Обледенение

  Обледенение воздушного судна относится к числу опасных для полетов метеорологических явлений.
 Несмотря на то, что современные самолеты и вертолеты оборудованы противообледенительными системами, при обеспечении безопасности полетов постоянно приходится считаться с возможностью отложения льда на ВС в полете.
 Для правильного применения средств борьбы с обледенением и рациональной эксплуатации противообледенительных систем необходимо знать особенности процесса обледенения ВС в разных метеорологических условиях и при различных режимах полета, а также иметь достоверную прогностическую информацию о возможности обледенения. Особое значение прогноз этого опасного метеорологического явления имеет для легкомоторных самолетов и для вертолетов, которые менее защищены от обледенения, чем крупные самолеты.

Условия обледенения воздушных судов

 
Обледенение возникает при столкновении переохлажденных водяных капель облака, дождя, мороси, а иногда смеси переохлажденных капель и мокрого снега, ледяных кристаллов с поверхностью воздушного судна (ВС), имеющей отрицательную температуру. Процесс обледенения ВС протекает под воздействием различных факторов, связанных, с одной стороны, с отрицательной температурой воздуха на уровне полета, наличием переохлажденных капель или кристаллов льда и с возможностью их оседания на поверхности ВС. С другой стороны, процесс отложения льда обусловлен динамикой теплового баланса на обледеневающей поверхности. Таким образом, при анализе и прогнозе условий обледенения ВС должны учитываться не только состояние атмосферы, но и особенности конструкции воздушного судна, его скорость и продолжительность полета.
 Степень опасности обледенения можно оценить по скорости нарастания льда. Характеристикой скорости нарастания является интенсивность обледенения (мм/мин), т. е. толщина льда, откладывающегося на поверхности в единицу времени. По интенсивности различают обледенение слабое (< 0,5 мм/мин), умеренное (0,6... 1,0 мм/мин) и сильное (> 1,0 мм/мин).
 Для теоретической оценки интенсивности обледенения самолетов применяется формула:
где V—скорость полета самолета, км/ч; б — водность облака, г/м3; Е — полный коэффициент захвата; β — коэффициент намерзания; Рл — плотность льда, г/см3.
 С увеличением водности интенсивность обледенения возрастает. Но так как не вся оседающая в каплях вода успевает замерзнуть (часть ее сдувается воздушным потоком и испаряется), то вводится коэффициент намерзания характеризующий отношение массы наросшего льда к массе воды, осевшей за то же время на ту же поверхность.
 Скорость нарастания льда на разных участках поверхности самолета различна. В связи с этим в формулу вводится полный коэффициент захвата частиц, который отражает влияние многих факторов: профиля и размера крыла, скорости полета, размеров капель и их распределения в облаке.
 При приближении к обтекаемому профилю капля подвергается воздействию силы инерции, стремящейся удержать ее на прямой линии невозмущенного потока, и силы сопротивления воздушной среды, которая препятствует отклонению капли от траектории воздушных частиц, огибающих профиль крыла. Чем крупнее капля, тем больше сила ее инерции и больше капель осаждается на поверхности. Наличие крупных капель и большие скорости обтекания приводят к возрастанию интенсивности обледенения. Очевидно, что профиль меньшей толщины вызывает меньшее искривление траекторий воздушных частиц, чем профиль большего сечения. Вследствие этого на тонких профилях создаются более благоприятные условия для осаждения капель и более интенсивного обледенения; быстрее обледеневают концы крыльев, стойки, приемник воздушного давления и т. д.
 Размер капель и полидисперсность их распределения в облаке важны для оценки термических условий обледенения. Чем меньше радиус капли, тем при более низкой температуре она может находиться в жидком состоянии. Этот фактор оказывается существенным, если учесть влияние скорости полета на температуру поверхности ВС.
 При скорости полета, не превышающей значений, соответствующих числу М = 0,5, интенсивность обледенения тем больше, чем больше скорость. Однако при увеличении скорости полета наблюдается уменьшение оседания капель вследствие влияния сжимаемости воздуха. Условия замерзания капель также изменяются под влиянием кинетического нагрева поверхности за счет торможения и сжатия воздушного потока.
 Для расчета кинетического нагрева поверхности самолета (в сухом воздухе) ΔTкин.с применяются следующие формулы:
В этих формулах Т — абсолютная температура окружающего сухого воздуха, К; V — скорость полета самолета, м/с.
 Однако эти формулы не позволяют корректно оценить условия обледенения при полете в облаках и атмосферных осадках, когда повышение температуры в сжимающемся воздухе происходит по влажноадиабатическому закону. В этом случае часть тепла расходуется на испарение. При полете в облаках и атмосферных осадках кинетический нагрев меньше, чем при полете с той же скоростью в сухом воздухе.
 Для расчета кинетического нагрева в любых условиях следует применять формулу:
где V — скорость полета, км/ч; Yа — сухоадиабатический градиент в случае полета вне облаков и влажноадиабатический градиент температуры при полете в облаках.
 Так как зависимость влажноадиабатического градиента от температуры и давления имеет сложный характер, то для расчетов целесообразно использовать графические построения на аэрологической диаграмме или пользоваться данными таблицы, достаточными для ориентировочных оценок. Данные этой таблицы относятся к критической точке профиля, где вся кинетическая энергия переходит в тепловую.
Кинетический нагрев ΔТкин (°С) в сухом воздухе и в облаках при различной скорости полета V
Условия полета V полета
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Вне облаков 0,4 1,6 3,5 6,2 9,6 13,9 19,0 24,6 31,2 38,7
В облаках 0,2 0,9 2,1 3,7 5,8 8,3 11,4 14,8 18,8 23,2

 Кинетический нагрев различных участков поверхности крыла неодинаков. Наибольший нагрев у передней кромки (в критической точке), по мере приближения к задней части крыла нагрев уменьшается. Расчет кинетического нагрева отдельных частей крыла и боковых частей самолета может быть осуществлен путем умножения полученного значения ΔTкин на коэффициент восстановления Rв. Этот коэффициент принимает значения 0,7, 0,8 или 0,9 в зависимости от рассматриваемого участка поверхности самолета. Вследствие неравномерного нагрева крыла могут создаться условия, при которых на передней кромке крыла — положительная температура, а на остальной части крыла температура отрицательная. При таких условиях на передней кромке крыла обледенения не будет, а на остальной части крыла возникнет обледенение. В этом случае условия обтекания крыла воздушным потоком существенно ухудшаются, нарушается его аэродинамика, что может привести к потере устойчивости ВС и создать предпосылку к авиационному происшествию. Поэтому при оценке условий обледенения в случае полета с большими скоростями обязательно проводится учет кинетического нагрева.
 Для этих целей можно использовать следующий график.
 Здесь по оси абсцисс отложена скорость полета самолета, по оси ординат — температура окружающего воздуха, а изолинии в поле рисунка соответствуют температуре лобовых частей самолета. Порядок расчетов показан стрелками. Кроме того, приведена пунктирная линия нулевых значений температуры боковых поверхностей самолета при среднем коэффициенте восстановления къ = 0,8. Эта линия может быть использована для оценки возможности обледенения боковых поверхностей при повышении температуры передней кромки крыла выше 0°С.
 Для определения условий обледенения в облаках на эшелоне полета самолета по графику оценивается температура поверхности самолета по температуре воздуха на этой высоте и скорости полета. Отрицательные значения температуры поверхности самолета свидетельствуют о возможности его обледенения в облаках, положительные — исключают обледенение.
 Минимальная скорость полета, при которой обледенение возникнуть не может, также определяется по этому графику путем перемещения от значения температуры окружающего воздуха Т по горизонтали до изолинии нулевой температуры поверхности самолета и далее вниз до оси абсцисс.
 Таким образом, анализ факторов, влияющих на интенсивность обледенения, показывает, что возможность отложения льда на самолете определяется в первую очередь метеорологическими условиями и скоростью полета. Обледенение поршневых самолетов зависит в основном от метеорологических условий, так как кинетический нагрев таких самолетов незначителен. При скорости полета выше 600 км/ч обледенение отмечается редко, этому препятствует кинетический нагрев поверхности самолета. Сверхзвуковые самолеты наиболее подвержены обледенению при взлете, наборе высоты, снижении и заходе на посадку.
 При оценке опасности полета в зонах обледенения необходимо учитывать протяженность зон, а следовательно, и продолжительность полета в них. Примерно в 70% случаев полет в зонах обледенения продолжается не более 10 мин, однако встречаются отдельные случаи, когда продолжительность полета в зоне обледенения составляет 50—60 мин. Без применения противообледенительных средств полет, даже в случае слабого обледенения, был бы невозможным.
 Особую опасность обледенение представляет для вертолетов, так как на лопастях их винтов лед нарастает быстрее, чем на поверхности самолета. Обледенение вертолетов наблюдается как в облаках, так и в осадках (в переохлажденном дожде, мороси, мокром снеге). Наиболее интенсивным является обледенение винтов вертолета. Интенсивность их обледенения зависит от скорости вращения лопастей, толщины их профиля, от водности облаков, размеров капель и от температуры воздуха. Отложение льда на винтах наиболее вероятно в диапазоне температур от 0 до —10°С.

Прогноз обледенения воздушных судов

 
Прогноз обледенения ВС включает определение синоптических условий и использование расчетных методов.
 Синоптические условия, благоприятные для обледенения, связаны в первую очередь с развитием фронтальной облачности. Во фронтальных облаках вероятность умеренного и сильного обледенения в несколько раз больше по сравнению с внутримассовыми облаками (соответственно 51 % в зоне фронта и 18 % в однородной воздушной массе). Вероятность сильного обледенения в зонах фронтов составляет в среднем 18%. Сильное обледенение обычно отмечается в относительно узкой полосе шириной 150—200 км вблизи линии фронта у земной поверхности. В зоне активных теплых фронтов сильное обледенение наблюдается в 300—350 км от линии фронта, повторяемость его составляет 19%.
 Для внутримассовой облачности характерны более частые случаи слабого обледенения (82 %). Однако во внутримассовых облаках вертикального развития может отмечаться как умеренное, так и сильное обледенение.
 Как показали исследования, повторяемость обледенения в осенне-зимний период более высокая, и на разных высотах она различна. Так, зимой при полетах на высотах до 3000 м обледенение наблюдалось более чем в половине всех случаев, а на высотах более 6000 м составило лишь 20%. Летом до высот 3000 м обледенение отмечается очень редко, а при полетах выше 6000 м повторяемость обледенения превышала 60%. Подобные статистические данные могут учитываться при анализе возможности этого опасного для авиации атмосферного явления.
 Кроме различия условий формирования облачности (фронтальная, внутримассовая), при прогнозе обледенения необходимо учитывать состояние и эволюцию облачности, а также характеристики воздушной массы.
 Возможность обледенения в облаках в первую очередь связана с температурой окружающего воздуха Т — одним из факторов, определяющих водность облака. Дополнительную информацию о возможности обледенения несут данные о дефиците точки росы Т—Та и характере адвекции в облаках. Вероятность отсутствия обледенения в зависимости от различных сочетаний температуры воздуха Т и дефицита точки росы Тd можно оценить по следующим данным:
T°C 0...-7 -8...-15 -16...-24 <-25
T-Td°C >2 ≥3 >4 Любое
Вероятность отсутствия обледенения, % 80 80 90 90

 Если значения Т находятся в указанных пределах, а величина Т — Та меньше соответствующих критических значений, то можно прогнозировать слабое обледенение в зонах нейтральной адвекции или слабой адвекции холода (вероятность 75 %) умеренное обледенение — в зонах адвекции холода (вероятность 80%) и в зонах развивающихся кучевых облаков.
 Водность облака зависит не только от температуры, но и от характера вертикальных движений в облаках, что позволяет уточнить положение зон обледенения в облаках и его интенсивность.
 Для прогноза обледенения после установления наличия облачности должен производиться анализ расположения изотерм 0, —10 и —20°С. Анализ карт показал, что обледенение наиболее часто встречается в слоях облачности (или осадков) между этими изотермами. Вероятность обледенения при температуре воздуха ниже —20°С невелика и составляет не более 10%. Обледенение современных самолетов наиболее вероятно при температуре не ниже —12°С. Однако следует отметить, что обледенение не исключается и при более низкой температуре. Повторяемость обледенения в холодный период в два раза выше, чем в теплый. При прогнозе обледенения самолетов с реактивными двигателями также учитывается кинетический нагрев их поверхности по графику, представленому выше. Для прогноза обледенения необходимо определить температуру окружающего воздуха Т, которой соответствует температура поверхности самолета 0°С при полете с заданной скоростью V. Возможность обледенения самолета, летящего со скоростью V, прогнозируется в слоях выше изотермы Т.
 Наличие аэрологических данных позволяет в оперативной практике использовать для прогноза обледенения соотношение, предложенное Годске и связывающее дефицит точки росы с температурой насыщения надо льдом Tн.л:   Тн.л = -8(Т-Тd).
 На аэрологическую диаграмму наносится кривая значений Т„. л, определенных с точностью до десятых долей градуса , и выделяются слои, в которых Г^Г,,, л. В этих слоях прогнозируется возможность обледенения самолета.
 Интенсивность обледенения оценивается с помощью следующих правил:
 1) при Т — Та = 0°С обледенение в облаках АБ, (в виде изморози) будет от слабого до умеренного;
 в St, Sc и Cu (в виде чистого льда) — умеренное и сильное;
 2) при Т—Та>0°С в чисто водяных облаках обледенение маловероятно, в смешанных — преимущественно слабое, в виде изморози.
 Применение этого метода целесообразно при оценке условий обледенения в нижнем двухкилометровом слое атмосферы в случаях хорошо развитых облачных систем с малым дефицитом точки росы.
 Интенсивность обледенения самолета при наличии аэрологических данных можно определить по номограмме.

 Здесь отражена зависимость условий обледенения ог двух легко определяемых на практике параметров — высоты нижней границы облаков Ннго и температуры Тнго на ней. Для скоростных самолетов при положительной температуре поверхности самолета вводится поправка на кинетический нагрев (смотри таблицу выше), определяется та отрицательная температура окружающего воздуха, которая соответствует нулевой температуре поверхности; затем находится высота расположения этой изотермы. Полученные данные используются вместо величин Тнго и Ннго.
 Применять график для прогноза обледенения целесообразно лишь при наличии фронтов или внутримассовой облачности большой вертикальной мощности (около 1000 м для St, Sc и более 600 м для Ас).
 Умеренное и сильное обледенение указывается в зоне облачности шириной до 400 км перед теплым и за холодным фронтом у поверхности земли и шириной до 200 км за теплым и перед холодным фронтом. Оправдываемость расчетов по этому графику составляет 80 % и может быть повышена путем учета излагаемых ниже признаков эволюции облачности.
 Фронт обостряется, если он расположен в хорошо оформленной барической ложбине приземного давления; контраст температуры в зоне фронта на АТ850 более 7°С на 600 км (повторяемость более 65% случаев); наблюдается распространение падения давления на зафронтальную область или превышение абсолютных значений предфронтального падения давления над ростом давления за фронтом.
 Фронт (и фронтальная облачность) размываются, если барическая ложбина в приземном поле давления слабо выражена, изобары приближаются к прямолинейным; контраст температуры в зоне фронта на АТ850 менее 7°С на 600 км (повторяемость 70% случаев); рост давления распространяется на предфронтальную область, или абсолютные значения зафронтального роста давления превышают значения падения давления перед фронтом; отмечается выпадение непрерывных продолжительных осадков умеренной интенсивности в зоне фронта.
 Об эволюции облачности можно также судить по значениям Т—Тd на данном уровне или в прозондированном слое: уменьшение дефицита до 0—1 °С свидетельствует о развитии облаков, увеличение дефицита до 4 °С и более — о размывании.
 Для объективизации признаков эволюции облаков К. Г. Абрамович и И. А. Горлач исследовали возможность использования аэрологических данных и сведений о диагностических вертикальных токах. Результаты статистического анализа показали, что локальное развитие или размывание облаков хорошо характеризуется предшествующими 12-часовыми изменениями в районе пункта прогноза следующих трех параметров: вертикальных токов на АТ700, бт7оо, сумм дефицитов точки росы на АТ850 и АТ700 и общего влагосодержания атмосферы δW*. Последний параметр представляет собой количество водяного пара в столбе воздуха сечением 1 см2. Расчет W* проводится с учетом данных о массовой доле водяного пара q полученных по результатам радиозондирования атмосферы или снятых с кривой точек росы, построенной на аэрологической диаграмме.
 Определив 12-часовые изменения суммы дефицитов точки росы, общего влагосодержания и вертикальных токов, уточняют локальные изменения состояния облачности с помощью номограммы.
Порядок проведения расчетов показан стрелками.
 Следует иметь в виду, что локальный прогноз эволюции облаков позволяет оценить лишь изменения интенсивности обледенения. Использованию этих данных должен предшествовать прогноз обледенения в слоистообразных фронтальных облаках с помощью графика с учетом следующих уточнений:
 1. При развитии облаков (сохранении их в неизменном состоянии)— в случае попадания в область I следует прогнозировать умеренное до сильного обледенение, при попадании в область II — слабое до умеренного обледенение.
 2. При размывании облаков — в случае попадания в область I прогнозируется слабое до умеренного обледенение, при попадании в область II — отсутствие обледенения или слабое отложение льда на самолете.
 Для оценки эволюции фронтальных облаков целесообразно также использовать последовательные спутниковые снимки, которые могут служить для уточнения фронтального анализа на синоптической карте и для определения горизонтальной протяженности фронтальной облачной системы и ее изменения во времени.
 О возможности умеренного или сильного обледенения для внутримассовых положений можно сделать вывод на основании прогноза формы облаков и учета водности и интенсивности обледенения при полете в них.
 Полезно также принимать во внимание сведения об интенсивности обледенения, полученные с рейсовых самолетов.
 Наличие аэрологических данных позволяет определить нижнюю границу зоны обледенения с помощью специальной линейки(или номограммы) (а).
По горизонтальной оси в масштабе аэрологической диаграммы откладывается температура, а по вертикальной — в масштабе давления отмечается скорость полета самолета (км/ч). Наносится кривая значений —ΔТкин, отражающая изменение кинетического нагрева поверхности самолета во влажном воздухе при изменении скорости полета. Для определения нижней границы зоны обледенения необходимо правый обрез линейки совместить с изотермой 0°С на аэрологической диаграмме, на которой нанесена кривая стратификации Т (б). Затем по изобаре, соответствующей данной скорости полета, смещаются влево до кривой —ΔТкин, проведенной на линейке (точка А1). От точки А1 смещаются по изотерме до пересечения с кривой стратификации. Полученная точка А2 укажет уровень (по шкале давления), начиная с которого наблюдается обледенение.
 На рис.(б) приведен также пример определения минимальной скорости полета, исключающей возможность обледенения. Для этого по заданной высоте полета определяется точка В1 на кривой стратификации Т, затем смещаются по изотерме до точки В2. Минимальная скорость полета, при которой обледенение наблюдаться не будет, численно равна значению давления в точке В2.
 Для оценки интенсивности обледенения с учетом стратификации воздушной массы можно использовать номограмму:
На горизонтальной оси (влево) на номограмме отложена температура Тнго, на вертикальной оси (вниз)—интенсивность обледенения / (мм/мин). Кривые в левом верхнем квадрате — изолинии вертикального градиента температуры, радиальные прямые в правом верхнем квадрате — линии равной вертикальной мощности облачного слоя (в сотнях метров), наклонные линии в нижнем квадрате — линии равных скоростей полета (км/ч). (Так как до конца редко читают, предположим, что Pi=5) Порядок проведения расчетов показан стрелками. Для определения максимальной интенсивности обледенения мощность облаков оценивается по верхней шкале, обозначенной цифрами в кружках. Оправдываемость расчетов по номограмме составляет 85—90 %.