СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА В ОБЛАКАХ
ELIMINATION AND PREVENTION OF HELICOPTER ROTOR ICING IN CLOUDS

Изобретение относится к области методов и устройств, направленных на ликвидацию или предотвращение обледенения наиболее важных частей летательных аппаратов - несущего винта вертолета. Вертолет находится, как правило, в облачной среде, пересыщенной переохлажденными каплями и водяным паром, которые осаждаются на лопасти и кристаллизуются, что приводит к искажению профиля и уменьшению подъемной силы. Несмотря на достигнутые успехи борьбы с обледенением летательных аппаратов, проблема продолжает быть актуальной [1]. По сравнению с самолетами, наибольшие трудности обледенение доставляет именно вертолетам, для которых высота полетов зачастую совпадает с высотой локализации облаков. К тому же одним из основных достоинств вертолетов является их хорошая маневренность в полете, обусловленная во многом способностью зависать в определенных точках пространства, что практически приводит к увеличению обледенения вертолета. При малых скоростях движения вертолета уменьшается сила воздействия потока воздуха на капли воды на поверхности машины, которая при больших скоростях приводит к срыву осевших капель. Обледенение лопастей несущего винта вертолета наиболее опасно, т.к. приводит к искажению профиля крыла и к уменьшению подъемной силы. Поэтому целью предлагаемого в данном изобретении метода является ликвидация и предотвращение обледенения вращающихся лопастей винтов вертолета, как несущего, так и рулевого. Для доказательства работоспособности предлагаемого метода здесь излагаются также общие принципы механического устройства, которое может реализовать предлагаемый метод.
Прототипы данного изобретения, относящиеся к известным методам и устройствам данного назначения, изложены в патентах [2, 3, 4]. К наиболее известным и широко используемым техническим средствам, прежде всего, относятся тепловые противообледенители, использующие электрические нагреватели лобовой кромки лопастей несущих винтов вертолетов. Одна из конструкций такой системы изложена в патенте [2]: «Электротепловая противообледенительная система, например, для лопастей вертолета» (патент РФ №2226481). В патенте перечислены и предыдущие варианты электронагревательных противообледенительных систем лопасти вертолета. Это наиболее широко применяемые в настоящее время системы, однако основным недостатком всех электронагревательных систем и, в частности, прототипа [2] является слишком высокое потребление электроэнергии от бортовой сети питания вертолета системами этого типа, что приводит к потере надежности вертолета. Применяются также жидкостные [5] противообледенители, а также пневматические и другие системы [6]. Противообледенительная жидкость (в практике вертолетов это спирт) поступает на лобовое стекло кабины летчиков, при достаточно большом ее количестве, жидкость смывает оседающие переохлажденные капли воды, не давая им кристаллизоваться. Принципиальным недостатком для длительной работы таких систем является слишком большой вес жидкости, которую необходимо иметь на борту в полете, что невозможно для вертолетов.
2
2
Наиболее близким к заявляемому является способ, изложенный в патенте-прототипе [3]: «Способ уменьшения обледенения летательных аппаратов» (патент РФ №2228883). Этот способ 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 с целью выявления участков облака, потенциально опасных для летательных аппаратов. Вторая стадия этого метода предполагает проведение активных воздействий на указанные зоны возможного обледенения в облаке путем ввода в них (с помощью дополнительного вспомогательного самолета) льдообразующих реагентов CO, или PbI, или AgI в количестве 2 кг на каждый 1 км горизонтальной протяженности зоны возможного обледенения. Метод активных воздействий на облака [3, 7] очень сложен для применения его на практике в отдаленных и труднодоступных районах, поскольку требует наличия радиолокатора в зоне работ и дополнительного самолета, который должен сбрасывать указанные частицы для подготовки атмосферного канала (укрупнения капель и их выпадение) для последующего пролета основного летательного аппарата в этом подготовленном (обезвоженном) канале.
3
Физический принцип как настоящего изобретения, так и прототипа [3] состоит в том, чтобы уменьшить водность W среды вблизи несущего винта вертолета посредством ввода в эту область небольшой массы гигроскопических частиц (или льдообразующих - по способу патента [3]). Установлено, что жидко-капельная водность переохлажденных облаков и осадков - W, г/м, является основным физическим параметром, определяющим интенсивность обледенения - I, мм/мин [8].
Также известен патент [4] («Способ получения противогололедного препарата». Патент РФ 2212428), определяющий оптимальный состав гигроскопических солей противогололедных препаратов на основе смеси хлоридов для применения их на земле. В патенте предложен состав такого препарата, он содержит хлорид калия 10,5-14,7%, хлорид магния 7,0-9,8%, оксид магния и/или магний металлический 1,0-4,0% (для предотвращения коррозии), вода составляет остальное подавляющее большинство смеси. Основным недостатком метода, с точки зрения летательных аппаратов и настоящего патента, является отсутствие анализа гигроскопичности предлагаемых солей при их попадании в облачную среду.
Техническим результатом при осуществлении заявленного изобретения является удаление или предотвращение слоя льда на лопастях вращающегося несущего или рулевого винта вертолета посредством укрупнения капель воды и удаление их из зоны винта. Предлагаемый метод решения проблемы обледенения вращающихся винтов вертолета заключается в том, что в область между лопастями винта вводится расчетное малое количество измельченной до оптимального размера соли, в частности NaCl и/или KCl, обладающей гигроскопическими свойствами. Подача соли в нужное пространство может осуществляться посредством воздуховодных трубок, расположенных в задней кромке лопастей винта, относительно его вращения, через отверстия оптимального диаметра (см. чертеж). Чертеж показывает схематическую реализацию способа: 1 - вращающиеся лопасти несущего винта с частотой f, О - ось вращения винта, 2 - воздуховоды для подачи гигроскопических частиц, 3 - отверстия в воздуховодах, 4 - частицы соли, обводняющиеся в облачном пространстве между лопастями. Другой возможный вариант такой конструкции обеспечит периодическое впрыскивание воздушно-солевой смеси в определенную точку пространства между вращающимися лопастями, смесь содержится внутри вертолета в баллоне с повышенным давлением, а сопла для впрыскивания выведены на ось вращения выше лопастей или на ограничитель лопасти.
3
2
Указанный технический результат достигается тем, что гигроскопические частицы оперативно вводятся непосредственно в пространство между лопастями вращающегося винта вертолета и изменяют в нем свойства водного компонента так, что обледенение лопастей отсутствует. Каждая частица соли обводняется за время, равное 1/f (~0.2 сек), где f - частота вращения винта, и превращается в каплю крупного размера, вбирая в себя всю излишнюю влагу из окружающего каплю индивидуального объема с радиусом L, определяемого диффузионным подводом. Крупные капли безопасны, они либо выпадают из области винта под действием гравитации [3], либо удаляются с лопасти посредством центробежной силы или потоком воздуха, поскольку обе эти силы возрастают с увеличением радиуса r капли, как ~r, ~r соответственно. Эти обводненные солевые капли попадают на последующую лопасть, приходящую в область выброса соли вследствие вращения винта вертолета (см. чертеж). Дополнительным достоинством метода является то, что солевой раствор не вызывает обледенения поверхности лопастей и омывает лопасть, действуя как противогололедный реагент, что обеспечивает дополнительную надежность предлагаемого метода. Следует учесть, что температура замерзания солевого водного раствора, каковым являются обводненные частицы гигроскопической соли, существенно понижается [9], например, для NaCl до -26°С; KCl до -55°С. Конструкция системы выброса воздушно-солевой смеси в нужную точку пространства может быть осуществлена с использованием принципа динамических сирен, состоящих из статора - неподвижного корпуса с отверстием, через которое периодически выходит сжатый воздух с частицами соли в воздуховоды, а также расположенного снаружи вращающего ротора (связанного с лопастями) и устройства обеспечения периодического совпадения отверстий воздуховодов с отверстием в объеме статора, где давление повышено. В объем статора (маломощным насосом ~100 Вт) закачивается воздушно-солевая смесь под давлением, превосходящим атмосферное в 3-5 раз, что обеспечит ее направленное движение по воздуховодам к отверстиям и во внешнюю область. Результирующая масса выбрасываемых гигроскопических частиц может легко регулироваться непосредственно в полете контролируемым образом путем изменения давления в объеме статора с воздушно-солевой смесью, который находится внутри вертолета. Варианты оперативного расчета основных параметров (размер, концентрация, масса) гигроскопических частиц приводится в примере 1.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленной противообледенительной системы, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Предложенный способ отличается от известных технических решений, изложенных в прототипах. В предлагаемом методе, по сравнению с прототипом [2], основной эффект отсутствия обледенения достигается абсолютно иным физическим способом и при снижении энергопотребления более чем в 100 раз, что повышает надежность пилотирования летательного аппарата. По сравнению с [3], предлагаемый метод существенно проще в применении и потребует лишь небольшого количества реагента (~1÷50 кг/час) для его ввода непосредственно в область несущего винта. По сравнению с [4], данный патент указывает необходимый алгоритм расчета размера и массы гигроскопических частиц именно в облачных средах.
Проведенный поиск известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показал отсутствие совпадения. Поскольку не выявлена известность существенных признаков предлагаемого в данном патенте метода на достижение указанного технического результата, заявляемое техническое решение соответствует условию изобретательский уровень.
Использование предлагаемого метода в промышленности обеспечит положительный технико-экономический эффект, существенно повысит надежность пилотирования вертолетов в сложных метеоусловиях.
Для реализации предлагаемого способа необходимо произвести следующие последовательные действия. Вначале необходимо оценить параметр водности облака W на основе показаний прибора или из метеорологических данных. Затем нужно рассчитать необходимую концентрацию частиц вносимой соли (для частиц заготовленного размера r≈1, 10 или 50 мкм) по одному из известных алгоритмов, например аналогично расчетам приведенного здесь примера. Заключительное действие для осуществления данного способа заключается во введении рассчитанного количества соли в пространство между лопастями посредством механической системы подачи воздушно-солевой смеси, основные принципы которой описаны здесь выше.
Пример 1 расчетов для реализации метода
3
3
Поскольку в облаках обычно содержится большое количество воды, характеризуемое параметром водности среды W≈0.1-20 г/м, показано и точно рассчитано, например, по алгоритму [10], что достаточно ввести малое количество гигроскопической соли, которая обводняется в облаке, для существенного понижения водности обработанного пространства за счет гравитационного вывода укрупненных капель. Расчеты обводнения твердых гигроскопических частиц, например, солей NaCl (и KCl) по алгоритму Седунова [10] показывают, что частицы с начальным радиусом 10 мкм увеличиваются до 22 мкм (22.2 мкм) при водности облачного пространства W=1 г/м за время τ=0.2 сек между выбросом соли в пространство и приходом следующей лопасти из-за вращения. Отсюда концентрация капель получающегося раствора составит около 200 г/л, он попадает на последующую лопасть вращающегося винта, температура кристаллизации такого раствора составит -15°С [9]. Температура в облаке в интервале Т=-15-0°С не оказывает существенного влияния (2.2%) на гигроскопический рост частиц соли. Расчет необходимой концентрации n и общей массы М гигроскопических частиц для ввода в область вращающейся лопасти учитывает диффузионный подвод воды к частице соли из ее индивидуального объема с радиусом L. Расчет может быть проведен по формулам (1-3):
2
3
8
s
s
1
Здесь коэффициент турбулентной диффузии в воздух D=2 см/сек, время диффузии в индивидуальном объеме частицы между приходом вращающихся лопастей τ=1/f=0.21 сек, R=10 м - длина лопасти вертолета, h=2 м - толщина захватываемого лопастью воздуха за время τ, r=10 мкм - первоначальный радиус частиц соли, ρ=2 г/смплотность соли, t=1 час - единица времени один час. По формуле (1) получаем L=6.5 мм - характерный радиус диффузионного подвода влаги к каждой гигроскопической частице, по (2) количество частиц соли, введенное в область винта за 1 сек, n=5.5·10. В приведенном примере получаем расчетную массу соли около М=17 кг/час. Указанная масса может быть уменьшена вследствие экспериментов за счет учета эффектов растекания незамерзающего солевого раствора и его стекания с лопастей. В отрасли науки об активных воздействиях на облачную среду с целью увеличения осадков в настоящее время разработано большое количество различных гигроскопических частиц, которые также могут применяться для целей данного патента.
Литература
1. Володко A.M. Вертолет в усложненных условиях эксплуатации. М.: Книжный дом, 2007.
2. RU 2226481 C1, 19.07.2002.
3. RU 2228883 C2, 11.01.2002.
4. RU 2212428 C1, 25.04.2002.
5. RU 2191199 C2, 26.08.1998.
6. Тенишев Р.Х. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. Основы проектирования и методы испытаний. М.: Машиностроение, 1967.
7. RU 2295231 C1, 07.07.2005.
8. Мазин И.П. Физические основы обледенения самолетов. М.: Гидрометеоиздат, 1957.
9. Зелинская Е.В., Воронина Е.Ю. Теоретические аспекты использования гидроминерального сырья. М.: Академия Естествознания, 2009.
10. Седунов Ю.С. Физика образования жидко-капельной фазы в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.