Наверняка вы замечали, что перед взлетом фюзеляж воздушного судна обрабатывают специальным раствором. Этот раствор называется противообледенительной жидкостью, или ПОЖ. Она была создана для борьбы с обледенением поверхности самолетов, и именно благодаря такой предполетной обработке удается избежать невероятного количества авиакатастроф. Но какой именно принцип лежит в основе работы этого вещества? Исследование образцов ПОЖ с помощью сканирующей зондовой микроскопии позволило изучить физику защиты от обледенения.
Концепция «чистого самолета» предусматривает необходимость полной очистки его поверхности от наледи, снега и любых других загрязнений. Это вызвано крайней чувствительностью аэродинамических свойств летательного аппарата даже к незначительным изменениям геометрических параметров фюзеляжа и крыла. Кроме этого, обледенение может вызвать полную или частичную блокировку рулевых поверхностей. Все это чревато крайне нежелательными последствиями. Для предотвращения этих явлений соответствующие правила предусматривают обработку противообледенительной жидкостью самолета перед вылетом.
Причины образования наледи
При температуре, близкой к отрицательным значениям, происходит кристаллизация воды, находящейся в атмосфере. Это может происходить в форме появления инея либо кристаллов льда, оседающих на поверхности самолета. Иногда это является следствием атмосферных осадков, наиболее неприятными из которых являются так называемые ледяные дожди. Зачастую влага попадает на поверхность машины в процессе руления на аэродроме. Для борьбы с этим естественным природным явлением применяются противообледенительные жидкости либо механическая очистка самолета, которая является довольно трудоемким и продолжительным процессом. Однако в военной авиации она по-прежнему является главным способом и входит в обязанности экипажа.
ИССЛЕДОВАНИЕ
Мы изучили, как на молекулярном уровне выглядит раствор противообледенительной жидкости на основе этиленгликоля.
Сначала мы получили изображения неразбавленного образца (рис. 4). Жидкость наносилась на поверхность слюды, и после высыхания слюда помещалась в сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан. Видно, что раствор настолько концентрированный, что он не может равномерно распределиться по поверхности.
Рис. 4. Изображение поверхности неразбавленного образца ПОЖ
Водный раствор ПОЖ, разведенный в пропорции 1:100, выглядит уже совершенно иначе (рис. 5).
Регламентация
В России действует ГОСТ Р54264-2010, описывающий методы и процедуры применения противообледенительной жидкости для самолетов. Положения этого ГОСТа унифицированы с международными стандартами ISO 11075 и ISO 11078. Существующая мировая практика предусматривает обязательное тестирование всех противообледенительных жидкостей в специальных лабораториях и публикацию списков жидкостей, разрешенных к использованию. Такие публикации находятся в открытом доступе. В России этим занимается Федеральное агентство воздушного транспорта. На текущий осенне-зимний период разрешены к применению следующие жидкости: тип I – «Арктика ДГ», Safewing EG I 1996 (88), «АВИАФЛО ЕГ» (AVIAFLO EG), OCTAFLO EG, Oktaflo Lyod, «ДЕФРОСТ ЕГ 88.1». Для типа II разрешена к использованию только одна жидкость: Safewing MP II FLIGHT. Тип III в аэропортах России не применяется, поскольку в перечне Росавиации этот тип отсутствует. Для типа IV можно использовать Safewing MP IV LAUCH, Max Flight Sneg, Max Flight 04, Max Flight AVIA и Safewing EG IV NORT.
КАК РАБОТАЕТ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП
Главный инструмент сканирующего зондового микроскопа — тонкая кремниевая игла (кантилевер) толщиной около 3–5 микрометров, заостренная на конце. На нее попадает лазерный луч, который, отражаясь, оказывается на фоточувствительной матрице, или фотодиоде (рис. 2). Игла скользит по поверхности образца, следуя за всеми неровностями и шероховатостями, и ее положение изменяется, а значит, меняется и положение лазерного луча на фотодиоде. Данные с фотодиода конвертируются в данные о положении кантилевера, и мы получаем визуализированную информацию о его траектории — т. е. мы не смотрим на объект, а ощупываем его. Преимущество этого метода в том, что мы не ограничены таким понятием, как дифракционный предел, а это значит, что мы можем получить информацию об отдельных молекулах, ощупывая их.
Рис. 2. Принцип работы сканирующего зондового микроскопа
Рис. 3. Сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан
ВИДЫ ПРЕДПОЛЕТНОЙ ОБРАБОТКИ
Существуют разные методы борьбы с обледенением самолетов: тепловые, механические и химические (с помощью противообледенительной жидкости). Химический метод — самый распространенный — основан на следующем эффекте: при попадании на поверхность воздушно-транспортного средства нагретая до 60 °С жидкость удаляет ледяные образования и остается на поверхности, препятствуя последующему обледенению (рис. 1).
В настоящий момент существуют четыре типа ПОЖ, различающиеся по виду действия и предназначения Тип I — это незагущенная жидкость, вязкость которой не изменяется при перемешивании. Такая жидкость действует очень малое время и используется для удаления льда, уже намерзшего на фюзеляже и крыльях самолета. Реже ее применяют для защиты от образования нового льда. Остальные три типа ПОЖ применяются в тяжелых погодных условиях и при долгом ожидании взлета, защищая корпус от обледенения. Они загущены и остаются на поверхности самолета намного дольше, постепенно разрушаясь во время полета.
Рис. 1. Обработка самолета перед вылетом
В настоящий момент существуют четыре типа ПОЖ, различающиеся по виду действия и предназначения. Тип I — это незагущенная жидкость, вязкость которой не изменяется при перемешивании. Такая жидкость действует очень малое время и используется для удаления льда, уже намерзшего на фюзеляже и крыльях самолета. Реже ее применяют для защиты от образования нового льда. Остальные три типа ПОЖ применяются в тяжелых погодных условиях и при долгом ожидании взлета, защищая корпус от обледенения. Они загущены и остаются на поверхности самолета намного дольше, постепенно разрушаясь во время полета.
Авиакатастрофы
Несмотря на то что явление обледенения корпуса самолета давно и хорошо изучено, из-за пренебрежения правилами авиационной безопасности катастрофы продолжают происходить. Некоторые из них – крушение самолета CRJ “Белавиа” в Ереване в 2008 году, катастрофа в Сочи в декабре 2016 года и совсем недавнее крушение самолета Ан-148 в текущем году. Поэтому недовольство пассажиров, вызванное задержкой вылета из-за необходимости противообледенительной обработки, мягко говоря, не оправдано.
Типы обработки
Применяются два основных типа предполетной обработки самолета. При благоприятных условиях ограничиваются очисткой воздушного судна в один этап. Обычно это делается еще до подачи самолета для посадки пассажиров. С самолета просто убираются снежные и прочие отложения при помощи противообледенительной жидкости типа I. В случаях наличия повышенного риска обледенения поверхностей, обработку проводят в два этапа. Сначала – уже описанным способом, а затем, непосредственно перед выполнением взлета, проводят обработку противообледенительной жидкостью типа II, III или IV. Решение о проведении обработки принимают совместно командир воздушного судна и диспетчер аэропорта. При этом если один из них за, а другой – против, обработка все равно производится.
Какие бывают жидкости
Существует четыре типа противообледенительной жидкости. Стандартно их тип обозначается римскими цифрами с первой по четвертую. Ниже приведено краткое описание этих жидкостей:
Все жидкости используются в разбавленном водой виде, нормы содержания воды в жидкости для каждого типа строго регламентированы и зависят от погодных условий. Температура замерзания жидкости должна быть ниже не менее чем на 10 градусов по отношению к температуре окружающей среды. При этом смешивать между собой противообледенительные жидкости разных типов категорически запрещено. Запрещено также смешивать жидкости одного типа, но от разных производителей. На гражданских аэродромах основным типом является жидкость IV типа.
ЧТО МЫ ВИДИМ?
Этиленгликоль представляет собой короткие молекулы, и именно их мы видим на изображении в виде светлых точек. Структура самой молекулы не распознается, так как кончик кантилевера имеет конечные размеры порядка размеров такой молекулы.
Длинные линии — это молекулы загустителя, который добавляют для увеличения вязкости раствора, т. е. для того, чтобы жидкость как можно дольше оставалась на поверхности фюзеляжа. Интересно, что этиленгликоль имеет температуру замерзания –12 °С, но при смешивании с водой она может измениться до –70 °С при определенном соотношении компонент.
Рис. 5. Изображение поверхности образца ПОЖ, разбавленного водой 1:100. На поверхности видны отдельные молекулы этиленгликоля (светлые точки) и загустителя (длинные линии)
Видно, что молекулы этиленгликоля распределились по поверхности достаточно равномерно. То есть при попадании на такую поверхность молекулы воды не смогут образовать устойчивую структуру в несколько сотен молекул, которая являлась бы зародышем льда. А это значит, что жидкость, разработанная специально для защиты от обледенения, отлично справляется со своей задачей.
Статья была опубликована в июньском номере журнала “Наука и техника” за 2019 год
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Оборудование для обработки
Для обработки самолетов применяются специальные машины на платформе грузовых автомобилей. Они оснащены телескопическими штангами с поворотными форсунками для распыления противообледенительной жидкости. Кабина оператора снабжена отопительным устройством, а сама машина оборудована датчиками и сигнальной подсветкой, позволяющими подходить максимально близко к самолету, не задевая его. Для обработки труднодоступных участков, например днища самолета, предусмотрены отдельные шланги с распылителями.
Обработка самолета противообледенительной жидкостью служит исключительно для защиты машины на земле, до момента взлета, когда остатки этой жидкости сдуваются встречным воздушным потоком. В дальнейшем, непосредственно в полете, каждый самолет использует свои штатные противообледенительные системы.
СОСТАВ
Чтобы понять, как противообледенительная жидкость защищает корпус воздушно-транспортного средства от обледенения, поговорим о ее составе. В состав ПОЖ входит около 60 % этиленгликоля, а также загустители, антикоррозийные присадки, поверхностно-активные вещества и вода.
Чтобы проверить, как ведет себя разбавленная водой жидкость при нанесении на поверхность, мы использовали метод сканирующей зондовой микроскопии.
Чтобы понять, как противообледенительная жидкость защищает корпус воздушно-транспортного средства от обледенения, поговорим о ее составе. В состав ПОЖ входит около 60 % этиленгликоля, а также загустители, антикоррозийные присадки, поверхностно-активные вещества и вода. Чтобы проверить, как ведет себя разбавленная водой жидкость при нанесении на поверхность, мы использовали метод сканирующей зондовой микроскопии.
Продолжение статьи читайте в июньском номере журнала “Наука и техника” за 2019 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
На нашем сайте вы можете приобрести уникальные монографии-фотоальбомы Анатолия Верстюка, посвященные эскадренным миноносцам. В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
Производители
Формально противообледенительные жидкости для самолетов не отличаются слишком сложным химическим составом и не требуют особых высокотехнологичных мощностей для производства, но входной билет на этот рынок имеет довольно высокую цену. Необходимость аккредитации, прохождения многоступенчатых тестов в окружении сильных конкурентов с многолетним опытом и репутацией – все это сильно осложняет выход на рынок новым производителям.
В настоящее время основными торговыми марками являются американские и канадские Killfrost, Safewing, Octaflo, Maxflight. В последнее время заметна продукция немецкой фирмы Clarion. Из отечественных марок можно назвать жидкость I типа “Арктика”. Как видно из приведенного выше перечня разрешенных к применению жидкостей, отечественный производитель допущен к производству только противообледенительной жидкости типа 1. Вместе с тем на территории страны работают российские предприятия, производящие по лицензии и полученным технологиям продукцию западных торговых марок. В частности это московское ЗАО «Октафлюид», работающее совместно с американцами, а также нижнекамская фирма “Арктон”. Объем потребления жидкостей всех типов только в московских аэропортах оценивается в 12 тысяч тонн в год. Поэтому запас противообледенительных жидкостей в аэропорту должен быть достаточно велик.
