Исследование влияния обледенения на летно-технические характеристики воздушных судов на примере Boeing-737

Увеличение числа воздушных судов в мире и числа перелётов обуславливает увеличение абсолютного числа случаев авиационных происшествий и катастроф. Проанализировав характер авиакатастроф, происходящих в настоящее время, лондонский «Экономист» приводит характеристику летных происшествий с самолетами (рис. 1.1), согласно которой, почти половина погибших в катастрофах, лишились жизни в самолете, при столкновении с землей [1]. Рисунок 1.1 – Распределение катастроф по фазам полета Классификация летных происшествий (по рекомендации ИКАО) иллюстрирована на рис. 1.2. Рисунок 1.2 – Роль и место обледенения в типах и фазах полета На рисунке иллюстрированы события в фазах полета прямо или косвенно связанные с обледенением. Современная статистика свидетельствует о интегральном (за период 10-20 лет) снижении числа авиационных происшествий в мире (рис. 1.3). Коэффициент погибших на 100 миллионов пассажиро-километров за последние 20 лет снизился с 0, 025 в 2000 году до 0, 017 в 2010 м. Статистика летных происшествий за последние 20 лет позволяет аккумулировать перечень основных причин, приводящих к авиапроисшествиям, четыре основные группы (рис. 1.4).

Под обледенением воздушных судов понимается быстрое образование ледяной корки на кромках и поверхностях находящегося в полете самолета. Обычно это происходит при полете в облаках, тумане, дожде или мокром снеге при температурах ниже 0° [10, 12]. Кроме увеличения коэффициентов лобового сопротивления и уменьшения подъемной силы, образовавшийся на кромках и частях фюзеляжа лед может значительно изменить форму профиля, отчего возникают явления вибрации у концов крыльев и в хвостовом оперении. Наиболее интенсивные отложения чистого льда наблюдаются на лобовых частях и кромках крыльев самолета и представляют плотный и тяжелый налет; образование чистого льда происходит быстро, иногда со скоростью до 2-3 см в минуту (рис. 2.1). Рисунок 2.1 – Форма профиля крыла при отложении чистого льда Второй тип - непрозрачный лед с шероховатой поверхностью (рис. 2.2). Рисунок 2.2 – Форма профиля крыла при отложении льда с шероховатой поверхностью Третий вид обледенения – изморозь, которая считается редкой формой льдообразования на кромках крыльев и оперения самолетов. В образовании изморози главную роль играет также замерзание переохлажденных водяных капель при более низких температурах, чем и объясняется зернистая структура этого вида обледенения. Изморозь менее плотно «прилипает» к поверхности самолета и при вибрации последнего в полете это отложение удаляется. Но, при низких температурах прочность этого вида обледенения возрастает и при продолжительном полете оно достигает опасных размеров. Кроме того, неправильная форма отложений нарушает обтекаемость деталей самолета и увеличивает воздушное сопротивление в полете. Четвертый вид обледенения — иней (frost), представляющий собой легкий мелкокристаллический налет, подобный тому, какой наблюдается ранним утром на наземных предметах. Общая классификация форм льдообразований включает 4 основных типа формы (рис.2.3). Клинообразный нарост (рис. 2.3. a) образуется при температуре наружного воздуха - 10... 15°C и ниже [12].

Boeing 737 – узкофюзеляжный пассажирский самолёт, киль и стабилизатор, которого не отапливаемы. Антиобледенительная система крыла (WAI) эффективна и обычно используется в качестве противообледенительной системы в полете продолжительностью 1 минуту. На земле возможно постоянное в условиях обледенения. Логика переключения WAI заключается в следующем: на земле отбор воздуха для WAI отключится, если любой из рычагов тяги окажется выше настройки предупреждения о взлете, но будет восстановлен после уменьшения тяги. Это позволяет запускать двигатель и т. д. без необходимости после этого проверять, включен ли WAI. Противообледенительная обработка самолёта Boeing 737-300/400/500 осуществляется в соответствии с руководством по технической эксплуатации Aircraft Maintenance Manual (АММ) Chapter 12-33-00: 1) перед началом противообледенительной обработки воздушного судна Боинг 737, необходимо установить стабилизатор в положение 5 единиц. По окончании перевести стабилизатор в прежнее положение. 2) Противообледенительную обработку воздушного судна производить по направлению от передней кромки стабилизатора к задней, минимизируя попадание жидкости на хвостовую часть фюзеляжа. 3) Струю противообледенительной жидкости не направлять на приемники воздушного давления, установленные с обоих сторон киля и входное устройство ВСУ. 4) По окончании противообледенительной обработки тщательно осмотреть зоны передней части фюзеляжа с которых жидкость может стекать на лобовые стекла во время руления и взлета. Эти зоны должны быть очищены (рис. 3.1).

Проведенный анализ причин летных происшествий, вызванных прежде всего метеоусловиями и отказами противоболеденительных систем воздушных судов в полете свидетельствует, что на фазах взлета, захода на посадку и приземления главную, ранжированную угрозу в условиях облаков, туманов, снегопадов и резких сдвигов ветра несут обледенение внешних поверхностей, кромок и двигателей воздушных судов, что подтверждает актуальность темы работы, связанной с исследованием влияния обледенения на летно-технические характеристики воздушных судов на примере Boeing-737. В результате проведенных исследований: 1) систематизирован обзор авиакатастроф по причинам обледенения воздушного судна; 2) проведен анализ основных условий и аналитики летных происшествий по причине обледенения; 3) проанализированы метеорологические параметры и организационно-технические условия обледенения воздушных судов; 4) проведена классификация бортового оборудования противообледенительных систем; 5) рассмотрены и исследованы противообледенительные системы бортового оборудования Boeing-737; 6) проведен расчет изменений аэродинамических характеристик самолета Boeing-737 в условиях обледенения. Все задачи выполнены в полном объеме, цель работы достигнута.

1. Муромов А.И. «100 великих авиакатастроф». – М.: Вече, 2004 349с. 2. Сладкова Л.А. Анализ статистики авиакатастроф // Научные достижения и открытия. 2019. С. 18-25. 3. Дьячков Д.В., Золотарев О.В. Анализ статистики авиакатастроф на основе исследования множества факторов. [Электронный ресурс] - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45793656. 4. Грабкова В., Тарасова С., Покровская В., и др. Влияние обстоятельств и факторов крушения самолета на число жертв авиационного происшествия. [Электронный ресурс] - URL: https://rpubs.com/vopokrovskaya/739117. 5. Boeing Statistical Summary 1959-2017. URL: https://cdn.aviation-safety.net/ airlinesafety/industry/reports/Boeing-Statistical-Summary-1959-2017.pdf. 6. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения. 7. ГОСТ Р 56079-2014. Изделия авиационной техники. Безопасность полета, надежность, контролепригодность, эксплуатационная и ремонтная технологичность. Номенклатура показателей. 8. Афанасьева Ю.С., Богаткин О.Г. Оценка влияния метеорисков на экономическую эффективность полетов ВС // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации, 2018. № 2. с.117-124. 9. Recommendations for De-Icing/Anti–Icing of Aircraft on the Ground, Association of European Airlines. 10. Doc 9640, Manual of Aircraft Ground De-icing/Anti-icing Operations Order Number: 9640. ICAO 2018. 11. Мазин И.П. Физические основы обледенения самолетов. - М.: Гидрометеорологическое издательство, 1957. 231 с. 12. Богаткин О.Г. Основы авиационной метеорологии. – СПБ: Изд. РГГМУ, 2009. 339 с. 13. Инструкция по метеорологическому обеспечению полетов воздушных судов на аэродроме Раменское. – Жуковский, 2020. 21 с. 14. The Boeing 737 Technical site. [Электронный ресурс] - URL: http://www.b737.org.uk. 15. Cao Y., Zhang Q. Sheridan J., Numerical simulation of rime ice accretions on an aerofoil using an Eulerian method // The aeronautical journal. – 2008. – p. 243. 16. Yihua Cao, Junsen Huang, Jun Yin, Numerical simulation of three-dimensional ice accretion on an aircraft wing // Elsevier- Int. J. of Heat and Mass Transfer. – 2016. – V. 92. – p. 34-54. 17. Bidwell C., Mohler S. Collection Efficiency and Ice Accretion Calculations for a Sphere, a Swept MS(1)-317 Wing, a Swept NACA-0012 Wing Tip, an Axisymmetric Inlet, and a Boeing 737-300 Inlet // AIAA Paper. – 1995. – V. 95. – № 0755. 18. Алексеенко С.В., Приходько А.А. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ. – 2013. – том XLIV. – № 6. – с. 25-57. 19. Власенко В.В., Кажан Е.В., Матяш Е.С., Михайлов С.В., Трошин А.И. Численная реализация неявной схемы и различных моделей турбулентности в расчетном модуле ZEUS // Труды ЦАГИ. – 2015. – №2735. 20. Ломоносов М. В. Схема Бернулли с замыканием, Проблемы передачи информации, 1994, том 10, выпуск 1, С. 91–101. 21. Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973. 301 с. 22. Райгородский А.М. Случайные графы // Математика в задачах, М.: МЦНМО, 2009. С. 312-315. 23. Bollob´as B. Riordan O. The diameter of a scale-free random graph // Combinatorica. 2004. V. 24, №1. P. 5-34.