Oblodzenie artykuł cz.1.pdf

zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne

ZJAWISKO OBLODZENIA W UKŁADZIE ZASILANIA

SILNIKA LOTNICZEGO LEKKIEGO SAMOLOTU

CZĘŚĆ 1

Jan WEINAR

Zenon BONCA

Wydział Mechaniczny

POLITECHNIKA GDAŃSKA

Oblodzenie , jako zjawisko ﬁ zyczne

jest bardzo skomplikowane, zależne

od wielu zmiennych czynników, dlate-

go trudno stworzyć jednoznaczną jego

deﬁ nicję. W ujęciu ogólnym jest to

zjawisko tworzenia się powłoki lodo-

wej na powierzchni samolotu, bądź w

jego instalacjach. Wyróżnić tu można

trzy podstawowe przyczyny tworzenia

się powłoki lodowej:

niem płatowca, czyli skrzydła,

usterzenia, łopaty śmigła, szyby;

( structural icing ) – stanowiące ok.

40 % wszystkich wypadków wyni-

kających z oblodzenia;

cie doprowadzi do błędnych wska-

zań przyrządów ciśnieniowych;

osadzanie się lodu na antenach, co

może pogorszyć prace urządzeń

radiowych;

wypadki spowodowane oblodze-

niem w układzie zasilania silnika

( induction icing ), chodzi tu jed-

nak głównie o oblodzenie gaźnika

– jest to 52 % ogólnej liczby wy-

padków w których bezpośrednią

przyczyną jest oblodzenie;

osadzanie się lodu na szybie przed-

niej, co powoduje ograniczenie

widoczności.

bezpośrednie osiadanie kryształ-

ków lodu lub śniegu,

1. OBLODZENIE PŁATOWCA

zamarzanie przechłodzonych kro-

pelek pary lub deszczu przy ze-

tknięciu się z powierzchnią samo-

lotu (jego elementów),

wypadki wynikające z oblodzenia

na ziemi ( ground accumulation ),

czyli wynikające z nieoczyszcze-

nia samolotu z lodu lub śniegu

przed startem – 8 % (w Polsce to

raczej rzadkość).

1.1 Oblodzenie na ziemi

Zanim omówione zostaną problemy

sublimacja pary wodnej na po-

wierzchni samolotu.

Przy braku odpowiedniej reakcji ze

strony pilota, czy w następstwie wadli-

wego działania instalacji przeciwoblo-

dzeniowych itp., zjawisko to staje się

często przyczyną wypadku. Jak widać

na rysunku 1, oblodzenie stanowi ok.

12 % wszystkich wypadków lotni-

czych spowodowanych niekorzystny-

mi warunkami atmosferycznymi (na

przykładzie Stanów Zjednoczonych w

latach 1990 – 2000). Biorąc pod uwa-

gę cechy klimatu w naszej szerokości

geograﬁ cznej, spodziewać się można

nieco większego udziału oblodzenia

w ogólnej liczbie wypadków spowo-

dowanych pogodą w naszym kraju.

Z ogólnej liczby 388 wypadków

lotniczych w USA, które miały miej-

sce w latach 1990 – 2000 i spowo-

dowane były oblodzeniem [9], wy-

różnić można trzy podstawowe ich

grupy (rys. 2):

zmniejszenie siły nośnej i wystą-

pienie znacznych przyrostów opo-

ru z powodu zmiany charakteru

opływu skrzydeł, łopat śmigła oraz

usterzenia (możliwość blokowania

sterów) itp.;

Rys. 1. Wypadki lotnicze spowodowane

warunkami atmosferycznymi w USA w la-

tach 1990 – 2000 [9]

zmniejszenie mocy silnika, a na-

wet jego wyłączenie się z powodu

oblodzenia gaźnika (wlotu powie-

trza, dyszy, dyfuzora, przepustni-

cy) lub odpowietrzników zbiorni-

ków paliwa;

przyrost masy samolotu i zmianę

położenia jego środka ciężkości,

co ma decydujący wpływ na wy-

ważenie samolotu i jego pilotowa-

nie, mogą również wystąpić drga-

nia;

wypadki spowodowane oblodze-

oblodzenie rurki Pitota, w tym tak-

że zatkanie otworów (dajników)

ciśnienia statycznego, co w efek-

Rys. 2. Wypadki spowodowane oblodze-

niem w USA w latach 1990-2000 [9]

248 technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/2007

Zjawisko oblodzenia może zagrozić

bezpieczeństwu lotu głównie poprzez:

zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne

oblodzenia płatowca powstającego

podczas lotu, należy wspomnieć o tzw.

oblodzeniu na ziemi, czyli przyczynie

ok. 8 % wypadków w USA wynikają-

cych z oblodzenia w ogóle.

W warunkach zimowych samolot

bezwzględnie musi być oczyszczony

z lodu i śniegu, ponieważ zalegający

na powierzchni skrzydeł i kadłuba na-

wet niewielkiej grubości śnieg może

znacznie wydłużyć start, a przede

wszystkim zmienia on charakterysty-

kę lotną samolotu (wzrost oporów,

zwiększenie prędkości przeciągnię-

cia), co przy bardzo małych prędkoś-

ciach może prowadzić do przeciągnię-

cia tuż po starcie i rozbicia samolotu.

Innym zagrożeniem jest to, że pomi-

mo oczyszczenia powierzchni, lód i

śnieg mogą pozostawać w szczelinach

lotek, klap, steru kierunku i wysoko-

ści, co grozi zablokowaniem lub ogra-

niczeniem wychyleń sterów.

Kolejnym problemem powstają-

cym jeszcze na ziemi jest kołowanie

po mokrym śniegu tzw. „bryji”. Musi

ono być wykonywane szczególnie

wolno, aby uniknąć rozbryzgów spod

kół podwozia, bowiem mogą one za-

tkać różnego rodzaju odpowietrzenia,

otwory ciśnienia statycznego lub znie-

kształcić wnęki kół podwozia (gdy w

samolocie jest podwozie chowane).

W samolocie z chowanym podwo-

ziem po starcie z takiej nawierzchni

dobrze jest kilkakrotnie powtórzyć

proces chowania i wypuszczania pod-

wozia, aby w ten sposób wyelimino-

wać możliwość jego zamarznięcia w

czasie lotu, w położeniu schowanym.

Bezpieczna do kołowania i lądowania

może być warstwa mokrego śniegu

czy błota nie przekraczająca

1 cala (ok. 2,5 cm).

nym mrozie prawdo-

podobieństwo inten-

sywnego oblodzenia

jest niewielkie.

Zanim omówio-

ne zostaną rodzaje

oblodzenia, należy

wspomnieć o typach

chmur (w zależności

od ich struktury) oraz

o opadach, bowiem

zjawiska te mają de-

cydujące znaczenie

przy powstawaniu

oblodzenia płatowca.

Rys. 3. Oblodzenie „na ziemi” w wyniku opadu przechłodzo-

nego deszczu lub mżawki [9]

Ze względu na skład,

chmury dzielą się na trzy klasy:

się do chmur i powstającego w nich

oblodzenia jest tzw. wodność chmu-

ry , czyli po prostu zawartość w nich

wody w stanie ciekłym lub stałym

wyrażana w g/m 3 (w gramach wody

na metr sześcienny powietrza). Chmu-

ry wodne mają wodność od 0,2 do na-

wet 5 g/m 3 , natomiast wodność chmur

krystalicznych jest znacznie mniejsza,

ponieważ wynosi ona setne i tysięczne

części grama na metr sześcienny.

Z punktu widzenia bezpieczeń-

stwa lotu w niskich temperaturach,

bardzo niebezpiecznym zjawiskiem

jest zamarzający deszcz i mżawka.

Oblodzenie w deszczu może pozba-

wić samolot zdolności do lotu już po

kilku minutach. Zamarzający deszcz

pojawia się wówczas, gdy opady po-

chodzące z cieplejszych mas powie-

trza spadają poprzez strefę inwersji

temperatury (rys. 4), dostając się do

schłodzonego (poniżej 0°C) powie-

trza zalegającego niżej. Takie prze-

chłodzone krople wody natychmiast

chmury wodne (kropelkowe) –

składające się wyłącznie z krope-

lek wody, mogące istnieć nie tyl-

ko przy temperaturach dodatnich,

lecz również przy temperaturach

niższych od zera stopni Celsjusza

(-10°C, a czasem i niżej; kropel-

ki wody można przechłodzić do

-40°C !) – w tym przypadku kro-

pelki wody są w stanie przechło-

dzonym, co jest zjawiskiem najzu-

pełniej zwykłym;

chmury mieszane – składające się

z mieszaniny przechłodzonych

kropelek wody i kryształków lodu,

co ma miejsce przy umiarkowa-

nych temperaturach ujemnych;

chmury lodowe (krystaliczne) –

składające się tylko z kryształków

lodu, chmury te występują przy

dość niskich temperaturach.

Ważnym parametrem odnoszącym

1.2 Rodzaje oblodzenia i

warunki sprzyjające jego

tworzeniu się

Generalnie przyjmuje się, że

oblodzenie płatowca mogące

zagrozić bezpieczeństwu lotu

pojawia się wówczas, gdy

samolot leci w chmurze lub

w opadzie, gdzie temperatu-

ra wynosi od ok. -15°C (w

szczególnych warunkach od

+4°C) do ok. 0°C. Przy sil-

Rys. 4. Strefy i rodzaje oblodzenia związane z zachmurzeniem w rejonie frontu ciepłego [2]

technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/2007 249

zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne

niezbyt dużej wod-

ności chmur, drobne

krople natychmiast

zamarzają przy zde-

rzeniu z samolotem

i nie zmieniają za-

sadniczo proﬁ lu;

zasięg oblodzenia

zależy od wielkości

kropli – im większe

krople, tym większa

powierzchnia objęta

jest oblodzeniem;

cej lodu utworzy się na skrzydle,

tym słabiej odzwierciedla on aero-

dynamiczny kształt proﬁ lu i przy

większej jego ilości tworzyć bę-

dzie coś w rodzaju rogów na obu

powierzchniach; ten typ lodu jest

zazwyczaj gęstszy i twardszy, ge-

neralnie trudny do usunięcia;

Rys. 5. Formy oblodzenia [2]: a) proﬁ lowe, b) bryłowate, c)

szron

bryłowate – two-

rzy się w temperaturach od ok.

-5°C do -7°C, przy wolniejszym

zamarzaniu, pomiędzy grudkami

lodu tworzą się pęcherzyki po-

wietrza; oblodzenie to może też

powstawać z mokrego śniegu; ten

typ oblodzenia cechuje się mniej-

szą zdolnością do przylegania niż

oblodzenie proﬁ lowe;

lód matowy – tworzy się w

chmurach zbudowanych z prze-

chłodzonych kropel wody i

kryształków lodu w temperatu-

rach poniżej - 10°C, ma budowę

krystaliczną;

zamarzają w zetknięciu z poszyciem

samolotu (również na ziemi, jeżeli

temperatura utrzymuje się tam poniżej

0°C – rys.3).

Na rysunku 4 przedstawiono cha-

rakterystykę oblodzenia związaną

z typowym frontem ciepłym. Nie-

bezpieczeństwo silnego oblodzenia

w streﬁ e frontu ciepłego w okresie

zimy jest bardzo wysokie, gdyż war-

stwa lodu może narastać w tempie 1

– 3 mm/min (wodność chmur tego

frontu jest bardzo duża), ponadto

często występują w tej streﬁ e opady

w postaci przechłodzonego deszczu

(lub deszczu ze śniegiem) na dużym

obszarze. Oblodzenie w chmurach

burzowych powstających głównie w

miesiącach letnich osiąga szybkość

ok. 3 – 6 mm/min, lecz zachodzi na

niedużym obszarze i w zasadzie tyl-

ko w górnych warstwach chmury,

ponadto chmury te jako bardzo nie-

bezpieczne dla lotnictwa są zazwy-

czaj omijane.

szadź (rys. 7 i 8) – powstaje w

chmurach zbudowanych z drob-

nych przechłodzonych kropelek

wody, które zamarzając zamykają

powietrze będące między nimi;

posiada zdolność zmiany kształtu

oblodzenia w procesie jego po-

wstawania; zazwyczaj pokrywa

samolot równomierną, szorstką,

białą warstwą.

szron – powstaje przy bardzo ma-

łej wodności chmur, może też po-

wstać w warunkach bezchmurnych

np. przy szybkim zniżaniu z dużej

wysokości, gdy powierzchnia sa-

molotu jest przechłodzona a samo-

lot znalazł się nagle w otoczeniu,

gdzie temperatura jest wyższa,

wówczas powierzchnia samolotu

(szczególnie oszklenie kabiny) po-

krywa się szronem.

Ze względu na szybkość narasta-

nia warstwy oblodzenia (głównie na

skrzydle), przyjęto podział na trzy

typy:

oblodzenie średnie (moderate

icing) – przyrost lodu odbywa się

w tempie ok. 1 mm/min lotu,

Ze względu na strukturę lodu dzielimy

go na trzy główne typy:

lód szklisty (rys. 6) – powstaje w

chmurach o dużej wodności, w

temperaturach od -20°C do 0°C

z przechłodzonych kropel wody,

które zamarzają przy zderzeniu z

powierzchnią samolotu, tworząc

równomierną, gładką i często

przezroczystą powłokę; im wię-

oblodzenie silne (severe icing) –

przyrost lodu odbywa się w tempie

2 – 4 mm/min lotu.

Ze względu na kształt osadzającego

się lodu można wyróżnić trzy formy

oblodzenia płatowca (rys. 5):

Podane powyżej wartości mogą stano-

wić tylko ogólną informację dla pilo-

ta. Wszystko zależy od typu samolotu

(wielkości, instalacji odlodzeniowych

i przeciwoblodzeniowych itp.) i wa-

runków występowania oblodzenia.

Tak wiec dla jednego samolotu warun-

ki mogą być średnie, a dla drugiego już

silne. Rysunek 10 przedstawia orien-

tacyjną analizę warunków oblodzenia

płatowca z punktu widzenia wodności

chmury i długości drogi lotu.

Oblodzenie płatowca, jak już

wspomniano w punkcie pierwszym

negatywnie wpływa na parametry

lotu samolotu. Z pośród wymienio-

nych już kilku podstawowych przy-

Rys. 6. Oblodzenie kadłuba (a) [8] oraz krawędzi natarcia skrzydła (b) [9] – lód szklisty;

na zdjęciu fragmentu skrzydła widoczne jest proste urządzenie do wizualnej oceny gru-

bości warstwy lodu i szybkości jego narastania

250 technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/2007

oblodzenie słabe (light icing)

– przyjmuje się wzrost grubości

lodu do 12 mm w ciągu kilkudzie-

sięciu minut,

proﬁ lowe – tworzy się w niskiej

temperaturze, poniżej -20°C przy

zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne

czyn pogarszania się bezpieczeństwa

wykonywania lotu w warunkach ob-

lodzenia, najbardziej niebezpieczne,

to utrata własności aerodynamicz-

nych profilu skrzydeł i usterzenia,

co w konsekwencji prowadzić może

do przeciągnięcia (utraty siły nośnej

skrzydeł lub usterzenia) i niekontro-

lowanego opadania samolotu. Po-

kryte lodem skrzydła mają zazwy-

czaj (zależy to w dużej mierze od

kształtu osadzonego lodu) tendencje

do przeciągania na niższych kątach

natarcia i przy większych prędkoś-

ciach niż skrzydła czyste. Wymaga

to od pilota zwrócenia szczególnej

uwagi podczas np. lądowania, gdy

powinien on utrzymywać zwięk-

szoną prędkość podejścia, propor-

cjonalnie do zaistniałych warunków

oblodzenia.

Lód na skrzydłach sięgający aż

do lotek może powodować również

utrudnienia w sterowaniu poprzecz-

nym. Oblodzenie pojawia się bar-

dziej intensywnie na cieńszych pro-

ﬁ lach, a więc często na końcówkach

skrzydeł, gdzie na krawędziach spły-

wu znajdują się lotki. Ten sam prob-

lem dotyczy usterzenia poziomego,

które dzięki temu, że ma mniejszą

niż skrzydło krawędź natarcia, roz-

piętość i cięciwę, może się obladzać

proporcjonalnie 2 – 3 razy szybciej

niż skrzydło. Ponieważ siła nośna

wytwarzana przez usterzenie ma

zasadniczy wpływ na stateczność

podłużną samolotu, a co gorsze,

usterzenie w czasie lotu znajduje się

często poza polem widzenia pilota,

musi on zwracać szczególną uwagę

na objawy oblodzenia tej części pła-

towca.

Rys. 7. Skrzydło samolotu

pokryte szadzią [9]

Rys. 8. Oblodzenie dolnej powierzchni skrzydła

poza zasięgiem instalacji odladzającej - szadź [8]

Rys. 9. Lód na niechronionym koł-

paku śmigła [8]

(anti-icing) – niedopuszczające

do oblodzenia samolotu – uru-

chamiane zanim samolot dostanie

się w strefę oblodzenia; zwykle

w skład rozbudowanego systemu

przeciwoblodzeniowego wcho-

dzi: podgrzewanie gaźnika, pod-

grzewanie śmigła, podgrzewanie

rurki Pitota, podgrzewanie odpo-

wietrzników zbiorników paliwa,

podgrzewanie szyby przedniej i

czasami antyoblodzeniowe zra-

szacze powierzchni.

Na rysunku 11 pokazano elementy in-

stalacji odladzającej i antyoblodzenio-

wej zastosowane w samolocie polskiej

produkcji PZL M-20 „Mewa” oraz

efekt zbyt wczesnego użycia odladza-

czy pneumatycznych.

urządzenia odladzające (de-icing)

– usuwające utworzony lód, a więc

stosowane wówczas, gdy już utwo-

rzy się powłoka lodowa; w skład

tych urządzeń wchodzą między

innymi pneumatyczne odladzacze

systemu Goodrich (rys. 13);

Rys. 10. Orientacyjna odległość (w milach morskich) przebyta do chwili utworzenia war-

stwy lodu o grubości 12 mm, w różnych warunkach oblodzenia [1]

urządzenia przeciwoblodzeniowe

technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/2007 251

1.3 Przeciwdziałanie oblodzeniu

płatowca

Rozróżnia się dwie kategorie urzą-

dzeń do walki z lodem na samolotach

(rys. 11):

zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne zagadnienia ogólne

na jakiś czas (co ok. pół godziny)

przestawić dźwignię regulacji ob-

rotów w położenie skrajne, aby

wymusić wymianę oleju w pia-

ście śmigła.

Rys. 11. Elementy instalacji odlodzeniowo - przeciwoblodzeniowej samolotu PZL M-20

„Mewa” ( Ice Protection System ) [1]

Skrzydło i usterzenie – Obecnie

rozpowszechniony jest jeden sy-

stem odladzania skrzydeł, statecz-

nika poziomego i pionowego, a są

nim pneumatyczne komory na kra-

wędzi natarcia systemu Goodrich

(rys. 11 i 12) i dwa systemy zapo-

biegające powstawaniu warstwy

lodu: podawanie niezamarzające-

go płynu na powierzchnię skrzyd-

ła (usterzenia) i elektryczne pod-

grzewanie krawędzi natarcia (pra-

wie wyłącznie w odrzutowcach).

Czarne pasy na krawędziach na-

tarcia skrzydeł i usterzenia wielu

samolotów, to właśnie wypełniane

sprężonym powietrzem gumowe

komory przyklejone do poszycia

powodujące kruszenie lodu, a w

konsekwencji jego odpadnięcie.

Pamiętać należy, aby wybierać

właściwy moment na użycie tego

systemu, tj. przy warstwie lodu o

grubości ok. 12 mm. Zbyt wczes-

ne napełnienie komór powietrzem

tylko wybrzuszy jeszcze cienki

lód i jeżeli ponownie zamarznie

on w tej pozycji, to uniemożliwi

to powtórne korzystanie z syste-

mu kruszącego. Natomiast zbyt

późne użycie może być za słabe

w działaniu, aby skruszyć zbyt

grubą warstwę lodu. Podawanie

płynu na powierzchnię skrzydła

(usterzenia) odbywa się poprzez

pompowanie go do porowatego

poszycia na krawędzi natarcia,

gdzie pęd opływającego proﬁ l

powietrza rozprzestrzenia go po

całej powierzchni.

Ochrona poszczególnych newralgicz-

nych elementów płatowca samolotu:

tów wykonywanych w warunkach

oblodzenia, gdy samolot nie jest

wyposażony w jedną z tych in-

stalacji, należy utrzymywać śmi-

gła na jak największych obrotach

– spowoduje to zmniejszenie ich

oblodzenia, gdyż wzrost sił od-

środkowych zredukuje do mini-

mum możliwości utrzymania się

wody na łopatach. Również, je-

żeli w samolocie zastosowane jest

śmigło z przestawianym hydrau-

licznie skokiem, dobrze jest raz

Śmigło – Lód na śmigle formuje

się zazwyczaj zanim zaczyna być

widoczny na skrzydłach. Aby za-

pobiec jego powstawaniu, łopaty

śmigła przemywane są specjal-

nym płynem podawanym przez

dysze zamontowane przy piaście

śmigła lub posiadają elektrycznie

podgrzewane elementy na krawę-

dzi natarcia (rys. 12). Podczas lo-

Przednia szyba – Wyróżnić tu

można dwa podstawowe sposoby

na oczyszczenie przedniej szyby

z warstwy lodu – pierwszy, to jej

podgrzewanie (całej lub jej frag-

mentu, rys.14), drugi – to spryski-

wanie jej preparatem zapobiegają-

cym powstawaniu lodu.

Rys.12. Przeciwoblodzeniowa instalacja łopat śmigła: a) podawanie alkoholu na kra-

wędź natarcia łopaty, b) i c) elektrycznie ogrzewana krawędź natarcia łopaty

Mimo tak wielu skutecznych sposo-

252 technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: