Испытание льдом на высоте
Несмотря на пандемию коронавируса, ОАК не приостанавливала работу над новыми гражданскими самолетами. В частности, по плану продолжаются испытания будущего флагмана российской авиации МС-21-300. Самолет уже «искупали» в бассейне – лайнер выдержал проверку по защите от попадания воды в двигатели. На днях МС-21 успешно завершил сертификационные испытания в условиях естественного обледенения. О том, чем так опасен лед для самолета и как проводятся летные испытания в условиях обледенения – в нашем материале.
В процессе летной эксплуатации лайнеры подвержены большому количеству факторов, которые могут стать причиной аварии или даже катастрофы. В число подобных опасностей, на ровне с турбулентностью, электрическими разрядами атмосферы, столкновением с птицами, стоит проблема обледенения частей летательных аппаратов. Мировая статистика показывает, что доля авиапроисшествий, возникающих из-за сложных метеорологических условий, очень значительна. Процент катастроф, связанных с обледенением, превышает 40%.
Если причиной обледенения на земле до начала полета, как правило, является человеческий фактор, то в небе самолет остается один на один в борьбе со льдом. Когда воздушное судно во время полета на высоте до 5000 метров оказывается в холодном облаке с высоким уровнем влажности, плоскости летательного аппарата начинают покрываться толстым слоем льда. Как правило, наиболее располагающая к этому процессу температура воздуха от 0 до –5 градусов по Цельсию.
«Облако за бортом самолета имеет температуру минус 40 градусов. Но это облако состоит из жидких, не кристаллических капель. Это метастабильное состояние капель может существовать в атмосфере достаточно длительное время, порядка нескольких часов и даже суток», – объясняет Алексей Горячев, начальник отдела ЦИАМ.
Скорость обледенения в зависимости от условий может составлять от 1 до 6 мм в минуту. Быстрее всего оно происходит при выпадении мокрого снега или переохлажденного дождя. Известны случаи, когда ледяная корка на самолете нарастала со скоростью 2,5 сантиметра в минуту.
Наиболее подвержены обледенению такие части самолета, как передняя кромка крыла, хвостовое оперение, воздухозаборники двигателя, выступающие в воздушный поток датчики и остекление кабины. Опасность для двигателя представляют куски льда образовавшиеся на воздухозаборниках двигателей. Если ПОС воздухозаборника не работает, наросший лед достигает критических размеров и срывается, что может привести к повреждению лопаток вентилятора двигателя и привести к его остановке. Приемники воздушных давлений, выступающие в воздушный поток также подвержены обледенению. В случае если их обледенения пилоты теряют высотно скоростные параметры и в условиях плохой видимости могут неверно определить пространственное положение самолета, что уже привело к одной крупной катастрофе А330.
Но наибольшая опасность обледенения заключается в том, что корка льда способна привести не только к серьезному ухудшению аэродинамических характеристик воздушного судна, но и к снижению подъемной силы вплоть до полной потери несущей способности крыла. Именно подобное изменение профиля крыла и хвостового оперения привела к катастрофе ATR 72 под Тюменью в 2012 году.
В России и за рубежом проблему обледенения специалисты изучают с конца 1930-х годов. C началом развития гражданской авиации в 1960-х годах, данным вопросом стали заниматься более широко. В настоящее время органы сертификации во всем мире уделяют пристальное внимание вопросу безопасности полета в условиях обледенения. В 2004 требования к авиапроизводителям по безопасности полетов в условиях обледенения были ужесточены. Самолет должен подтвердить способность безотказно работать в самых критических режимах.
При проектировании современных лайнеров в ожидаемые условия эксплуатации обязательно входят условия обледенения. Их оснащают противообледенительными системами, которые предотвращают появление ледяного слоя с помощью подогрева, а также обрабатывают специальными водоотталкивающими жидкостями. Далее каждую новую модель испытывают на устойчивость к обледенению.
Без проведения испытаний при воздействии сложных климатических условий ни один самолет не может быть допущен к полетам. В последние годы, по мере усложнения авиационной техники и интенсификации ее использования, во всем мире наметилась тенденция к росту количества и сложности таких испытаний. Так в России Научно-испытательный центр Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) давно занимается этим направлением, создавая стенды, которые позволяют проводить уникальные сертификационные испытания. Здесь была изготовлена установка, позволяющая изучать поведение двигателя в условиях образования ледяных кристаллов. В испытательной камере моделируется ситуация нахождения самолета в переохлажденном атмосферном облаке на большой высоте.
Следующим этапом проверки самолета на устойчивость к обледенению являются летные испытания, которые включают в себя два этапа – полеты в условиях естественного обледенения и полеты с имитаторами льда. На первом этапе специалистами проводится оценка работы не только противообледенительной системы, но и систем радиосвязи, навигации, систем измерения воздушной скорости и высоты полета. Проверяется общая способность самолета сопротивляться ухудшению аэродинамических характеристик в подобных условиях.
Испытания на естественное обледенение в России обычно проводят в районе между Мурманском и Архангельском, на побережье Белого моря. Здесь в начале весны наблюдаются самые благоприятные условия для образования естественного обледенения. Влажность до 80% и наличие облачности с высокой водностью, температура ниже нуля – все это обеспечивает активное нарастание льда на плоскостях самолета. Именно здесь недавно прошли испытания МС-21-300. Самолет совершил 14 испытательных полетов продолжительностью от 3 до 5 часов над побережьем Белого моря, Печорской губой Баренцева моря, южнее Новой Земли, а также в районе Приполярного Урала.
Испытательные полеты проходили в несколько этапов. Вначале экипаж вел поиск подходящих облаков с нужным уровнем обледенения. Пролетая сквозь такие облака, с помощью специальных приборов пилоты контролировали образование льда на поверхностях самолета. Как только требуемая толщина льда была достигнута, самолет занимал заданную высоту. С каждым последующим полетом ледяной слой становился толще. Даже покрывшись слоем льда толщиной 8 см, лайнер подтвердил расчетные летно-технические характеристики. Отметим, что, согласно российским и европейским нормам, расчетные характеристики должны сохраняться при слое льда толщиной 7,6 см.
В условиях естественного обледенения прошли проверку устойчивость и управляемость МС-21-300, и, конечно, работа противообледенительных систем самолета. Согласно действующим нормам, самолет должен продолжать полет и безопасно покинуть условия обледенения даже при ее отказе. Также в условиях обледенения проверяется работа ряда других систем лайнера, например, радиосвязной аппаратуры и шасси.
После самолеты обязательно отлетают и с имитаторами льда. Машину обклеивают деталями, буквально повторяющими настоящее льдообразование различных форм: «взлетный лед», «лед набора высоты» и самый толстый – трехдюймовый «лед ожидания». Когда-то эти имитаторы изготавливались из дерева, затем для имитации натурального льда стали применять стеклопластик и эпоксидные смолы. Конструкция подгоняется под крыло прямо на месте и устанавливается с помощью различных креплений. В последнее время специалисты все чаще прибегают к 3D-прототипированию. Полимерный «лед», напечатанный на принтере, даже внешне похож на реальный. Так современные технологии позволяют сделать процесс сертификации менее трудоемким и избежать неточностей в процессе тестирования, что в итоге повышает безопасность полетов.