Методы борьбы с обледенением воздушных судов
Обновлено: 17.05.2024
Обледенение воздушного судна относится к числу опасных для полетов метеорологических явлений.
Несмотря на то, что современные самолеты и вертолеты оборудованы противообледенительными системами, при обеспечении безопасности полетов постоянно приходится считаться с возможностью отложения льда на ВС в полете.
Для правильного применения средств борьбы с обледенением и рациональной эксплуатации противообледенительных систем необходимо знать особенности процесса обледенения ВС в разных метеорологических условиях и при различных режимах полета, а также иметь достоверную прогностическую информацию о возможности обледенения. Особое значение прогноз этого опасного метеорологического явления имеет для легкомоторных самолетов и для вертолетов, которые менее защищены от обледенения, чем крупные самолеты.
Условия обледенения воздушных судов
Обледенение возникает при столкновении переохлажденных водяных капель облака, дождя, мороси, а иногда смеси переохлажденных капель и мокрого снега, ледяных кристаллов с поверхностью воздушного судна (ВС), имеющей отрицательную температуру. Процесс обледенения ВС протекает под воздействием различных факторов, связанных, с одной стороны, с отрицательной температурой воздуха на уровне полета, наличием переохлажденных капель или кристаллов льда и с возможностью их оседания на поверхности ВС. С другой стороны, процесс отложения льда обусловлен динамикой теплового баланса на обледеневающей поверхности. Таким образом, при анализе и прогнозе условий обледенения ВС должны учитываться не только состояние атмосферы, но и особенности конструкции воздушного судна, его скорость и продолжительность полета.
Степень опасности обледенения можно оценить по скорости нарастания льда. Характеристикой скорости нарастания является интенсивность обледенения (мм/мин), т. е. толщина льда, откладывающегося на поверхности в единицу времени. По интенсивности различают обледенение слабое ( 1,0 мм/мин).
Для теоретической оценки интенсивности обледенения самолетов применяется формула:
где V—скорость полета самолета, км/ч; б — водность облака, г/м3; Е — полный коэффициент захвата; β — коэффициент намерзания; Рл — плотность льда, г/см3.
С увеличением водности интенсивность обледенения возрастает. Но так как не вся оседающая в каплях вода успевает замерзнуть (часть ее сдувается воздушным потоком и испаряется), то вводится коэффициент намерзания характеризующий отношение массы наросшего льда к массе воды, осевшей за то же время на ту же поверхность.
Скорость нарастания льда на разных участках поверхности самолета различна. В связи с этим в формулу вводится полный коэффициент захвата частиц, который отражает влияние многих факторов: профиля и размера крыла, скорости полета, размеров капель и их распределения в облаке.
При приближении к обтекаемому профилю капля подвергается воздействию силы инерции, стремящейся удержать ее на прямой линии невозмущенного потока, и силы сопротивления воздушной среды, которая препятствует отклонению капли от траектории воздушных частиц, огибающих профиль крыла. Чем крупнее капля, тем больше сила ее инерции и больше капель осаждается на поверхности. Наличие крупных капель и большие скорости обтекания приводят к возрастанию интенсивности обледенения. Очевидно, что профиль меньшей толщины вызывает меньшее искривление траекторий воздушных частиц, чем профиль большего сечения. Вследствие этого на тонких профилях создаются более благоприятные условия для осаждения капель и более интенсивного обледенения; быстрее обледеневают концы крыльев, стойки, приемник воздушного давления и т. д.
Размер капель и полидисперсность их распределения в облаке важны для оценки термических условий обледенения. Чем меньше радиус капли, тем при более низкой температуре она может находиться в жидком состоянии. Этот фактор оказывается существенным, если учесть влияние скорости полета на температуру поверхности ВС.
При скорости полета, не превышающей значений, соответствующих числу М = 0,5, интенсивность обледенения тем больше, чем больше скорость. Однако при увеличении скорости полета наблюдается уменьшение оседания капель вследствие влияния сжимаемости воздуха. Условия замерзания капель также изменяются под влиянием кинетического нагрева поверхности за счет торможения и сжатия воздушного потока.
Для расчета кинетического нагрева поверхности самолета (в сухом воздухе) ΔTкин.с применяются следующие формулы:
В этих формулах Т — абсолютная температура окружающего сухого воздуха, К; V — скорость полета самолета, м/с.
Однако эти формулы не позволяют корректно оценить условия обледенения при полете в облаках и атмосферных осадках, когда повышение температуры в сжимающемся воздухе происходит по влажноадиабатическому закону. В этом случае часть тепла расходуется на испарение. При полете в облаках и атмосферных осадках кинетический нагрев меньше, чем при полете с той же скоростью в сухом воздухе.
Для расчета кинетического нагрева в любых условиях следует применять формулу:
где V — скорость полета, км/ч; Yа — сухоадиабатический градиент в случае полета вне облаков и влажноадиабатический градиент температуры при полете в облаках.
Так как зависимость влажноадиабатического градиента от температуры и давления имеет сложный характер, то для расчетов целесообразно использовать графические построения на аэрологической диаграмме или пользоваться данными таблицы, достаточными для ориентировочных оценок. Данные этой таблицы относятся к критической точке профиля, где вся кинетическая энергия переходит в тепловую.
| Условия полета | V полета | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | |
| Вне облаков | 0,4 | 1,6 | 3,5 | 6,2 | 9,6 | 13,9 | 19,0 | 24,6 | 31,2 | 38,7 |
| В облаках | 0,2 | 0,9 | 2,1 | 3,7 | 5,8 | 8,3 | 11,4 | 14,8 | 18,8 | 23,2 |
Кинетический нагрев различных участков поверхности крыла неодинаков. Наибольший нагрев у передней кромки (в критической точке), по мере приближения к задней части крыла нагрев уменьшается. Расчет кинетического нагрева отдельных частей крыла и боковых частей самолета может быть осуществлен путем умножения полученного значения ΔTкин на коэффициент восстановления Rв. Этот коэффициент принимает значения 0,7, 0,8 или 0,9 в зависимости от рассматриваемого участка поверхности самолета. Вследствие неравномерного нагрева крыла могут создаться условия, при которых на передней кромке крыла — положительная температура, а на остальной части крыла температура отрицательная. При таких условиях на передней кромке крыла обледенения не будет, а на остальной части крыла возникнет обледенение. В этом случае условия обтекания крыла воздушным потоком существенно ухудшаются, нарушается его аэродинамика, что может привести к потере устойчивости ВС и создать предпосылку к авиационному происшествию. Поэтому при оценке условий обледенения в случае полета с большими скоростями обязательно проводится учет кинетического нагрева.
Для этих целей можно использовать следующий график.
Здесь по оси абсцисс отложена скорость полета самолета, по оси ординат — температура окружающего воздуха, а изолинии в поле рисунка соответствуют температуре лобовых частей самолета. Порядок расчетов показан стрелками. Кроме того, приведена пунктирная линия нулевых значений температуры боковых поверхностей самолета при среднем коэффициенте восстановления къ = 0,8. Эта линия может быть использована для оценки возможности обледенения боковых поверхностей при повышении температуры передней кромки крыла выше 0°С.
Для определения условий обледенения в облаках на эшелоне полета самолета по графику оценивается температура поверхности самолета по температуре воздуха на этой высоте и скорости полета. Отрицательные значения температуры поверхности самолета свидетельствуют о возможности его обледенения в облаках, положительные — исключают обледенение.
Минимальная скорость полета, при которой обледенение возникнуть не может, также определяется по этому графику путем перемещения от значения температуры окружающего воздуха Т по горизонтали до изолинии нулевой температуры поверхности самолета и далее вниз до оси абсцисс.
Таким образом, анализ факторов, влияющих на интенсивность обледенения, показывает, что возможность отложения льда на самолете определяется в первую очередь метеорологическими условиями и скоростью полета. Обледенение поршневых самолетов зависит в основном от метеорологических условий, так как кинетический нагрев таких самолетов незначителен. При скорости полета выше 600 км/ч обледенение отмечается редко, этому препятствует кинетический нагрев поверхности самолета. Сверхзвуковые самолеты наиболее подвержены обледенению при взлете, наборе высоты, снижении и заходе на посадку.
При оценке опасности полета в зонах обледенения необходимо учитывать протяженность зон, а следовательно, и продолжительность полета в них. Примерно в 70% случаев полет в зонах обледенения продолжается не более 10 мин, однако встречаются отдельные случаи, когда продолжительность полета в зоне обледенения составляет 50—60 мин. Без применения противообледенительных средств полет, даже в случае слабого обледенения, был бы невозможным.
Особую опасность обледенение представляет для вертолетов, так как на лопастях их винтов лед нарастает быстрее, чем на поверхности самолета. Обледенение вертолетов наблюдается как в облаках, так и в осадках (в переохлажденном дожде, мороси, мокром снеге). Наиболее интенсивным является обледенение винтов вертолета. Интенсивность их обледенения зависит от скорости вращения лопастей, толщины их профиля, от водности облаков, размеров капель и от температуры воздуха. Отложение льда на винтах наиболее вероятно в диапазоне температур от 0 до —10°С.
Прогноз обледенения воздушных судов
Прогноз обледенения ВС включает определение синоптических условий и использование расчетных методов.
Синоптические условия, благоприятные для обледенения, связаны в первую очередь с развитием фронтальной облачности. Во фронтальных облаках вероятность умеренного и сильного обледенения в несколько раз больше по сравнению с внутримассовыми облаками (соответственно 51 % в зоне фронта и 18 % в однородной воздушной массе). Вероятность сильного обледенения в зонах фронтов составляет в среднем 18%. Сильное обледенение обычно отмечается в относительно узкой полосе шириной 150—200 км вблизи линии фронта у земной поверхности. В зоне активных теплых фронтов сильное обледенение наблюдается в 300—350 км от линии фронта, повторяемость его составляет 19%.
Для внутримассовой облачности характерны более частые случаи слабого обледенения (82 %). Однако во внутримассовых облаках вертикального развития может отмечаться как умеренное, так и сильное обледенение.
Как показали исследования, повторяемость обледенения в осенне-зимний период более высокая, и на разных высотах она различна. Так, зимой при полетах на высотах до 3000 м обледенение наблюдалось более чем в половине всех случаев, а на высотах более 6000 м составило лишь 20%. Летом до высот 3000 м обледенение отмечается очень редко, а при полетах выше 6000 м повторяемость обледенения превышала 60%. Подобные статистические данные могут учитываться при анализе возможности этого опасного для авиации атмосферного явления.
Кроме различия условий формирования облачности (фронтальная, внутримассовая), при прогнозе обледенения необходимо учитывать состояние и эволюцию облачности, а также характеристики воздушной массы.
Возможность обледенения в облаках в первую очередь связана с температурой окружающего воздуха Т — одним из факторов, определяющих водность облака. Дополнительную информацию о возможности обледенения несут данные о дефиците точки росы Т—Та и характере адвекции в облаках. Вероятность отсутствия обледенения в зависимости от различных сочетаний температуры воздуха Т и дефицита точки росы Тd можно оценить по следующим данным:
С наступлением зимы и холодов в Российских аэропортах все самолеты, отправляющиеся в рейс, проходят процедуру защиты от обледенения. Но только в тех случаях, когда крылья, хвостовое оперение, двигатели и корпус покрылись льдом.
Об расшифровке аэропортов можно прочитать пройдя по данной ссылке. О самых опасных аэропортах мира можно прочитать по этой ссылке.
Обработка самолета Ан-124 шестью машинами
В чем опасность обледенения
Нельзя относиться к обледенению, как к естественному явлению, которое не требует профилактики. Такое заблуждение приводит к катастрофам, поэтому противообледенительная обработка самолета — обязательная процедура перед вылетом. Покрытая льдом поверхность машины может привести к следующим последствиям:
- Потере подъемной силы из-за обледенения крыльев и хвоста (от этого изменяется их форма). А также увеличивается вес машины. Это может привести к тому, что после взлета самолет потеряет скорость и рухнет на землю.
- Возможному попаданию снега и льда в двигатели, что приведет к их выключению.
- Возможному повреждению хвоста самолета при взлете, когда куски льда отрываются от крыла.
Обтекание обледенелого крыла воздушным потоком
Учитывая перечисленные факторы, становится понятно, что обледенение самолета довольно опасная ситуация, которую нельзя допустить.
Почему возникает обледенение
Процедура по очистке самолета ото льда довольно трудоёмкая и дорогая. Ее невозможно избежать, потому что причины появления льда на лайнере такие:
- Если температура воздуха ниже нуля, то сам самолет охлаждается больше, а влага, содержащаяся в воздухе, оседает на поверхности машины в виде льда.
- В случае когда температура воздуха около нуля, влага оседает в виде ледяного налета, покрывающего крылья, хвост, двигатели и сам корпус.
А также может примерзнуть снег, который в ходе изменения температуры от отрицательных до положительных показателей превращается в довольно толстую наледь. И последнюю очень непросто удалить.
Деайсинг и антиайсинг
В зависимости от погодных условий проводится тот или иной вид обработки самолета противообледенительной жидкостью.
Как выглядит обработка самолета противообледенительной жидкостью с борта самолета можно посмотреть на видео ниже:
Деайсинг предполагает проведение процедуры непосредственно перед вылетом при условии, что погодные условия сохраняются стабильными. Нет снега или дождя, который при отрицательной температуре становится источником льда на поверхности. Достаточно обработать поверхность — и можно лететь, не опасаясь, что процессы появления льда проявятся снова.
Но когда идет снег, дождь с замерзанием на поверхности из-за пониженной температуры, процедуры деайсинга недостаточно. Потому что нет гарантии, что машина отправится в воздух без кромки льда на своей поверхности. И тогда применяется антиайсинг, который предполагает следующее:
- Состав противообледенительной жидкости более концентрирован.
- Препарат не дает образоваться обледенению вплоть до взлета, несмотря на внешние совершенно отрицательные погодные условия.
- В жидкость добавляются присадки, которые замедляют действие обледенения.
При большой загруженности аэропортов каждый самолет дожидается своей очереди для обработки. И после нее может пройти какое-то время, так что действие препарата закончится и потребуется новая процедура защиты. Командир корабля, зная, когда началась обработка и время ее действия (чтобы не появился лед), в случае нарушения норм вправе потребовать повторной обработки.
Специальные стоянки для облива в непосредственной близости от ВПП (аэропорт Цюрих).
Чтобы избежать такой ситуации, во многих аэропортах мира существует специальная стоянка рядом со взлетной полосой, на которой и производят обработку самолета непосредственно перед вылетом.
Методы обработки
За время эксплуатации пассажирских самолетов разработано несколько методов их обработки, которые в равной мере могут применяться.
- Механическое воздействие, когда очищают наледь с борта самолета, как это делают при очистке обычного автомобиля. Но этот способ довольно много времени занимает, хотя и самый дешевый.
- В Советском Союзе применяли обдувочный метод, когда горячими струями воздуха обрабатывали поверхность самолета. Но так как большая часть современных пассажирских лайнеров иностранного производства, то эта методика не подходит. При таком способе может быть повреждена обшивка самолета.
- Самый востребованный в настоящее время способ — применение противообледенительной жидкости для самолета. В данном случае используются специальные реактивы, которые надежно защищают машину от появления обледенения.
О том как еще подготавливают самолет к вылету можно посмотреть видео ниже:
Виды жидкостей
В основе жидкости — смесь гликоля и воды. Стоит она дорого, но очень радикально действует на налет льда, при этом сохраняя поверхность неповрежденной. Различают следующие виды таких жидкостей:
- Очищает самолет от обледенения, но при этом не дает никакой гарантии от дальнейшего воздействия льда.
- В состав жидкости входит небольшое количество загустителя, который на непродолжительное время замедляет дальнейшее обледенение после очистки.
- Для того чтобы обрабатывать турбовинтовые самолеты, используются жидкости с более плотным уровнем загустителя.
- Жидкость с наиболее плотной степенью концентрации присадки дает возможность бороться с обледенением в течение продолжительного времени.
Окрашенная противообледенительная жидкость (сокращенно ПОЖ) различных типов
Определить ту или иную жидкость можно за счет того, что производители добавляют различные красители, которые и обозначают, какая именно применима для того или иного случая.
Все эти методы используются в том случае, когда самолет находится на земле. Но при взлете и движении в атмосфере любая жидкость стекает, и угроза обледенения возрастает уже в полете. В этом случае используются горячие струи воздуха, исходящие из двигателя.
С их помощью разогревается лёд, который образовался на крыльях и стабилизаторах. И в полете происходит процесс освобождения от наледи.
Обледенение самолета — очень опасная ситуация. Допускать такое положение нельзя, так как это грозит аварией самолета и гибелью экипажа и пассажиров. Поэтому процедуры очистки самолета от наледи перед его вылетом из аэропорта обязательны.
О том как собираются бороться с обледенением в будущем можно узнать посмотрев видео ниже:
Противообледенительная обработка - это процесс удаления снега , льда или инея с поверхности. Под антиобледенением понимается применение химикатов, которые не только удаляют лед, но и остаются на поверхности и продолжают задерживать преобразование льда в течение определенного периода времени или предотвращают налипание льда, чтобы облегчить механическое удаление.
Противообледенительная обработка может производиться механическими методами (соскабливанием, проталкиванием); за счет применения тепла ; с использованием сухих или жидких химикатов, предназначенных для понижения точки замерзания воды (различные соли или рассолы , спирты , гликоли ); или комбинацией этих различных методов.
Поезда и стрелочные переводы
Поезда и стрелочные переводы в арктических регионах имеют большие проблемы с накоплением снега и льда. Им нужен постоянный источник тепла в холодные дни для обеспечения функциональности. В поездах обогреватели для защиты от обледенения требуются в первую очередь тормозам , подвеске и сцепным устройствам . На рельсах в первую очередь чувствительны к обледенению выключатели. Эти мощные электрические нагреватели эффективно предотвращают образование льда и быстро растапливают образующийся лед.
Нагреватели предпочтительно изготовлены из материала PTC, например резины PTC , чтобы избежать перегрева и потенциального разрушения нагревателей. Эти нагреватели являются самоограничивающимися и не требуют регулирующей электроники; они не могут перегреваться и не требуют защиты от перегрева. [1]
Самолет
На земле, когда есть заморозки и осадки , обычно практикуется противообледенительная обработка самолетов. Замерзшие загрязнения ухудшают аэродинамические свойства автомобиля. Кроме того, выбитый лед может повредить двигатели.
Жидкости для защиты от обледенения обычно состоят из водно- гликолевого раствора, содержащего краситель и средства для защиты поверхности металла. Используется ряд гликолей. Загустители также используются для прилипания антиобледенителя к корпусу самолета. [2] : 43 Жидкости на основе этиленгликоля (EG) все еще используются для борьбы с обледенением самолетов в некоторых частях мира, поскольку они имеют более низкую рабочую температуру (LOUT), чем пропиленгликоль (PG). Однако PG более распространен, потому что он менее токсичен, чем этиленгликоль. [3] : 2–29 [4]
При нанесении большая часть противообледенительной жидкости не прилипает к поверхности самолета и падает на землю. [2] : 101 Аэропорты обычно используют системы сдерживания для улавливания использованной жидкости, чтобы она не просачивалась в землю и водоемы. Несмотря на то, что PG классифицируется как нетоксичный, он загрязняет водные пути, поскольку при разложении потребляет большое количество кислорода, вызывая удушение водных организмов. ( См. Воздействие на окружающую среду и смягчение последствий .)
Обледенение с помощью инфракрасного обогрева
Прямой инфракрасный обогрев также был разработан как метод защиты от обледенения самолетов. Этот механизм теплопередачи работает значительно быстрее, чем обычные режимы теплопередачи, используемые при обычном противообледенительном режиме (конвекция и теплопроводность), из-за охлаждающего воздействия воздуха на распыляемую противообледенительную жидкость.
Одна инфракрасная противообледенительная система требует, чтобы процесс обогрева происходил внутри специально построенного ангара. Эта система вызвала ограниченный интерес операторов аэропортов из-за требований к помещению и материально-техническому обеспечению ангара. В Соединенных Штатах этот тип инфракрасной противообледенительной системы использовался в ограниченном количестве в двух крупных узловых аэропортах и одном небольшом коммерческом аэропорту. [2] : 80–81 [5]
В другой инфракрасной системе используются мобильные обогреватели, устанавливаемые на грузовиках, для которых не требуются ангары. [6] Производитель заявляет, что система может использоваться как для самолетов с неподвижным крылом, так и для вертолетов, хотя он не привел никаких примеров ее использования на коммерческих самолетах. [7]
Тротуар аэропорта
Операции по борьбе с обледенением покрытия аэропорта ( взлетно-посадочные полосы , рулежные дорожки , перроны , мосты рулежных дорожек ) могут включать несколько типов жидких и твердых химических продуктов, включая пропиленгликоль , этиленгликоль и другие органические соединения. Соединения на основе хлоридов (например, соль ) не используются в аэропортах из-за их коррозионного воздействия на самолеты и другое оборудование. [2] : 34–35
Смеси карбамида также использовались для борьбы с обледенением дорожного покрытия из-за их низкой стоимости. Однако мочевина является значительным загрязнителем водных путей и диких животных, поскольку после применения она разлагается до аммиака , и в аэропортах США ее использование в значительной степени прекращено. В 2012 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) запретило использование антиобледенителей на основе карбамида в большинстве коммерческих аэропортов. [8]
Дороги
По оценкам, в 2013 году для борьбы с обледенением дорог в Северной Америке было использовано около 14 миллионов тонн соли. [9]
Для борьбы с обледенением дорог традиционно используется соль, которую разбрасывают снегоочистителями или самосвалами, предназначенными для разбрасывания соли , часто смешанной с песком и гравием , по скользким дорогам. Обычно используется хлорид натрия (каменная соль), поскольку он недорогой и легко доступен в больших количествах. Однако, поскольку соленая вода все еще замерзает при -18 ° C (0 ° F), это не поможет, когда температура упадет ниже этой точки. Она также имеет сильную тенденцию вызывать коррозии , ржавчины на сталь , используемую в большинстве транспортных средств и арматуры в железобетонных мостов. В зависимости от концентрации он может быть токсичным для некоторых растений и животных, в результате чего некоторые городские районы покинули его. Более позднее snowmelters использовать другие соли, такие как хлорид кальция и хлорид магния , который не только угнетает точку замерзания воды до гораздо более низкой температуры, но и производит экзотермическую реакцию . Они несколько безопаснее для тротуаров , но излишки все же следует удалить.
Совсем недавно были разработаны органические соединения, которые уменьшают экологические проблемы, связанные с солями, и имеют более длительные остаточные эффекты при распространении по дорогам, обычно в сочетании с соляными растворами или твердыми веществами. Эти соединения часто образуются как побочные продукты сельскохозяйственных операций, таких как очистка сахарной свеклы или процесс дистилляции, в результате которого производится этанол . [10] [11] Другими органическими соединениями являются древесная зола и противообледенительная соль, называемая ацетатом кальция и магния, полученная из придорожной травы или даже кухонных отходов. [12] Кроме того, смешивание каменной соли с некоторыми органическими соединениями и хлоридом магния приводит к намазываемым материалам, которые эффективны при гораздо более низких температурах (-34 ° C или -29 ° F), а также при более низких общих темпах укрытия. на единицу площади. [13]
Солнечные дорожные системы использовались для поддержания поверхности дорог выше точки замерзания воды. Массив труб, встроенных в дорожное покрытие, используется для сбора солнечной энергии летом, передачи тепла тепловым берегам и возврата тепла дороге зимой для поддержания температуры поверхности выше 0 ° C (32 ° F). [14] Эта автоматизированная форма сбора, хранения и доставки возобновляемой энергии позволяет избежать экологических проблем, связанных с использованием химических загрязнителей.
В 2012 году было высказано предположение, что супергидрофобные поверхности, способные отталкивать воду, также могут использоваться для предотвращения накопления льда, ведущего к ледофобности . Однако не всякая супергидрофобная поверхность является ледофобной [15], и метод все еще находится в стадии разработки. [16]
Химические антиобледенители
Все химические антиобледенители имеют общий рабочий механизм: они химически предотвращают связывание молекул воды при температуре выше определенной, которая зависит от концентрации. Эта температура ниже 0 ° C, точки замерзания чистой воды ( понижение точки замерзания ). Иногда происходит экзотермическая реакция растворения, которая обеспечивает еще более высокую способность плавления. В следующих списках приведены наиболее часто используемые химические вещества для борьбы с обледенением и их типичная химическая формула .
Наверняка вы замечали, что перед взлетом фюзеляж воздушного судна обрабатывают специальным раствором. Этот раствор называется противообледенительной жидкостью, или ПОЖ. Она была создана для борьбы с обледенением поверхности самолетов, и именно благодаря такой предполетной обработке удается избежать невероятного количества авиакатастроф. Но какой именно принцип лежит в основе работы этого вещества? Исследование образцов ПОЖ с помощью сканирующей зондовой микроскопии позволило изучить физику защиты от обледенения.
ВИДЫ ПРЕДПОЛЕТНОЙ ОБРАБОТКИ
Существуют разные методы борьбы с обледенением самолетов: тепловые, механические и химические (с помощью противообледенительной жидкости). Химический метод — самый распространенный — основан на следующем эффекте: при попадании на поверхность воздушно-транспортного средства нагретая до 60 °С жидкость удаляет ледяные образования и остается на поверхности, препятствуя последующему обледенению (рис. 1).
В настоящий момент существуют четыре типа ПОЖ, различающиеся по виду действия и предназначения. Тип I — это незагущенная жидкость, вязкость которой не изменяется при перемешивании. Такая жидкость действует очень малое время и используется для удаления льда, уже намерзшего на фюзеляже и крыльях самолета. Реже ее применяют для защиты от образования нового льда. Остальные три типа ПОЖ применяются в тяжелых погодных условиях и при долгом ожидании взлета, защищая корпус от обледенения. Они загущены и остаются на поверхности самолета намного дольше, постепенно разрушаясь во время полета.
СОСТАВ
Чтобы понять, как противообледенительная жидкость защищает корпус воздушно-транспортного средства от обледенения, поговорим о ее составе. В состав ПОЖ входит около 60 % этиленгликоля, а также загустители, антикоррозийные присадки, поверхностно-активные вещества и вода.
Чтобы проверить, как ведет себя разбавленная водой жидкость при нанесении на поверхность, мы использовали метод сканирующей зондовой микроскопии.
КАК РАБОТАЕТ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП
Главный инструмент сканирующего зондового микроскопа — тонкая кремниевая игла (кантилевер) толщиной около 3–5 микрометров, заостренная на конце. На нее попадает лазерный луч, который, отражаясь, оказывается на фоточувствительной матрице, или фотодиоде (рис. 2). Игла скользит по поверхности образца, следуя за всеми неровностями и шероховатостями, и ее положение изменяется, а значит, меняется и положение лазерного луча на фотодиоде. Данные с фотодиода конвертируются в данные о положении кантилевера, и мы получаем визуализированную информацию о его траектории — т. е. мы не смотрим на объект, а ощупываем его. Преимущество этого метода в том, что мы не ограничены таким понятием, как дифракционный предел, а это значит, что мы можем получить информацию об отдельных молекулах, ощупывая их.
ИССЛЕДОВАНИЕ
Мы изучили, как на молекулярном уровне выглядит раствор противообледенительной жидкости на основе этиленгликоля.
Сначала мы получили изображения неразбавленного образца (рис. 4). Жидкость наносилась на поверхность слюды, и после высыхания слюда помещалась в сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан. Видно, что раствор настолько концентрированный, что он не может равномерно распределиться по поверхности.
Водный раствор ПОЖ, разведенный в пропорции 1:100, выглядит уже совершенно иначе (рис. 5).
ЧТО МЫ ВИДИМ?
Этиленгликоль представляет собой короткие молекулы, и именно их мы видим на изображении в виде светлых точек. Структура самой молекулы не распознается, так как кончик кантилевера имеет конечные размеры порядка размеров такой молекулы.
Длинные линии — это молекулы загустителя, который добавляют для увеличения вязкости раствора, т. е. для того, чтобы жидкость как можно дольше оставалась на поверхности фюзеляжа. Интересно, что этиленгликоль имеет температуру замерзания –12 °С, но при смешивании с водой она может измениться до –70 °С при определенном соотношении компонент.
Рис. 5. Изображение поверхности образца ПОЖ, разбавленного водой 1:100. На поверхности видны отдельные молекулы этиленгликоля (светлые точки) и загустителя (длинные линии)
Видно, что молекулы этиленгликоля распределились по поверхности достаточно равномерно. То есть при попадании на такую поверхность молекулы воды не смогут образовать устойчивую структуру в несколько сотен молекул, которая являлась бы зародышем льда. А это значит, что жидкость, разработанная специально для защиты от обледенения, отлично справляется со своей задачей.
Читайте также: