СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ОТ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTING SURFACES OF AIRCRAFT AIR INTAKE FROM ICING

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к средствам удаления и/или предотвращения образования льда на поверхностях воздухозаборника, а именно на внутренней обшивке, образующей поверхности воздушного канала, противорадиолокационной решетке, дефлекторах, а также на любых других составляющих и деталях.
Одной из важнейших задач эксплуатации летательного аппарата (ЛА) является обеспечение его безопасности. Безопасность полетов в условиях возможного обледенения обеспечивают противообледенительные системы (ПОС), защищающие ЛА от обледенения в широком диапазоне погодных условий.
Обледенение входных частей воздухозаборников на взлетно-посадочных режимах, при которых требуется обеспечить максимальный расход воздуха, приводит к наиболее тяжелым последствиям - помпажу двигателей или, например, помпажу воздухозаборников. Одновременно с этим подвергаются обледенению входные части самих двигателей: лопатки входного направляющего аппарата, рабочие лопатки ступени компрессора. Обледенение изменяет аэродинамический профиль лопаток, уменьшает проходное сечение между ними, что также существенно уменьшает расход воздуха через компрессор. Также при самопроизвольном скалывании кусков льда и их попадании в тракт двигателя может произойти повреждение лопаток компрессора и последующий выход двигателя из строя. В целом, возникающее обледенение воздухозаборника и входных частей двигателя существенно снижает КПД двигателя.
К устройствам защиты поверхностей воздухозаборников и двигателей от обледенения предъявляют особо жесткие технические требования. В частности, защита от обледенения должна быть обеспечена в большем диапазоне температур окружающей среды (до - 40°С) и более высокой водности (в 1,7 раза выше, чем для несущих поверхностей).
Для защиты от обледенения в основном применяют воздушно-тепловые и электротепловые ПОС непрерывного действия, которые не допускают обледенения защищаемой поверхности, тем самым предотвращая попадание кусков льда в тракт двигателя.
В воздушном канале воздухозаборника возможна установка решеток, пример которых раскрыт в патенте RU 2623031, для обеспечения малого уровня заметности в радиолокационном диапазоне длин волн. После установки в воздушном канале подобной решетки появляется возможность ее обледенения. Применение механических, физико-химических и тепловых ПОС для нагрева передних кромок решетки затруднительно. В связи с чем, предлагаются новые способы борьбы с обледенением.
Известен способ защиты поверхностей ЛА от обледенения (US 6206325), включающий нагрев лазерными излучателями, выполненных с возможностью перемещения пятна излучения по нагреваемой поверхности. Излучатели располагают в передней и хвостовой частях ЛА и направляют на крыло и горизонтальное оперение. Основными недостатками способа являются низкая эффективность преобразования энергии лазеров и малый угол падения луча на поверхность нагрева, вследствие чего нецелесообразно его применение для обогрева всего крыла ЛА.
В качестве прототипа выбран способ защиты поверхностей воздухозаборника ЛА от обледенения (RU 2489320). Способ характеризуется нагревом внутренних поверхностей кромки воздухозаборника инфракрасными (ИК) излучателями. Недостатками прототипа являются низкая эффективность защиты от обледенения за счет нагрева внутренних поверхностей кромки, необходимость изменения и усложнения ее внутренней конструкции, что приводит к снижению надежности, а также отсутствует возможность использовать данное устройство для защиты кромок пластин решетки воздухозаборника.
В случае выполнения нагрева защищаемых поверхностей посредством теплового излучения с внешней стороны - стороны воздушного канала воздухозаборника - могут быть достигнуты следующие преимущества по сравнению с известными тепловыми способами:
1) Использование системы внешнего нагрева позволит значительно быстрее достигать требуемой для защиты от обледенения температуры поверхности.
2) Использование внешнего нагрева позволит не только увеличить ресурс применяемого покрытия, но также даст возможность использовать такое устройство в режиме испарения. В случае применения стандартных тепловых ПОС, использование их в режиме испарения невозможно, так как это приведет к перегреву покрытия.
3) При применении противорадиолокационной решетки отпадет необходимость изменения ее конструкции для защиты от обледенения.
4) Применение теплового излучения позволит эффективно обогревать поверхности тонких кромок пластин решетки, в которых установка, например, стандартных тепловыделяющих элементов невозможна.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технического решения, лишенного недостатков прототипа и позволяющего значительно быстрее достигать требуемой для защиты от обледенения температуры.
Технический результат заключается в ускоренном достижении температуры, предупреждающей обледенение или обеспечивающей удаление льда на защищаемых поверхностях.
Указанный результат достигается способом защиты поверхностей воздухозаборника ЛА от обледенения, включающем нагрев излучателями, в котором используют инфракрасные и/или лазерные излучатели, установленные в воздушном канале.
В одном из вариантов осуществления нагревают поверхности воздушного канала.
По другому возможному варианту нагревают поверхности установленной в воздушном канале решетки.
Более конкретно нагревают поверхности передних кромок решетки.
Могут использовать инфракрасные излучатели, расположенные на расстоянии а от решетки, меньшем диаметра d воздушного канала.
Могут использовать лазерные излучатели, расположенные на расстоянии Ъ от решетки, большем диаметра d воздушного канала.
Также могут перемещать пятно лазерного излучения по нагреваемым поверхностям.
Использование нагрева непосредственно поверхностей воздушного канала и/или установленной решетки посредством теплового излучения позволяет значительно быстрее достигать температуры, предупреждающей обледенение или обеспечивающей удаление льда на защищаемых поверхностях. Кроме того, благодаря использованию размещенных в воздушном канале излучателей отсутствует необходимость серьезного изменения конструкции воздухозаборника.
Предлагаемое решение представлено на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показана принципиальная схема применения лазерных излучателей.
На фиг. 2 показана принципиальная схема применения ИК излучателей.
На фиг. 3 показана схема лазерного излучателя.
На фиг. 4 показана схема ИК излучателя.
Способ защиты поверхностей воздухозаборника ЛА от обледенения включает их нагрев ИК 6 или лазерными 5 излучателями, или совместно ИК 6 и лазерными 5 излучателями, установленными в воздушном канале. Излучатели 5, 6 выполнены с помощью известных средств и методов с возможностью их размещения в воздушном канале 2 воздухозаборника и нагрева поверхностей, на которые они направлены, т.е. защищаемых поверхностей. В качестве последних могут быть как поверхности самого воздушного канала 2, так и поверхности других элементов, размещаемых в нем, например, противорадиолокационной решетки 3 (фиг. 1-2, 4). Под воздушным каналом 2 следует понимать внутреннюю часть воздухозаборника, расположенную за кромкой или носком -входной частью 1, и перед входной в двигатель частью 4 воздухозаборника.
Настоящим изобретением предусматривается возможность как отдельного, так и совместного применения излучателей 5 и 6 в воздушном канале.
2
В качестве лазерных излучателей 5 предлагается использование волоконных или газовых (СО, СО) лазерных модулей 51, которые могут располагаться в мотоотсеке, возможны и иные варианты, а оптическая сканирующая система 52 может быть встроена в обшивку 7 воздушного канала воздухозаборника с возможностью обогрева его поверхностей (фиг. 3). При этом из-за характерных особенностей лазерного излучения излучатели 5, а именно их сканирующую систему 52 следует изготавливать с возможностью перемещения пятна излучения по нагреваемым поверхностям.
Для ИК нагрева предлагается использование галогеновых, карбоновых или керамических ИК излучателей 6, которые могут быть встроены в обшивку 7 с возможностью обогрева поверхностей воздухозаборника, и содержащих, как правило, излучающий элемент 61, отражатель 62 и теплоизоляцию 63 (фиг. 4).
Излучателями 5,6 могут нагревать поверхности различных элементов воздухозаборника, преимущественно - это поверхности воздушного канала 2, решетки 3, а более конкретно - поверхности ее передних кромок. При этом излучатели 5-6 следует устанавливать вровень с поверхностью воздушного канала.
В частности, для наиболее эффективной борьбы с обледенением решетки 3 могут использовать ИК излучатели 6, расположенные от нее на расстоянии а, меньшем диаметра d воздушного канала 2, а лазерные 5 - на расстоянии Ь, большем диаметра d воздушного канала 2.
Осуществляется предлагаемое решение следующим образом.
Лазерные и/или ИК излучатели, корпусы которых изготовлены с учетом параметров конкретного воздухозаборника, устанавливают в обшивку воздушного канала, подключают к бортовой системе электроснабжения ЛА, подключают к системе управления, также возможно соединение с датчиками обледенения, которые размещают в воздушном канале, а при наличии решетки - перед ней или за ней. Способ защиты может осуществляться в постоянном режиме, с активацией по сигналу оператора, либо с возможностью включения при наличии обледенения по сигналу с указанных датчиков.
В одном варианте осуществления изобретения подверженные обледенению поверхности, например, передних кромок пластин установленной в воздушном канале решетки 3 обрабатывают пятном лазерного излучения (фиг. 1), преимущественно движущимся по предварительно заданной траектории. При взаимодействии с поверхностью материала излучение частично проникает внутрь, поглощается в нем и переходит в тепло, нагревая тем самым поверхность до требуемой для защиты от обледенения температуры, например, до 0°С и более. В целях обеспечения минимального угла падения на поверхность кромок решетки 3 и достижения за счет этого наибольшего эффекта используют лазерные излучатели 5, установленные на расстоянии b от решетки, большем диаметра d воздушного канала 2.
В другом варианте изобретения (фиг. 2) на защищаемую поверхность подается мощный световой поток от ИК излучателей 6, которые нагревают ее до требуемой температуры, например, до 0°С и более. Также излучатели 6 используют для испарения излишков налипающей на поверхность решетки 3 жидкости. Для концентрации наибольшей тепловой мощности, в частности, на поверхности передних кромок решетки 3, используют излучатели 6, расположенные на расстоянии а от нее, меньшем диаметра d воздушного канала 2.
Третьим преимущественным вариантом является совместное применение лазерных и инфракрасных излучателей.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет, не внося существенных изменений в конструкцию воздухозаборника, создать простое техническое решение и ускорить достижение требуемой температуры для защиты его поверхностей от обледенения, благодаря чему данный способ может найти широкое применение в военной и гражданской авиации.