Обледенение

Для каждого разрабатываемого ЛА необходимо проанализировать возможные последствия обледенения. При этом, чем раньше будет принято обоснованное решение о степени его защиты, перечне защищаемых частей и типе ПОС, тем выше будет уровень безопасности ЛА при полетах в сложных метеоусловиях и тем меньше работ по его доводке и испытаниям придётся выполнить в дальнейшем. Для решения вопросов о влиянии обледенения на аэродинамические характеристики, на устойчивость и управляемость проводится комплекс аэродинамических исследований. Частью комплекса аэродинамических исследований является проведение испытаний крупномасштабных моделей самолетов с имитаторами льда в натурной аэродинамической трубе Т-101 ЦАГИ. Модели с имитаторами льда выполнялись в масштабе М = 1:2 ÷ 3,5. Размах крыльев крупномасштабных моделей достигал l = (15-17) м. (см. фото 1) Испытания крупномасштабных моделей позволяют выявить особенности влияния обледенения, особенно малого, остаточного, «барьерного», циклического и наземного, расположенных на отдельных частях самолета (на крыле, на г.о. и на в.о. ), на его аэродинамические характеристики.(см. фото 2) Влияние формы, размеров льда и его шероховатости на аэродинамические характеристики самолета надежно определяется при испытаниях только крупномасштабных моделей самолетов, т.е. в этом случае существенную роль играет масштабный эффект. Только на этих моделях можно определить влияние некоторых отличий форм имитаторов льда и шероховатости от форм льдообразований, полученных в аэрохолодильных трубах и летных испытаниях в условиях естественного обледенения, на летные характеристики самолетов. Это позволяет определить точность, с которой необходимо рассчитывать форму и размеры льда.

Испытания крупномасштабных моделей позволяют определить влияние также взлетного и крейсерского льда на устойчивость и управляемость самолета, на прирост сопротивления, что позволит рационально выбрать запас топлива и обеспечить безопасность при взлете.

Важные результаты можно получить по влиянию различных форм и размеров имитаторов льда на аэродинамические характеристики крупномасштабной модели самолета с прямым крылом и при работающей силовой установке (ТВД) при испытаниях в АДТ Т-101 ЦАГИ. Имитаторы льда разнообразной формы на горизонтальном оперении при обдуве их винтами оказывают большее влияние на продольный момент, чем без обдува, что существенно ухудшает продольные характеристики самолета с прямым крылом в области отрицательных и малых положительных углов атаки. ЦАГИ располагает двумя крупномасштабными моделями: со стреловидным крылом (γ=28°) и с прямым крылом (γ=7°) (фото 1 и 2). При некоторой доработке на модели с прямым крылом можно проводить исследования по влиянию обдува от работающей силовой установки на аэродинамические характеристики модели при наличии имитаторов льда различных форм, размеров и положения имитаторов льда на несущих поверхностях.

После катастрофы самолета Як-40 при взлете были проведены испытания в АДТ Т-101 ЦАГИ натурной консоли самолета с моделированием наземного обледенения. Наземное обледенение моделировалось наждачной шкуркой толщиной h=(0,8-1,3-1,8) мм. Исследования подтвердили наличие наземного обледенения. Самолет не был обработан противообледенительной жидкостью перед взлетом, что могло привести к катастрофе из-за резкого падения подъемной силы самолета при взлете и потери эффективности элерона (см. фото 3).

Предложения ЦАГИ о сотрудничестве

Используя существующие крупномасштабные модели самолетов-прототипов, можно провести исследования, в которых важную роль играет масштабирование льда, в АДТ Т-101 ЦАГИ:

• уточнение влияния инея, наземного обледенения, «барьерного», малого и остаточного льда на летные характеристики самолета;
• исследование влияния параметрических изменений ледяных наростов (высоты рога, его расположения) на аэродинамические характеристики самолета;
• исследование изменения аэродинамических характеристик самолета при внештатной аварийной ситуации в условиях обледенения (асимметричный сброс льда с крыла или с горизонтального оперения, отказ одного двигателя);
• проведение классификации форм, размеров шероховатостей и неровностей льда и их влияние на летные характеристики самолета.

На базе полученных экспериментальных материалов при испытании крупномасштабных моделей в АДТ Т-101 ЦАГИ можно провести уточнение методов расчета влияния льда, образующегося вдоль передней кромки крыла, уточнение методов оценки влияния «барьерного» и «остаточного» льда малой толщины на аэродинамические характеристики самолетов с прямыми и стреловидными крыльями при наличии обледенения.

Для уточнения разрабатываемых расчетных методик по влиянию льда на крыльях конечного размаха нужно провести дополнительный цикл испытаний крупномасштабных моделей в АДТ Т-101 ЦАГИ:

• определить влияние дополнительных форм льдообразований на аэродинамические характеристики моделей;
• исследовать физическую картину обтекания крыльев с этими формами имитаторов льда методом распределения давления;
• определить параметры пограничного слоя в заданных сечениях при наличии данных форм имитаторов льда.

Как отмечалось выше, при исследовании влияния обледенения (особенно малого) важную роль играет масштабный эффект. Одной из важных задач, как отмечалось рабочей группой 12 FAA, является масштабирование льдообразования на малых моделях.

Предлагается провести цикл исследований для разработки этих рекомендаций по масштабированию форм обледенения для малых аэродинамических моделей самолетов. Для этой цели в ЦАГИ имеются крупномасштабные модели самолетов, выполненные в масштабе 1:2 и 1:3 и подобные малые модели, выполненные в масштабе 1:14 и 1:20. Испытания проводятся при одинаковых числах Re в АДТ Т-106 и Т-101 ЦАГИ.

Данные исследования позволят получить знания и выдать рекомендации для безопасной и эффективной эксплуатации самолетов:

• уменьшить число связанных с наземным обледенением катастроф и аварий;
• уменьшить время задержек из-за процедур, связанных с наземным обледенением;
• выработать рекомендации поведения для пилотов при наличии остаточного, малого, «барьерного» льда и инея.