможно и обледенение собственного механизма ножей. Это приспособление так и осталось достоянием эксперимента. На самолетах его не применяют.

Существует еще приспособление французской фирмы «Гудрич», действующее против обледенения переменной струей сжатого воздуха, пропускаемого через спиральные резиновые каналы. Резиновые вулканизированные чехлы («ди-айсеры») надеваются на передние кромки самолета, на крылья, стойки, хвостовое оперение и т. д.; в чехлах — резиновые трубки. Они соединены с баллоном сжатого воздуха или со специальным компрессором, находящимся внутри фюзеляжа самолета.

Резиновый настил — ди-айсер — покрывает с наружной стороны кромку поверхности, подверженной обледенению. Настил туго натягивается и облегает крыло, из-за небольшой своей толщины совершенно не изменяя профиля. Сжатый воздух проникает под настил через внутренние резиновые трубки. Конструктивно эти трубки представляют одно целое с чехлом.

Ди-айсеры, облекающие крылья самолета, обычно состоят из трех параллельных камер, расположенных вдоль кромки крыла. На стабилизаторах, киле и вообще на тонких профилях устанавливают предпочтительно камеры с извилистыми трубами. Сжатый воздух в систему подает несколько помп. Число оборотов помпы достигает 2500 в минуту.

Распределитель сжатого воздуха рассчитан таким образом, чтобы при всяком режиме мотора обеспечивать полный цикл работы камер за 40 секунд. Помпы и распределитель обычно действуют от моторов. Их установка и работа должны быть приспособлены к типу мотора.

Трубки ди-айсеров соединены с системой переключения воздуха, которой летчик управляет из кабины самолета. При обледенении пилот пускает в трубы сжатый воздух. Воздух проникает под настил.

Воздух попеременно подается то в среднюю камеру, то в обе крайние одновременно. Ледяная корка, образовавшаяся на «чехле», приподнимается и отстает от поверхности самолета. Воздушный поток уносит обломки льда.

Антиобледенитель «Гудрич». Ни одна из камер ди-айсера не наполнена воздухом. Слой льда покрывает крыло машины.

Воздух пущен в среднюю камеру. Слой льда разорван.

Воздух пущен в две крайние камеры. Ледяной слой приподымается и разламывается. Его уносит воздушный поток.

Приспособление «Гудрич» одевается на самолеты с приближением сезона, когда обледенение наиболее вероятно. В течение почти всего сезона нет необходимости в каком-либо уходе за ним. Нужно только после полета вытереть масляные брызги, которыми мотор забрызгал резину. Поврежденное приспособление можно легко исправить, заклеив лопнувшую трубу или поверхность ди-айсера. Вес приспособления не слишком утяжеляет самолет.

Ди-айсеры были испытаны во многих полетах и дали удовлетворительные результаты. Универсальным средством борьбы с обледенением они не могут стать, потому что ни в какой степени не предохраняют самолет от обледенения винта.

Но это приспособление — одно из лучших в современной технике. Оно получило большое распространение во Франции, Германии, Швеции и Америке. Ни один американский военный или пассажирский самолет не улетает в зимние рейсы без противообледенителя «Гудрич».

Таковы механические способы борьбы с обледенением.

Химические способы появились раньше механических.

Вначале стали покрывать части самолетов жировыми составами, не смачивающимися водой.

Идея обработки поверхности самолета воском, китовым жиром, салом, маслом, заключается в том, что капельки воды, ударившись о такую поверхность и разлившись тонким слоем, быстро восстановят свою шаровидную форму и будут сдуты воздушным потоком. Даже если шаровой формы у капельки и не будет, то все равно предполагалось, что воздушный поток ее сдует, так как естественное прилипание ее к поверхности, покрытой жиром или воском, равно нулю.

Однако на деле оказалось, что ни одно из этих покрытий не достигает цели. Все покрывающие вещества под влиянием большой инерционной силы самолета и температурных условий льдообразования не задерживаются на гладкой поверхности самолета и никак не препятствуют образованию ледяного нароста. Некоторые вещества даже увеличивают скопление льда, так как, невидимому, их свойство не смачиваться исчезает при низкой температуре.

Чтобы помешать образованию льда, предполагалось еще применять растворимые в воде вещества. Идея этого способа заключается в том, что расплывшаяся капелька воды вместе с растворенным в ней веществом образует на поверхности самолета незамерзающую смесь. Для этого нужно получить жидкий слой с температурой замерзания, значительно более низкой, чем у воды. Важно также, чтобы смесь задержалась на поверхности обледеневающих частей самолета. Незамерзающую жидкость на поверхности предлагали подавать при помощи специальных трубок, проложенных вдоль крыла внутри самолета, т. е. под обшивкой; намечались и другие способы.

Но испытания дали неудовлетворительные результаты. Растворимое вещество мало прилипало к поверхности, поэтому воздушный поток легко и быстро сдувал его. Поверхности самолета обнажались и покрывались льдом. Иногда же вещества не давали раствора с переохлажденными каплями, и опять-таки лед отлагался на кромках самолета.

Приспособление английской фирмы «Дэнлоп и К°» заключается в непрерывной подаче на кромки крыльев и оперения особого состава из этиленгликоля и этилового спирта.

Подверженные обледенению поверхности обтягиваются пористой кожей. Из специального резервуара жидкость по пористой трубке течет в пространство между поверхностью самолета и кожей, подгоняемая сжатым воздухом.

По данным той же английской фирмы, такой смеси нужно 0,6 л в час на 1 кв. м смачиваемой поверхности.

Жидкость, выступающая на наружной поверхности кожи, образует слой микроскопических капель — росу. Эта роса на обледеневающей поверхности растворяет переохлажденные водяные капли, и на месте, орошаемом жидкостью, лед не прилипает к поверхности.

На практике этот метод борьбы с обледенением недостаточно эффективен, но, несмотря на это, в Англии он широко распространен.

Химические методы борьбы с обледенением дают некоторые положительные результаты, но нельзя не признать, что до сих пор все их оборудование недостаточно надежно, неудобно в эксплуатации, и в полете представляет собой значительный мертвый вес.

Например, установка фирмы «Дэнлоп» для трехчасового полета машины средних размеров требует запаса в 15—20 л жидкости. Вес этого запаса — около 15—20 кг (удельный вес около 1). Кроме того, самое приспособление — чехлы, трубки, резервуар, редуктор, баллон и т.д. — весит около 50—60 кг. Значит, на средний самолет придется добавочная нагрузка в 65—80 кг. Наконец, защищаясь этим способом от обледенения, самолет даже в отличную погоду не освободится от лишнего веса: кожаные чехлы нельзя снять с самолета, даже если в них нет надобности.

Стоит сравнить в этом отношении приспособления «Дэнлоп» и «Гудрич». Вес всей установки «Гудрич» на самолете «Дуглас» — большом моноплане с размахом крыльев порти в 26 м — составил только 57,5 кг; кроме того, и от этой нагрузки легко освободиться, когда она не нужна.

*

Перейдем к термическим методам борьбы с обледенением.

Электрообогрев частей самолета, подверженных обледенению, предлагался неоднократно. Пытались разрезать лед электрическим током. Один-два электрических провода прокладывали вдоль кромки крыльев и оперения. Монтировались они с таким расчетом, чтобы электрический ток, пущенный по проводу, разрезал лед по мере его образования. Предполагалось, что после этого воздушный поток унесет льдины с поверхности самолета. При испытаниях действительно удавалось разрезать вершину льда на две части, но лед плотно прилипал к поверхности, и воздушный поток не срывал его. Впоследствии по поверхности самолета проложили целые системы электрических проводов, но тут уж потребовался дополнительный электрический генератор. Для действительной борьбы, с обледенением самолетов типа «Дуглас» необходимо около 200 квт электроэнергии. Кроме генератора, нужен и мотор, чтобы привести этот генератор в действие, и баки с горючим, и прочее оборудование. Вес всего добавочного оборудования будет настолько велик, что этот метод, безусловно, практически неприемлем.

Интересен и метод использования выхлопных газов для борьбы с обледенением. По подсчетам, для предохранения крыльев моноплана придется поддерживать температуру на кромках до 10° выше окружающей среды. Для этого можно использовать выхлопные газы авиационного мотора мощностью не менее чем 500 л. с.

При использовании этого метода снова встал вопрос о значительных весах конструкций. Помимо этого, необходимо учитывать, что в выхлопных газах присутствуют кислоты и трубы газопроводки и всю систему пришлось бы часто менять. Этот способ опасен и в пожарном отношении, если в проводке окажутся малейшие трещины или разрывы. Наконец для такой установки пришлось бы изменить конструкцию носков крыльев и оперения современных самолетов. Без этого на существующих самолетах нельзя использовать для борьбы с обледенением тепло выхлопных газов.

Для подогрева частей самолета пытались еще использовать горячий воздух от моторов с воздушным охлаждением. Устроили специальный регулятор, отводящий тепло от мотора в передние кромки крыльев и оперения. Получили вполне достаточное количество горячего воздуха. Но и эта установка тяжела в весовом и в конструктивном отношении. Так, для того же самолета «Дуглас» добавочная нагрузка, дойдет до 140—150 кг.

Предлагался, наконец, и жидкостной способ борьбы с обледенением. В специальном кипятильнике подогревается жидкость (вода или смесь воды с чистым спиртом). Полученный пар или горячая жидкость протекут по трубам в передние кромки крыльев и стабилизатора. Возможно, конечно, использовать жидкость, не вызывающую коррозии металлических частей. Но трудно было бы добиться совершенной герметичности трубопроводов. Дело в том, что очень трудно избежать течи в трубопроводке при непременном сотрясении всей системы, например, в момент посадки самолета. Кроме того, вес такой установки будет не меньше, чем у других систем, работающих по термическому методу.

Именно из-за сложных и тяжелых конструкций термический метод так и не вышел из стадии экспериментов и исследований.

*

Не все описанные способы применимы при борьбе с обледенением винта — пропеллера самолета. Только химическим покрытием или обогревом выхлопными газами (для полых металлических винтов) можно защитить пропеллер. Остальные способы либо недостаточно надежны, либо конструктивно неудобны, либо сильно снижают скорость самолета, увеличивая лобовое сопротивление.

Обледенение винта самолета ничуть не менее опасно, чем обледенение всего самолета. Оно сильно сказывается на моторной установке, нарушает балансировку, вызывает толчки в цилиндрах мотора, увеличивает вибрацию и резко понижает коэффициент полезного действия.

Большая центробежная сила не дает скопиться льду на ведущих кромках лопастей винта. Обычно сначала обледеневает втулка, затем ледяной покров разрастается и захватывает лопасти. Лед, нарастающий по кромкам лопастей, при быстрых оборотах винта отрывается и с большой силой ударяет в выступающие части самолета (особенно у многомоторных самолетов). Ледяной глыбе сообщена большая сила, и она может пробить фюзеляж.

Чтобы помешать обледенению полых металлических винтов, выхлопные газы направляются во внутреннюю полость винта. Можно предполагать, что, с переходом на полые металлические винты, этим способом удастся избежать обледенения винта. Правда, и в этом случае остается открытым вопрос о коррозии материала.

Не плохих результатов добивались, покрывая жировым налетом лопасти винта. Предварительно лопасти одевались материалом, способствующим впитыванию жировых веществ: резиной, кожей и др. Такой противообледенитель для винтов существует в Америке. На кок подается незамерзающая жировая жидкость. Под действием центробежной силы жидкость расплывается по передней кромке винта.

Этот противообледенитель на сегодня, пожалуй, лучший из всех, которые применяются в борьбе с обледенением винтов.

На совещании после прошлогоднего перелета Героев Советского Союза Чкалова, Белякова и Байдукова заместитель наркома оборонной промышленности т. М. М. Каганович сказал: «Перелет ставит перед нашими конструкторами, перед нашей авиационной техникой ряд новых и серьезных проблем. Обледенение самолетов — враг нашей полярной авиации. Как бороться с этим врагом? Изобрести, создать противоядие против этого страшного бича арктических перелетов».

В заключение хочется сказать молодым нашим изобретателям, которые предлагают и, безусловно, будут еще предлагать всевозможные меры борьбы с обледенением самолетов, чтобы они помнили основные требования, предъявляемые авиацией ко всяким изобретениям; небольшой вес и габарит, простота в эксплуатации и невозможность коррозии материалов.