Обледенение как одна из причин авиакатастроф

Противообледенительные технологии Домодедово
А.Тяппо
Александр Тяппо
старший преподаватель
Белорусской государственной
академии авиации
Чем опасно обледенение для воздушных судов, может ли оно возникать при положительных температурах? Как повысить безопасность в условиях, при которых возникает обледенение? В моей статье «Отчего падают самолеты при уходе на второй круг», опубликованной в № 5 журнала «Авиапанорама» за 2016 год, затрагивались вопросы повышения безопасности полетов и предотвращения авиакатастроф, связанные с ухудшением коэффициента вязкости крыла воздушного судна при уходе на второй круг. Тема эта очень обширна ввиду того, что касается изменения коэффициента вязкости за счет появления водяной пленки на поверхности. В продолжение темы в данной статье анализируется ухудшение аэродинамических характеристик крыла в результате изменения коэффициента вязкости в зависимости от различных видов покрытий, в том числе и покрытия льдом.

Одной статьей огромный круг вопросов, связанных с безопасностью полетов, не охватить даже поверхностно. Взять хотя бы обледенение воздушных судов. Все знают, что оно опасно, но основную причину этой опасности видят в нарушении ламинарности потока, хотя зачастую этого и не наблюдается. Проще рассмотреть такой феномен на примере ветрогенераторов. В мире накоплена немалая статистическая информация по их эксплуатации и обслуживанию, которую зачастую нельзя объяснить. Так, хорошо известно, что при обледенении ветрогенераторов даже тончайшим слоем, который абсолютно не нарушает ламинарности потока, мощность может упасть на 10–15 %. А вот при введении понятия «коэффициент вязкости» у льда, как у материала, это можно легко объяснить.

Как известно, вязкость — это внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:

, (1)

где:

F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга;

S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг;

(ν2 ν1)/(z2 z1) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), скорость сдвига;

η — коэффициент динамической вязкости, количественно характеризующий сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев.

Если расширить понятие вязкости, то следует рассмотреть вопрос перемещения тела в вязкой среде, в том числе в воздухе. Здесь внимание в первую очередь следует обратить на то, что при перемещении в газе или жидкости тел с одинаковой шероховатостью поверхности, но выполненных из различных материалов, близлежащие, а вслед за ними и последующие слои газа или жидкости будут в различной степени увлекаться этими телами. Как известно, подъемная сила возникает за счет разности давлений между верхней и нижней кромкой крыла. Разность давлений создается за счет обтекания поверхности крыла ламинарными потоками, имеющими различные скорости. Но, если материал обтекаемого тела имеет больший коэффициент вязкости, давление будет распределено на больший объем обтекающих струй воздуха, и разность давлений будет уменьшена, значит, подъемная сила снизится. Это и происходит при обледенении ветрогенераторов, лопасти которых представляют не что иное, как крыло с некоторым углом атаки.

Возвращаясь к авиационной тематике, можно вспомнить следующий факт. До выхода на авиалинии А-380 самым массовым и большим по грузоподъемности являлся Боинг-747. Во время полета он создавал такое возмущение атмосферы (спутный след), которое требовало повышенных интервалов между ним и другими воздушными судами во время взлета-посадки и при полете на эшелоне. При выходе на линии А-380, который по грузоподъемности превышал Боинг –747, предполагалось, что интервалы нужно будет еще увеличить, но этого не произошло. Причина в том, что крыло А-380 создано из композитных материалов, и его коэффициент вязкости при перемещении в воздушной среде значительно меньше, чем у цельнометаллического крыла Боинга-747. Вследствие того, что композитные материалы имеют более низкий коэффициент вязкости, к крылу, созданному из таких материалов, близлежащий слой воздуха прилегает слабее, увлекая за собой меньшее количество слоев воздуха, соответственно, в процесс вовлекается меньший объем воздуха. В связи с этим разность давлений на верхней и нижней кромке крыла больше, больше и подъемная сила, а сопротивление меньше. Этим и объясняются лучшие, по сравнению с ожидаемыми, аэродинамические качества А-380. Увеличивать интервалы между воздушными судами не потребовалось, так как А-380 создает возмущение атмосферы (спутный след) меньше, чем ожидалось.

Рассмотренный выше пример из жизни авиации подтверждает, что коэффициент вязкости зависит от материала покрытия. Становится понятным, если обычное крыло будет покрыто даже тончайшим слоем льда, коэффициент вязкости увеличится, и аэродинамические качества крыла значительно ухудшатся. Возможно в этом кроется причина авиакатастрофы с самолетом CRJ-100 компании «Белавиа» в аэропорту Звартноц 14 февраля 2008 года. Самолет совершал рейс из Минска в Ереван. В те времена в аэропорту Звартноц, как правило, если и происходила дозаправка CRJ-100, то лишь в незначительных количествах. Топливо, охлажденное при полете на эшелоне, в имевшихся в тот день в районе посадки погодных условиях (повышенная влажность, температура воздуха — чуть выше нуля) создало благоприятные условия для наземного обледенения. Как правило, при положительных температурах обработка воздушного судна противообледенительной жидкостью не производится. Для наземного обледенения достаточно и пары минут, и совсем не обязательно, что критические поверхности покроются толстым слоем льда. Например, топливный лёд, или правильнее его называть «лёд на переохлаждённом крыле», настолько тонкий и прозрачный, что его очень трудно заметить, а аэродинамику он нарушает не хуже обычного льда или снега. А неравномерное обледенение крыльев (наветренная и подветренная стороны на стоянке) привело к тому, что воздушное судно после отрыва практически сразу перевернулось и упало. Расчетной для сухого крыла скорости после отрыва было недостаточно для создания необходимой подъемной силы, что и привело к трагедии (подъемная сила на обледенелом крыле меньше, чем подъемная сила на сухом крыле на одной и той же скорости). Кстати, отрыв воздушного судна состоялся только благодаря «воздушной подушке», действие которой ощутимо до высоты 5–10 м. Комиссия, производившая расследование данной авиакатастрофы, пришла к выводу, что причиной явилось обледенение.

Авиакатастрофа, произошедшая в Сочи 25 декабря 2016 года, очень напоминает упомянутую авиакатастрофу в Ереване. Можно предположить, что воздушное судно при вылете из Жуковского было заправлено по максимуму для того, чтобы сделать минимальную по времени стоянку для дозаправки в промежуточном аэропорту. В этом случае топливо также промерзло, правда, в меньшей степени, из-за более короткого перелета до Сочи и более толстого профиля крыла. Если бы стоянка в Сочи по длительности значительно превышала один час, то, по-видимому, трагедии не произошло бы, так как условия для образования льда на переохлажденном крыле пропали бы. Но короткая стоянка не позволила поверхности крыла прогреться до положительной температуры. Произошел взлет с последующим разгоном самолета до скоростей, рекомендуемых руководством по летной эксплуатации (РЛЭ). Как известно, чем больше скорость, тем больший происходит прогрев поверхности крыла от взаимодействия с набегающим потоком. В этих условиях можно предположить, что в какой-то момент образовавшийся лед растаял, образовав на поверхности крыла водяную пленку. Коэффициент вязкости в этом случае значительно возрос, произошло резкое уменьшение поступательной скорости воздушного судна, что повлекло за собой значительное снижение подъемной силы. Конечно, более точную причину этой катастрофы комиссия по расследованию установит после окончательной расшифровки черных ящиков. По градиенту падения скорости можно будет определить коэффициент вязкости, и, следовательно, понять, что привело к катастрофе — водяная пленка, образовавшаяся на крыле, или само обледенение. По моему мнению, в обоих случаях первопричиной будет первоначальное обледенение. В целом, температура поверхности крыла зависит от многих факторов, таких как скорость полета, температура топлива, температура окружающей среды, работа противообледенительных устройств крыла, и может быть выражена формулой:

, (2)

где:

t кр — температура поверхности крыла;

v — скорость полета;

t ср — температура окружающей среды;

t т — температура топлива;

q — работа противообледенительных устройств крыла.

Совокупность всех этих факторов во времени может привести к эффекту обледенения не только при положительных температурах, но и при отрицательных.

В случае если работает противообледенительная система крыла, условия для конденсации влаги на поверхности крыла и условия для создания водяной пленки могут возникнуть при уходе на второй круг и при отрицательных температурах.

В строительстве широко известны процессы конденсации в зимних условиях в районе точки с нулевой температурой (то есть в том месте, где отрицательная температура переходит в положительную температуру). Такие же условия могут возникнуть, если при достаточно резком сезонном переходе от положительных температур воздуха к отрицательным температурам в самолет заливают топливо с положительной температурой. В этом случае в какой-то момент времени точка с нулевой температурой появится на поверхности крыла. Затем плоскость несущей поверхности переместится в область отрицательных температур, что приведет к практически незаметному обледенению, состоящему из тончайшей ледяной пленки. В момент разбега и взлета это обледенение приведет к возрастанию силы сопротивления и уменьшению подъемной силы. В условиях устойчивых отрицательных температур обработку поверхностей явно никто проводить не будет, поэтому образовавшийся тончайший слой льда может остаться незамеченным, и воздушное судно вырулит на взлет. В летной практике отмечались случаи подобных обледенений, когда только внимательный предполетный осмотр воздушного судна экипажем не позволил произойти трагедии.

В ситуациях, когда совокупность факторов, определяющих температуру на поверхности крыла, создаст температуру, близкую к нулю (охлажденное крыло), во влажной атмосфере на поверхности крыла создадутся условия для конденсации влаги. Появившаяся на поверхности крыла водяная пленка приведет к возрастанию силы сопротивления, уменьшению подъемной силы и создаст все предпосылки для катастрофы. Условия для усиленной конденсации влаги на поверхности крыла создаются при уходе на второй круг в условиях температур, близких к нулю, высокой влажности, а также при выводе воздушных судов из крутого снижения в горизонт, как это бывает у военных воздушных судов. В этом случае крыло контактирует с большим объемом влажного воздуха или тумана. Математическое обоснование этому дано в вышеупомянутой статье «Отчего падают самолеты при уходе на второй круг», («Авиапанорама» № 5–2016).

Этим, по-видимому, можно объяснить катастрофу, произошедшую в марте 1968 года с Ю. А. Гагариным, когда после выполнения задания на больших высотах они с инструктором резко приступили к снижению для захода на посадку. Погодные условия в тот день были следующие: температура, близкая к нулю, низкие слоистые облака, высокая влажность воздуха.

Возможно, подобная причина привела и к авиакатастрофе 27 июля 2002 года на авиашоу во Львове, когда Су-27 ВВС Украины также не хватило высоты для вывода из крутого снижения во время выполнения фигуры высшего пилотажа. Предпосылкой трагедии послужило переохлажденное крыло, так как до момента выступления Су-27 долго барражировал на эшелоне, ожидая начала авиашоу. При этом на земле была очень жаркая погода с большой влажностью воздуха.

В Кыргызстане 16 января 2017 года произошла авиакатастрофа с Боингом-747 турецкой авиакомпании. Пока идет расследование, но характер трагедии, данные о том, что воздушное судно уходило на второй круг, говорят о подобии ее вышеперечисленным. Высказывается мнение, что авиакатастрофа могла произойти из-за перемещения груза и изменения центровки при уходе на второй круг. Мне кажется, это не совсем соответствует истине. Допустимая центровка определяется с целью недопущения дисбаланса для рабочих скоростей полета. Если же скорость упала ниже скоростей, предусмотренных РЛЭ, то центровка может выйти за допустимые пределы без перемещения груза.

Все перечисленные выше авиакатастрофы — это жестокие уроки, которые нам преподала природа. Необходимо изучить, осознать их, чтобы впредь подобные трагедии не повторялись. Для этого необходимо тщательно проанализировать бесценный материал, хранящийся в бортовых устройствах регистрации воздушных судов, потерпевших катастрофы по перечисленным в моих статьях причинам. На основе полученных данных важно создать программное обеспечение для бортовых компьютеров, которое позволит своевременно предупредить пилотов о возможности попадания в подобные аварийные ситуации. Для этого, например, взлеты воздушных судов, закончившиеся авиакатастрофой, нужно сравнить с их же предыдущими штатными взлетами. Необходимо привести параметры (температура, давление, взлетный вес) этих благополучных взлетов к параметрам, которые наблюдались в момент трагедии. Продифференцировав по времени воздушные скорости этих взлетов и найдя их разность, можно определить коэффициент вязкости, возникший из-за покрытия крыла слоем льда или пленкой воды, а разница между дифференциалами по времени вертикальных скоростей определит корреляционную зависимость коэффициентов вязкости и подъемной силы. Это не только повысит безопасность полетов, но и позволит наметить пути для повышения аэродинамических качеств уже существующих воздушных судов за счет свойств покраски поверхностей.

А вот исследования аэродинамики обледеневшего крыла в условиях аэродинамической трубы с имитацией льда пленками различной шероховатости — некорректны и могут привести к искажению результатов. Может оказаться, что коэффициент вязкости на поверхности, связанный с материалом, из которого изготовлена пленка, будет уменьшать подъемную силу, а шероховатость — увеличивать, что в сумме приведет к совсем незначительным изменениям. И, главное — коэффициент вязкости, возникающий между льдом и воздушными потоками, отличается от коэффициента вязкости, возникающего между пленками, имитирующими лед, и воздушным потоком. Реальный же лед может дать значительные изменения аэродинамики и привести, в конечном итоге, к катастрофе.

Авиатехника становится все более надежной, и на первое место среди причин авиакатастроф выходит человеческий фактор. Безопасность полетов при нестандартных случаях обледенения крыла, рассмотренных в данной статье, можно повысить, подготовив экипажи к встрече с непредвиденными ситуациями, обучив их алгоритмам поведения в этих чрезвычайных условиях и снабдив их инструкциями, которые позволят избегать попадания в подобные ситуации.

Фото из архива АО «Международный аэропорт «Домодедово»

Ваш комментарий будет первым

Написать ответ

Выш Mail не будет опубликован


*


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика