CC BY
124
УДК 531.768.082.14
К.В. Зуев
магистрант, кафедра авиационных приборов и устройств,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Б.А. Миркин
канд. техн. наук, доцент, кафедра авиационных приборов и устройств,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ОТ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
Аннотация. Рассмотрены применяемые в настоящее время датчики образования льда систем защиты летательных аппаратов от обледенения. Показано, что перспективным направлением модернизации такой системы является замена электромеханических датчиков емкостными. Отмечено, что емкостной датчик обеспечивает более высокую чувствительность при малой толщине ледяной пленки. Важным преимуществом емкостного датчика по сравнению с вибрационным электромеханическим являются также конструктивная простота и более высокая надежность.
Ключевые слова: летательный аппарат, обледенение, сигнализатор, модернизация, емкостный датчик.
K.V. Zujev, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
B.A. Mirkin, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
MODERNIZATION OF THE SYSTEM FOR THE PROTECTION OF AIRCRAFT AGAINST ICING
Abstract. There are described the current sensors forming ice protection systems of aircraft icing. It is shown that promising modernization of this system is the replacement of electromechanical sensors capacitive. Noted that the capacitive sensor provides higher sensitivity at low thickness ice film. An important advantage of capacitive sensor compared with oscillation electromechanical are also constructive simplicity and higher reliability.
Keywords: aircraft icing, strobe, modernization, capacitive sensor.
В настоящее время в системах защиты летательных аппаратов от обледенения широко применяются электромеханические и радиоизотопные сигнализаторы образования ледяной пленки.
Серийно выпускаемый электромеханический (вибрационный) сигнализатор обледенения типа СО-121ВМ состоит из датчика сигнализации льда ДСЛ-40Т и электронного преобразователя ПЭ-11М.
Принцип действия этого сигнализатора основан на изменении частоты собственных колебаний чувствительного элемента (мембраны) датчика при появлении на нем пленки льда. Частота колебаний мембраны датчика является функцией ее жесткости, которая изменяется в зависимости от толщины образовавшегося слоя льда.
Функциональная схема сигнализатора приведена на рисунке 1.
Чувствительная часть датчика является резонансным элементом в цепи положительной обратной связи усилителя переменного тока, образуя вместе с ним автогенератор колебаний с частотой, равной резонансной частоте датчика.
Устройство чувствительной части датчика приведено на рисунке 2.
В результате оседания льда на мембране датчика повышается ее жесткость, а, следовательно, и частота колебаний. При этом увеличивается частота электрического сигнала на вы-
ходе усилителя-преобразователя, и в блок выходных команд поступает сигнал на включение обогрева датчика и выдачу сигнала «Обледенение».
Рисунок 1 - Функциональная схема сигнализатора обледенения СО-121ВМ
Рисунок 2 - Устройство чувствительной части датчика сигнализатора типа СО-121 ВМ: 1 - якорь; 2 - мембрана; 3 - постоянный магнит; 4 - обмотка возбуждения; 5 - обмотка съема сигнала; 6 - компенсирующий трансформатор; 7 - нагреватель; 8 - защитная скоба
После сброса льда с мембраны датчика частота колебаний восстанавливается, и сигнал на выходе усилителя-преобразователя исчезает. В случае наличия условий обледенения процесс повторяется.
Команда включения обогрева датчика и сигнал «Обледенение» имеют различную задержку по отпусканию, которая необходима для обеспечения непрерывности его действия при циклической работе датчика в зоне обледенения.
Достоинствами электромеханических сигнализаторов являются то, что сигнал об обледенении выдается только в том случае, когда обледенение действительно существует, а также то, что они не реагируют на дождь, снег, кристаллы льда, изменение скорости, высоты и наружной температуры; кроме того, они удовлетворительно работают в условиях клинообразного обледенения. Благодаря высокой надежности, вибро- и теплоустойчивости эти сигнализаторы обычно применяют в воздухозаборниках газотурбинных двигателей ЛА.
В связи с имеющимися претензиями к некоторым моментам изготавливаемого изделия, а именно сложности изготовления кронштейна с посадочным местом для вибратора, а также с трудностью поддержания его резонансной частоты (она может дрейфовать), возникла необходимость рассмотреть другие конструкции сигнализатора обледенения.
Вследствие малости эффекта сдвига частоты колебаний мембраны при ее обледенении - имеет смысл обратить внимание на другие идеи, позволяющие сконструировать устройства для обнаружения льда. Одна из них обусловлена тем свойством льда, что он имеет очень высокую величину диэлектрической проницаемости (ДП), величина которой при температуре 273 К на низких частотах превышает 90 (табл. 1).
Представленные данные показывают, что для обнаружения ледяной пленки при температурах, близких к точке фазового перехода воды в твердое состояние, целесообразно применять частоты от 100 до 1000 Гц.
Таблица 1 - Относительная диэлектрическая проницаемость льда
Частота, Гц Относительная диэлектрическая проницаемость льда, £л
при Т=233,15 К при Т=273,15 К
0 102,37 91,57
1 102,36 91,57
10 101,57 91,57
100 57,84 91,55
1000 4,38 89,93
10000 3,19 33,77
Это означает, что если в воздушном конденсаторе полностью заменить воздух льдом, то его первоначальная емкость возрастет примерно в 90 раз. Если же закрепить этот конденсатор на корпусе самолета, то при обледенении последнего он (конденсатор) тоже покроется льдом. Это возрастание емкости воздушного конденсатора при покрытии его пластин льдом и можно использовать как показатель начала процесса обледенения.
Выполним численные оценки абсолютной величины емкости такого датчика-конденсатора безо льда и при его наличии. Зададимся его геометрическими размерами. Будем исходить из следующего принципа: сохраним объем контейнера, содержащий прежний мембранный датчик с тем, чтобы вместо датчика-вибратора разместить в подобном объеме датчик-конденсатор с воздушными зазорами (при этом допустимы небольшие изменения сечения и объема). В частности, удобнее работать с квадратным поперечным сечением. Габаритные размеры контейнера примем такими, чтобы он вмещал параллелепипед с размерами 30*30х70мм3. Зададимся начальным зазором между обкладками конденсатора до образования ледяной пленки d = 0,5мм (рис. 3).
1
Рисунок 3 - Конденсаторный датчик обледенения: 1, 2 - металлические обкладки, 3 - воздушный зазор, 4 - слой льда
Емкость воздушного конденсатора, образованная одной парой пластин, составит
Ст = СоБМ ,
где £0 =8,8510-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная, 5 - площадь электродов, d - расстояние между электродами.
Рассмотрим характер изменения емкости этой пары при постепенном заполнении изоляционного промежутка льдом. При обледенении обе пластины покрываются пленкой льда. Для упрощения расчета емкости можно условно перенести верхний слой пленки вниз и объединить его с нижним. Емкость С0Л конденсатора, содержащего слой льда толщиной Л, в геометрии может быть подсчитана по соотношению
Сол = £в£О £л(С-Л) + £вЛ], где диэлектрическая относительная диэлектрическая проницаемость: для воздуха £в= 1,0006, а для льда £л = 91.
Результаты расчетов изменения емкости плоского конденсатора из двух пластин размером 30х70 мм2, с начальным промежутком 0,5 мм при постоянном нарастании на пластинах пленки льда толщиной Л приведены в таблице 2.
Таблицы 2 - Результаты расчетов изменения емкости плоского конденсатора
Толщина льда Емкость Коэффициент изменения емкости
h, мм С0Л , пФ k= С0л/ С01
0 37,2 1,0
0,05 41,2 1,1
0,1 46,3 1,24
0,2 61,5 1,65
0,3 91,3 2,45
0,4 178 4,78
0,45 338 9,08
0,46 412 11,1
0,47 528 14,2
0,48 734 19,7
0,49 1203 32,3
0,50 3344 90
Рост емкости С0Л в зависимости от толщины слоя льда представлен графически на рисунке 4.
Сол. пФ 200 ■ 180 ч 160 140 120 ■ 100 00 60 dO-20
0 -I-,-,-т-,-,
О 0,05 ОД 0,2 0,3 0,4 h, мм
Рисунок 3 - Изменение емкости между электродами в зависимости от толщины осаждающегося на их поверхности слоя льда
Анализ кривой С0Л=/(Л) показывает следующее. Ее важной особенностью является высокая чувствительность датчика к осаждению льда. Как видно из приведенных в таблице 2 результатов, при осаждении пленки льда толщиной 0,1мм (h = 0,2 мм) емкость возрастает на 65%.
Другой особенностью является резкое нарастание чувствительности при росте толщины этой пленки. При толщине пленки равной 0,15 мм (h = 0,3 мм) величина С0Л возрастает уже почти в 2,5 раза, а далее каждые 100 мкм увеличивают эффект роста емкости, так что при толщине льда 240 мкм ^=0,48мм) отношение k = С0Л/ С01= 20, а при соединении пленок с обеих сторон
(Л = 0,5мм) первоначальная емкость возрастает в 90 раз. Следует заметить, что рассмотренный емкостной датчик четко фиксирует пленки, толщина которых меньше толщины льда (0,3 мм), с которого начинает работать вибрационный датчик.
Таким образом, емкостный датчик обладает существенно более высокой чувствительностью и более прост в изготовлении. Также следует отметить более высокую надежность емкостного датчика, которая обусловлена отсутствием подвижных частей и намоточных элементов.
Что касается эффекта резкого возрастания емкости, то он проявляется в емкостном датчике только, когда зазор между ледяными пленками снижается до величин порядка 0,1 мм. (Если бы рассматривался случай, когда расстояние между пластинами было 1 мм, то эффект резкого роста произошел бы при толщине льда более 0,95 мм). Тем не менее, для надежной работы сигнализатора достаточно увеличения емкости даже на десятки процентов, наблюдаемого при зазорах 0,3...0,4 мм.
Список литературы:
1. Моэно Н. Наука о льде. - М.: Мир, 1988.
2. Ефимова М.Г. Основы авиации: учебное пособие. - М.: МГТУГА, 2005. - Часть 2: Конструкция и основные функциональные системы летательных аппаратов.
3. Лаборатория метеотехнологий: сайт. - Режим доступа: http://meteolab.ru/projects/ ^е1есМс/ (дата обращения: 13.12.2016).
