НАЗЕМНОЕ АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
GROUND DEICING DEVICE

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к антиобледенительным системам летательных аппаратов (ЛА) при наличии условий их наземного обледенения, и может быть применено в любых областях энергомашиностроения.
Обледенение ЛА во время нахождения его на земле отличается от обледенения в полете. Если в полете лед образуется, как правило, лишь на лобовых частях ЛА, то на земле лед обычно покрывает большую часть его поверхности: всю верхнюю часть крыльев и стабилизаторов, а также поверхность фюзеляжа. Главная опасность, связанная с наземным обледенением ЛА, заключается в развитии на обледеневших поверхностях крыла и оперения самолета преждевременных (на меньших углах атаки) срывных явлений, что грозит на этапе взлета и набора высоты нарушением характеристик устойчивости и управляемости ЛА, а также самого ЛА (см. O.K.Трунов, 1995, Безопасность взлета в условиях обледенения, Москва, ГНИИГАР, стр.17).
Основными средствами, используемыми в мировой практике для защиты ЛА от наземного обледенения, являются противообледенительные жидкости, которые обеспечивают как удаление льда, снега, изморози, инея, так и предотвращение их образования на поверхности ЛА в течение некоторого времени. К противообледенительным жидкостям предъявляются следующие основные требования:
- высокая эффективность удаления всех видов наземного обледенения: инея, твердого (кристаллического) налета, изморози, льда;
- способность защищать поверхность ЛА от образования льда в условиях замерзающих осадков (переохлажденный дождь, мокрый снег, морось) в течение некоторого времени;
- способность полного сброса (сдувания, стекания) жидкости с поверхности крыла при разбеге ЛА (при скоростях, больших 160 км/ч);
- низкие энергозатраты при перекачке в условиях низких температур;
- безопасность при обращении с ней (нетоксичность);
- оказывать минимальное отрицательное влияние на окружающую среду (поскольку только 20-25% жидкости непосредственно участвует в противообледенительном процессе), так как большая часть жидкости стекает на землю во время обработки ЛА либо сдувается с его поверхности ветром. Оставшаяся же на поверхности ЛА жидкость обязательно сбрасывается при взлете и разносится вдоль взлетно-посадочной полосы и далее в полете.
От противообледенительной жидкости типа I не требуется длительная защита ЛА от повторного обледенения после облива ЛА - он должен в считанные минуты подняться в воздух, а при подъеме сбросить противообледенительную жидкость вместе с растопленным льдом (снегом, инеем и т.д.) на землю. Течение противообледенительной жидкости типа I обычное ньютоновское.
От противообледенительной жидкости типа II требуется более длительная защита ЛА, длительное противостояние переохлажденному дождю, понижению температуры и т.д. Для этого используют сильно загущенные составы с токсотропными свойствами и неньютоновским течением.
Однако применение противообледенительных жидкостей существенно нарушает экологическую обстановку в районе аэропорта, а также требует постоянное пополнение запасов таких жидкостей.
Наибольшее широкое распространение получили электрические противообледенители с циклическим подогревом (см. Г.В.Комиссаров, 1967, Противообледенительные системы летательных аппаратов, Москва).
Известно устройство защиты аэродинамической поверхности ЛА от обледенения (см. патент US №2627012 НКИ 244-134, 1958), содержащий на защищаемой поверхности электронагревательные элементы.
Данное техническое решение обладает большим потреблением энергии с малой эффективностью защиты от обледенения.
Известно электронагревательное антиобледенительное устройство (см. АС SU №335159 МПК B64D 15/12, 09.01.69), в котором нагревательный элемент выполнен в виде тонкого слоя электропроводящего материала, нанесенного на обогреваемую поверхность.
Недостатком изобретения является необходимость внесения конструктивных изменений для каждой обогреваемой поверхности.
Известно устройство для удаления льда с поверхностей (см. патент RU №2234781, МПК H02G 07/16, Н05В 06/00, B64D 15/00, от 30.11.1999), которое включает в себя электрод, электрически изолированный от объекта, и источник постоянного тока, например батарею, подключенный к объекту и электроду, а электроизоляционный материал, расположенный между объектом и электродом, нанесен на объект сегнетоэлектрический, диэлектрический с потерями, ферромагнитный или полупроводниковый материал. Электромагнитная энергия вызывает генерирование тепла покрытием, приводящее к таянию льда и снега.
Известна электронагревательная ткань (см. патент RU №2182406, МПК Н05В 03/36, от 10.05.2002), состоящая из ряда неэлектропроводных нитей и, по крайней мере, двух проводящих шин. К парам проводящих шин подсоединяется набор неэлектропроводных нитей, переплетных с электропроводными резистивными нитями, предназначенными для подачи равномерного тепла. К проводящим шинам подсоединены, по крайней мере, две распределительные шины для подачи электроэнергии к проводящим шинам. Каждая проводящая шина и каждая распределительная шина включает в себя, по крайней мере, одну нить с низким сопротивлением для передачи электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является защитный термочехол (см. патент RU №2246188 МПК Н05К 07/20, от 28.12.2001), содержащий нагревательный элемент, реализованный в виде гибкого тканого электронагревателя, по обеим сторонам которого размещены защитные экраны, выполненные из двух слоев, включающих теплозащитную ткань с различными оптическими характеристиками наружной и внутренней сторон и теплоизоляционный материал.
Недостатком изобретения является то, что функционально такой защитный термочехол обеспечивает термостабилизацию оборудования со всех сторон и представляет собой замкнутую оболочку.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности удаления существующего льда с горизонтальных поверхностей ЛА, а также защита от образования льда в условиях замерзающих осадков (переохлажденный дождь, мокрый снег, морось) в течение некоторого времени, обеспечение экологической чистоты обслуживания, возможность использования безопасного электропитания с оптимизацией энергопотребления и упрощения конструкции.
Технический результат достигается тем, что наземное антиобледенительное устройство, содержащее односторонний термомат, выполнено из гибкого тканого электронагревателя, закрытого с обеих сторон защитным электроизоляционным материалом, причем на внутренней и наружной поверхностях которых размещены соответственно водоотталкивающий материал и спаренные два слоя теплозащитного и водоотталкивающего материала, и источник постоянного тока.
Гибкие тканые электронагреватели разбиты на ряд элементов различных мощностей, определяемых требуемой длиной и шириной гибкого тканого электронагревателя.
Термомат разделен на ряд секций, каждая из которых имеет свою зону обогрева.
Термомат фиксируется на горизонтальных поверхностях ЛА ленточными креплениями либо креплениями типа фаст.
Сущностью изобретения является использование неэлектропроводных резистивных нитей и нитей низкого сопротивления, создающих тканый материал, обладающих необходимой структурной прочностью и заданными температурными характеристиками, покрывающих, как одеялом, - термоматом горизонтальные поверхности крыльев и стабилизаторы ЛА.
Изобретение позволяет обеспечить экологическую чистоту обслуживания ЛА в аэропорту базирования с возможностью многократного использования устройства при безопасном электропитании.
В процессе работы гибкие тканые электронагреватели, излучающие тепловые потоки, осуществляют локальный (точечный) обогрев горизонтальных поверхностей ЛА, направлены на увеличение удельных воздействий, создаваемых единицей потребляемой электроэнергии на единицу площади.
Упрощение конструкции наземного антиобледенительного устройства и автоматического управления температурой термомата с встроенным устройством индикации достигается за счет максимальной унификации отдельных термоматов при их минимальном количестве, различных по размерам и потребляемой мощности.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг.1 представлен профиль крыла с размещением наземного антиобледенительного устройства, на фиг.2 - размещение наземного антиобледенительного устройства на горизонтальных поверхностях ЛА, на фиг.3 - система раскрытия наземного антиобледенительного устройства на аэробус А-320 (US), на фиг.4 - блок управления наземного антиобледенительного устройства.
Наземное антиобледенительное устройство содержит термомат 1, выполненный из гибкого тканого электронагревателя 2, закрытого с обеих сторон защитным электроизоляционным материалом 3, и источник постоянного тока 4, на внутренней и наружной поверхностях защитных электроизоляционных материалов 3 размещены соответственно водоотталкивающий материал 5 и спаренные два слоя теплозащитного 6 и водоотталкивающего материала 5.
Гибкие тканые электронагреватели 2 разбиты на ряд элементов различных мощностей 7, определяемых заданной длиной и шириной гибкого тканого электронагревателя.
Термомат 1 разделен на ряд секций 8, каждая из которых имеет свою зону обогрева.
Термомат 1 фиксируется на горизонтальных поверхностях 9 и оперения 10 ЛА ленточными креплениями 11 либо креплениями типа фаст 12.
Блок-схема автоматики управления наземного антиобледенительного устройства, фиг.2, включает электронный блок анализа и контроля 13, блок индикации 14, блок управления 15 и блок коммутации 16, датчики температуры тепловых секций 17 термомата 1, датчики температуры крыла под этими секциями 18, датчики метеоданных окружающей среды 19, линию питания 20 каждого ряда элементов 7 различной мощности, источник питания постоянного тока 4, а также монитор работы устройства 21 и монитор готовности самолета к полету 22 в Центре управления полетов.
Работа наземного антиобледенительного устройства состоит в следующем.
С помощью специального подвижного монтажного устройства на верхние горизонтальные поверхности крыльев и стабилизатора монтируются термоматы.
После соответствующей коммутации датчиковых и питающих линий проводится контроль работы системы по показаниям на мониторе 21.
Подается команда на включение нагревателей и осуществляется контроль температур нагревателей и поверхности крыльев и стабилизатора.
В зависимости от погодных условий по метеоданным 19 выбирается режим работы системы (при наличии ледяной корки или при ее отсутствии).
При достижении температуры на поверхности крыла или стабилизатора порядка 10-13°С автоматически (по команде от блока управления) отключается электропитание соответствующей секции.
Оптимизация по требуемой мощности для каждой секции и возможность подачи отдельного питания на секцию позволяют снизить общее энергопотребление до 10-15%.
В зависимости от используемых типов самолетов проводится оптимизация геометрических размеров термоматов с целью максимального их применения и соответственно снижения стоимости решения проблемы антиобледенения.
2
2
Рассмотрим использование термомата 1 на примере аэробуса А-320 (US), имеющего размах крыльев - 43,9 м, а площадь в плане каждого крыла ~74,5 м и каждого стабилизатора - 17,9 м.
Наличие условий наземного обледенения ЛА:
"режим А" - температура воздуха близка к 0°С, но нет образования льда на горизонтальных поверхностях ЛА и стабилизатора;
"режим В" - по всей горизонтальной поверхности крыла и стабилизатора имеется ледяная корка толщиной порядка 2 мм;
Потребление электрической энергии для подогрева горизонтальной поверхности крыльев ЛА и стабилизаторов до +10°С (от +3°С до +13°С) в "режиме А" составляет порядка 10 КВт в течение 1 часа работы антиобледенительного устройства.
Оценка работы устройства при наличии ледяной корки толщиной порядка 2 мм и температуре окружающей среды порядка - 10°С показала, что за 2 часа при общей потребляемой мощности порядка 95 КВт происходит расплавление ледяной корки и подогрев поверхностей крыльев и стабилизаторов до 10-13°С.
Технико-экономическим эффектом изобретения является повышение эффективности удаления льда и снега с горизонтальных поверхностей и оперения ЛА при наличии условий их наземного обледенения, обеспечение экологической чистоты обслуживания с возможностью использования безопасного электропитания при оптимальном энергопотреблении, упрощении конструкции, надежности и долговечности его работоспособности.