ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОБРАБОТКИ САМОЛЕТОВ Российский патент 2004 года по МПК C09K3/18 

Изобретение относится к технике наземной противообледенительной защиты воздушных судов при наличии условий их наземного обледенения.

Из предшествующего уровня техники известно, что обледенение самолета во время нахождения его на земле отличается от обледенения в полете. Если в полете лед образуется, как правило, лишь на лобовых частях самолета, то на земле лед обычно покрывает большую часть его поверхности: всю верхнюю часть крыльев и оперения, а также поверхность фюзеляжа. Главная опасность, связанная с наземным обледенением самолета, заключается в развитии на обледеневших поверхностях крыла и оперения самолета преждевременных (на меньших углах атаки) срывных явлений, что грозит на этапе взлета и набора высоты нарушением характеристик устойчивости и управляемости самолета, а также сваливанием самолета (см. О.К. Трунов. Безопасность взлета в условиях обледенения. М.: ГНИИГАР, 1995, с.17).

Основными средствами, используемыми в мировой практике для защиты воздушных судов от наземного обледенения, являются противообледенительные жидкости (ЛОЖ), которые обеспечивают как удаление льда, снега, изморози, инея, так и предотвращение их образования на поверхности воздушных судов в течение некоторого времени. К ПОЖ предъявляются следующие основные требования:
- высокая эффективность удаления всех видов наземного обледенения: инея, твердого (кристаллического) налета, изморози, льда;
- способность защищать поверхность самолета от образования льда в условиях замерзающих осадков (переохлажденный дождь, мокрый снег, морось) в течение некоторого времени;
- способность полного сброса (сдувания, стекания) жидкости с поверхности крыла при разбеге самолета (при скоростях, больших 160 км/ч);
- низкие энергозатраты при перекачке в условиях низких температур;
- безопасность при обращении с ней (нетоксичность);
- оказывать минимальное отрицательное влияние на окружающую среду (поскольку только 20-25% жидкости непосредственно участвует в противообледенительном процессе), так как большая часть жидкости стекает на землю во время обработки самолета либо сдувается с его поверхности ветром. Оставшаяся же на поверхности самолета жидкость обязательно сбрасывается при взлете и разносится вдоль взлетнопосадочной полосы и далее в полете.

Противообледенительные жидкости подразделяются на два типа: тип I и тип II. От ПОЖ типа I не требуется длительная защита самолета от повторного обледенения после облива самолета - он должен в считанные минуты подняться в воздух, а при подъеме сбросить ПОЖ вместе с растопленным льдом (снегом, инеем и т.д.) на землю. Течение ПОЖ типа I обычное ньютоновское.

От ПОЖ типа II требуется более длительная защита самолета, длительное противостояние переохлажденному дождю, понижению температуры и т.д. Для этого используют сильно загущенные составы с токсотропными свойствами и неньютоновским течением.

Настоящее изобретение относится к ПОЖ типа I.

Наибольшее распространение нашли ПОЖ на основе этиленгликоля и диэтиленгликоля. Гликоли служат для снижения температуры начала кристаллизации ПОЖ и представляют собой наряду с водой основные ее компоненты в концентрации от 40 до 95 мас.%.

В табл. 1 показаны современные основные технические характеристики ПОЖ типа I.

Известна противообледенительная жидкость для наземной обработки самолетов (PCT/W 093/24543,1998) - смесь гликоля, воды и загустителя, в качестве второго используют набухаемый в щелочи полимерный загуститель при следующем соотношении компонентов в мас.%: гликоль, например этиленгликоль 50-95; загуститель 1-5; остальное вода.

В патенте (RU-C1-2100398, 1997) описана антиобледенительная жидкость для наземной обработки самолетов на основе гликоля и воды, которая в качестве поверхностно-активного вещества содержит бензолсульфонат метилдиэтоламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных кислот, а также двухзамещенный фосфат щелочного металла и стеариновую кислоту.

В патенте RU-C1-2141990, 1999 описана антигололедная жидкость для наземной обработки самолета на основе гликоля и воды, которая не содержит загустителя. Требуемые вязкостные параметры жидкости были достигнуты за счет использования в качестве поверхностно-активной компоненты одного неионного поверхностно-активного вещества из группы жирных спиртов и алкоксилированного с помощью низкомолекулярного алкоксида жирных спиртов и одного поверхностно-активного вещества из группы алкиларилсульфонатов щелочных металлов.

Недостатками указанных выше противообледенительных жидкостей для наземной обработки самолетов являются высокая токсичность, обусловленная использованием этиленгликоля и диэтиленгликоля с высоким содержанием гликолей 40-95 мас.%, а также высокая стоимость, обусловленная той же причиной. Кроме того, используемые в патенте RU-C1-2141990 на основе этиленгликоля (взятом в качестве прототипа) ингибиторы коррозии не обеспечивают высокого показателя ингибирования коррозии металлов, в частности алюминиевых сплавов.

Существующие, наиболее применяемые ПОЖ на гликолевой антифризной составляющей обладают еще и технологическими недостатками. "АРКТИКА" при ее использовании не подлежит разбавлению водой (см. О.К. Трунов. Безопасность взлета в условиях обледенения, М.: ГНИИГАР, 1995 г.), что делает ее по этой причине не экономичной: считается, что рабочая жидкость должна иметь температуру кристаллизации лишь на 10^oС ниже атмосферного воздуха. При этом 80% гололедных ситуаций бывает в районе 0^oС. ПОЖ с наименованием "ОКТОФЛО" можно разбавлять водой, но дистиллированной (Рекомендации по применению). Последнее делает эту ПОЖ не технологичной из-за отсутствия на аэродромах сотен тонн дистиллированной воды.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи, которая заключается в обеспечении существенного повышения экологической безопасности, при одновременном повышении эффективности удаления ледяных отложений на обрабатываемых поверхностях и показателя ингибирования металлов (сталь, сплавы алюминия, кадмия, цинка), а также снижении ее стоимости, в частности, за счет использования более дешевого антифризного компонента, каким является ацетат калия. При этом следует иметь в виду, что пропиленгликоль - единственный гликоль, не являющийся токсичным. Его использование совместно с ацетатом калия делает ПОЖ полностью экологически безопасным. Использование пропиленгликоля в небольших количествах сравнительно больше загущает ПОЖ в сравнении с этиленгликолем, однако в допустимых пределах: ПОЖ типа I должна иметь вязкость не намного больше воды. Однако использование только пропиленгликоля как антифризной составляющей невозможно из-за высокой вязкости и стоимости пропиленгликоля.

Преимущество предложенной антиобледенительной жидкости для наземной обработки самолетов перед известной (взятой в качестве прототипа) заключается в том, что благодаря использованию водного раствора ацетата калия и существенному (практически на порядок) снижению содержания в ней гликолей обеспечивается не только достаточно высокая экологическая безопасность (класс IV опасности по ГОСТ 12.1.005-88 за счет существенного снижения содержания и вида гликолей) и более низкая коррозионная активность.

Поставленная задача повышения экологичности и удешевления ПОЖ I типа путем использования водного раствора ацетата калия (50-и процентный водный раствор имеет температуру начала кристаллизации -60^oС) могла быть решена только после найденного технического решения, которое гарантировало бы невозможность появления на поверхности самолета, обработанного солевым составом, "высолов" при высыхании, сдуве, изменении температуры и т.д., так как наличие различных шероховатостей на обтекаемых воздухом конструкциях самолета снижает его аэродинамические характеристики.

Для решения поставленной задачи в рецептуру ПОЖ должны быть введены жидкие органические компоненты, которые могли бы:
1. Иметь большую растворимость и полностью абсорбировать (растворять в себе) неорганические солевые содержания антифризной и ингибиторной части ПОЖ;
2. Вследствие малой летучести являться не только невысыхающими, но и гигроскопичными;
3. По своей природе дополнительно обладать структурирующими или ингибирующими свойствами.

В результате выполненных исследований требованиям 1-3 в разной мере отвечают следующие вещества: гликоли, глицерин, триэтаноламин, которые вошли в рецептуру ПОЖ.

Гарантию, исключающую появление так называемых "высолов", обеспечили следующие две серии экспериментов.

1. Брались перечисленные выше жидкие вещества, мас.%: гликоли 6-20, глицерин 1,5-3,0, триэтаноламин 0,14-0,5 и без него, куда (в сухом виде) вводились компоненты, могущие быть антифризами, ингибиторами металлов и существующие в сухом виде, мас.%: ацетат калия до 50, динатрийфосфат 0,7-1,54, тринатрийфосфат 0,1-0,4, нитрит натрия 0,01-0,06, бензоат натрия 0,25-0,7, загуститель 0,4-0,85, жидкое стекло 0,1-0,9.

При введении комплекса сухих компонентов в перечисленные выше жидкие композиции во всех случаях (без воды, которая обычно в ПОЖ составляет около 50 мас. %) образовывались жидкие непрозрачные подвижные составы. При нанесении их на твердую поверхность тонким слоем они быстро увеличивали подвижность за счет поглощения воды из воздуха благодаря, в первую очередь, гигроскопичному ацетату калия, являющегося одновременно мощным ингибитором коррозии алюминия.

При введении в жидкие непрозрачные композиции лишь 10 мас.% воды, что соответствует практически нереальной (малой) влажности воздуха (в районе 10%), жидкости превращаются в прозрачные подвижные составы, легко сдуваемые с твердых поверхностей.

2. Противообледенительные жидкости следующего состава, мас.%:
- гликоль 6-20
- глицерин 1,5-3,0
- ПАВ /неонол, шампунь и др./ 0,002-0,04
- ингибиторы коррозии (перечисленные выше) 1,3-4,1
- загуститель /сульфоцелл, акриловая смола и др./ 0,4-0,85
- водный раствор ацетата калия с плотностью 1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11 - остальное,
наносились на дно чашек Петри, расположенных под углом 45^o к горизонтали при t=20^oC и -15^oС, при этом сдувались воздухом (имитируя движение самолета) со скоростью 60 км/ч. Под влиянием гравитационных сил ПОЖ стекала вниз, образуя по высоте разную толщину пленки, а в течение часа эксперимента постоянно обводнялась благодаря гигроскопичности ПОЖ, что сопровождалось утонением толщины жидкой пленки. Процесс обработки самолета до его взлета при использовании ПОЖ типа I измеряется минутами.

Проведенные эксперименты показали практическое решение поставленной технической задачи - гарантированное отсутствие солевых "высолов" ПОЖ, где основную антифризную роль играет экологически чистый солевой состав - водный раствор ацетата калия.

Ацетат калия не обладает (в отличие от нитратов) окислительными свойствами, менее коррозионно-активен, чем растворы хлоридов, а в отличие от гликолей - экологически безопасен.

Ацетат калия обладает высокой способностью к полной биодеструкции. Период полного разложения в природе составляет 28 дней. Ацетат калия не оказывает негативного воздействия на биосреду водоемов в связи с тем, что диструкция ацетатов проходит без образования аммония и, как следствие, не является токсичным для рыб. Первый противогололедный реагент для взлетно-посадочных полос аэродромов Европы был награжден Золотой медалью.

В предложенной жидкости антифризной составляющей является (в отличие от прототипа) водный раствор ацетата калия. Наличие же в предложенной жидкости дополнительно органических компонентов (пропиленгликолей, и/или моноэтиленгликоля, и/или диэтиленгликоля, и/или триэтиленгликоля) или других веществ, которые являются практически нелетучими при нормальных температурах и абсорбирующих солевые компоненты ПОЖ, позволило получить технический результат, который не следует из уровня техники, а именно: в случае испарения (гипотетически) воды на обрабатываемых поверхностях не образуется солевых отложений ("высолов"), наличие которых неизбежно приведет к изменению аэродинамических параметров самолета, особенно при взлете.

Что касается предложенного содержания в противообледенительной жидкости для наземной обработки самолетов гликолей, ПАВ, глицерина и ингибиторов коррозии черных и цветных металлов, загустителя, то верхние и нижние пределы содержания указанных выше компонентов были определены на основании статистической обработки большого числа экспериментальных результатов, добиваясь нужных вязкостных, антифризных и противокоррозионных свойств.

Поставленная задача в области экологии решена тем, что противообледенительная жидкость для наземной обработки самолетов, включающая, по крайней мере, один гликоль и ингибиторы коррозии, согласно изобретению дополнительно содержит водный раствор ацетата калия с плотностью 1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11, глицерин, ПАВ, загуститель, при этом в качестве гликоля оно содержит либо пропиленгликоль, либо моноэтиленгликоль, либо диэтиленгликоль, или триэтиленгликоль, или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%: гликоль 6-20, глицерин 1,5-3,0, ингибиторы коррозии 1,3-4,1, ПАВ 0,002-0,04, загуститель 0,4-0,85, водный раствор ацетата калия с плотностью 1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11 - остальное. В качестве ингибиторов коррозии антиобледенительная жидкость содержит соли фосфорной кислоты: динатрийфосфат 0,69-1,5, тринатрийфосфат 0,2-0,64, нитрит натрия 0,01-0,06, бензоат натрия 0,2-1,0, жидкое стекло 0,2-0,9.

В предпочтительном варианте в качестве ингибиторов коррозии противообледенительная жидкость содержит соли фосфорной кислоты: динатрийфосфат 0,7-1,54, тринатрийфосфат 0,1-0,4, нитрит натрия 0,01-0,06, бензоат натрия 0,25-0,7, жидкое стекло 0,1-0,9, триэтаноламин 0,14-0,5.

Благодаря наличию в предложенной противообледенительной жидкости для наземной обработки самолетов пропиленгликоля, и/или моноэтиленгликоля, и/или диэтиленгликоля, и/или триэтиленгликоля, глицерина, ПАВ, загустителя удалось (при указанных выше соотношениях компонентов) обеспечить такие структурновязкостные и пленкообразующие свойства жидкостей, которые, с одной стороны, обеспечивают получение (в диапазоне температур от 0 до -10^oС) на обрабатываемых поверхностях защитной пленки жидкости толщиной от 50 до 15 мкм в диапазоне 15-60^o углов наклона обрабатываемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, а с другой стороны, - полное удаление жидкости с обрабатываемых поверхностей при взлете, так как предлагаемая ПОЖ типа I имеет низкую вязкость (см. табл.3) и обычное ньютоновское течение, что гарантирует ее сдувание при взлете. Жидкость без загустителя имеет вязкость при 20^oC лишь 4,8...5,1 сантистоксов и не обеспечивает необходимую толщину пленки жидкости/количество реагента на 1 м² обрабатываемой поверхности/ и, следовательно, расплавление толстых слоев изморози или льда. Более того, загущенные реагенты дольше задерживаются на наклонных поверхностях.

Приведенные выше данные о толщине пленок ПОЖ на различных углах наклона, выполненные во Всесоюзном институте авиационных материалов, косвенным образом подтверждают утверждение о том, что предлагаемое решение обеспечивает защиту от повторного обледенения на уровне (не ниже) существующих ПОЖ. Стандартные данные по времени защиты конструкций от повторного обледенения (в течение очень короткого времени, измеряемого минутами) в современном мире получают на специальной установке в г.Торонто (Канада).

Заявленное нами более эффективное удаление льдоотложений достигается за счет более низкой температуры начала кристаллизации и экзотермического эффекта растворения льда водным раствором ацетата калия.

В табл.2 показана сравнительная проплавляющая способность заявленной рецептуры и применяемой в настоящее время ПОЖ "АРКТИКА". Как видно из таблицы, скорость проплавления льда предложенным составом в среднем превышает 2 раза. Метод определения расплавляющей способности ПОЖ заключается в том, что на 100 мл воды в виде льда заливается 30 мл ПОЖ. Образующаяся жидкость периодически сливается и определяется количество расплавленного льда /мл/. В данных испытаниях использовалась жидкость с плотностью γ = 1,28 г/см³, рН 10,5, 0,4 вес.% сульфацелла, 0,006% неонола, 9% этиленгликоля, 2,5% глицерина и ингибиторы по п.3 формулы изобретения.

В табл.3 показаны физико-химические свойства заявленной ПОЖ, из которых следует, что ее температурные и другие характеристики отвечают всем требованиям, а основные рабочие температуры находятся в пределах разбавления обычной пресной водой 1: 1 и 1:2, так как основная масса гололедных ситуаций находится в районе 0^oС.

Использование в антифризной части ПОЖ солевого состава потребовало особенно тщательного подбора ингибиторов коррозии, тем более что ингибиторы выполняют еще и другие функции (абсорберы, структурирующие компоненты и др. ).

В табл. 4 показаны составы принятых ингибиторных композиций, обеспечивающих ПАВ достаточно высокие противокоррозионные свойства (см. табл.5). Выбор варианта ингибиторного комплекса диктуется как стоимостными соображениями, так и соображениями обеспечения вязкостных и противокоррозионных характеристик.

Ацетат калия (как компонент жидкости для наземной обработки самолетов) получают согласно п. 1 Патента РФ 2142491 "Способ получения антигололедной жидкой композиции" при отличии в перечне вводимых в процессе производства водорастворимых присадок.

Основной компонент реагента по массовому содержанию - ацетат калия - имеет в стране большую сырьевую базу и освоен в крупнотоннажном производстве противообледенительной жидкости для взлетно-посадочных полос аэродромов России, СНГ и Прибалтики по упомянутому выше патенту Орлова В.А. и лицензионному соглашению с регистрационным 11553/2000. Исходя из трехлетнего опыта производства и применения жидких ацетатных противогололедных средств, предложенная нами жидкость для наземной обработки самолетов промышленностью применима.

Использование: в технике наземной противообледенительной защиты воздушных судов при наличии условий их наземного обледенения. Сущность: жидкость содержит, мас.%: гликоль 6-20, глицерин 1,5-3,0, ингибитор коррозии 1,3-4,1, поверхностно-активное вещество 0,002-0,04, загуститель 0,40-0,85, водный раствор ацетата калия с плотностью 1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11 остальное. Предпочтительно в качестве ингибитора коррозии жидкость содержит соли фосфорной кислоты, нитрит натрия, бензоат натрия, жидкое стекло, триэтаноламин. Технический результат - повышение экологической безопасности при одновременном повышении эффективности удаления ледяных отложений и защиты от коррозии. 2 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Противообледенительная жидкость для наземной обработки самолетов, включающая, по крайней мере, один вид гликоля и ингибиторы коррозии, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит водный раствор ацетата калия с плотностью 1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11, глицерин, поверхностно-активное вещество, загуститель, при этом в качестве гликоля она содержит пропилен-, моно-, ди-, или триэтиленгликоль или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гликоль 6-20

Глицерин 1,5-3,0

Ингибитор коррозии 1,3-4,1

Поверхностно-активное

вещество 0,002-0,04

Загуститель 0,40-0,85

Водный раствор ацетата

калия с плотностью

1,12-1,3 г/см³ и рН 9-11 Остальное

Динатрийфосфат 0,69-1,5

Тринатрийфосфат 0,20-0,64

Нитрит натрия 0,01-0,06

Бензоат натрия 0,2-1,0

Жидкое стекло 0,2-0,9

Динатрийфосфат 0,7-1,54

Тринатрийфосфат 0,1-0,4

Нитрит натрия 0,01-0,06

Бензоат натрия 0,25-0,7

Жидкое стекло 0,1-0,9

Триэтаноламин 0,14-0,5