Способ создания искусственного кристаллического облака для испытаний авиационных двигателей и устройство для его осуществления Российский патент 2021 года по МПК G01M15/14 B64D1/18 

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности, к летающим лабораториям для создания искусственного облака при испытаниях и сертификации самолетов и авиадвигателей в полете.

При сертификации воздушных судов и авиадвигателей должны проводиться их испытания в условиях обледенения. Сначала проводятся испытания противообледенительной защиты на стендах и в аэрохолодильных трубах, а заключительные испытания должны проводиться в полете в нормируемых условиях обледенения.

Нормируемые условия обледенения задаются нормативными документами: отечественными АП-25, АП-33 и зарубежными FAR-25, FAR-33, CS-25.

Нормируемые условия обледенения включают такие параметры, как водность - содержание капельножидкой воды в кубическом метре воздуха, лед-ность - содержание кристаллов льда в кубическом метре воздуха, температуру облака, горизонтальную и вертикальную протяженность условий обледенения, обуславливающих время пребывания самолета в условиях обледенения.

Установлено, что водность облаков колеблется в широких пределах, причем в водных облаках количество воды обычно значительно больше, чем в ледяных. Так, например, в водных облаках в 1 м³ содержится от 0,3 до 4,0 г капельно-жидкой влаги, а в ледяных облаках - обычно от 0,02 до 0,5 г. Поэтому до недавних пор считалось, что кристаллические облака не представляют угрозы в виде обледенения самолетов. И действительно, концентрация кристалликов льда («кристаллическая водность») очень мала и, во-вторых, кристаллы льда соскальзывают с аэродинамических поверхностей самолета, не задерживаясь.

О «кристаллическом обледенении» и его опасности широко заговорили в девяностые, 2000-е годы, когда участились инциденты с двигателями самолетов во время полета на больших высотах. Двигатели в кристаллическом облаке могли испытывать перебои в работе и даже глохли. Это было обусловлено тем, что самолет попадал в зоны с высокой концентрацией ледяных кристаллов, где ледность достигала до 4,0 г/м³.

Такие зоны довольно редки в природе, но за последние 15 лет с 2000 года насчитывается более 150 случаев инцидентов с двигателями самолетов, попавших в условия высокой концентрации ледяных кристаллов или в условия «кристаллического обледенения».

Условия кристаллического обледенения образуются, как правило, вблизи конвективных облаков, формируемых штормами в тропических районах земного шара. Наибольшая повторяемость инцидентов с двигателями была отмечена в западной части Тихого океана и юго-восточной Азии, где мощные восходящие потоки в центральной части конвективного облака выносят влагу на большие высоты вплоть до 12 км, где она замерзает, образуя зоны высокой концентрации ледяных кристаллов (HIWC).

Условия кристаллического обледенения встречались на высотах более 8500 м при очень низких температурах, ниже - 40°С.

В 2014 году были введены поправки в зарубежные Нормы летной годности самолетов FAR-25, FAR-33, CS-25, которыми были введены новые условия обледенения: «Смешанная фаза и кристаллическое обледенение».

Отечественные нормы летной годности с подобными условиями обледенения находятся в стадии подготовки и утверждения.

При сертификации самолетов по новым Правилам необходимо подтверждать безопасность работы авиадвигателя и эксплуатации самолета в новых условиях обледенения.

На сегодняшний день ни отечественные, ни европейские стенды не способны в полной мере воспроизводить кристаллическое обледенение для испытания авиадвигателей при их сертификации, поэтому сертификацию авиадвигателей на кристаллическое обледенение предстоит проводить в естественных условиях.

Ввиду высокой стоимости и опасности летных испытаний самолета в условиях естественного кристаллического обледенения применяются испытания противообледенительной защиты самолета в искусственном облаке, создаваемом летающей лабораторией - танкером путем распыления воды.

Преимущества применения летающих лабораторий для моделирования условий обледенения:

- меньшая стоимость испытаний по сравнению с условиями естественного обледенения и большая безопасность;

- создание условий обледенения с заданными параметрами обледенения: нормируемые водность и размер капель;

- круглогодичная доступность условий обледенения.

Летающие лаборатории обледенения стали создаваться на базе танкеров-заправщиков самолетов топливом. Для этого часть топливных баков на самолете заправлялись водой, а для создания искусственного облака с нужными параметрами на конце топливораздаточного шланга или на хвосте самолета монтировалось водораспыливающее устройство в виде круговой или квадратной решетки с водораспыливающими форсунками (фиг. 4).

Известны устройства для создания искусственного облака в полете:

- авторское свидетельство СССР №678829 «Устройство для распыления жидкости в полете», 07.08.1981 г.;

- «Airborne Icing Tankers», ARP5904, SAE Aerospace Recommended Practice (ARP) (https://airlinegeeks.com/2019/02/21/the-lost-art-of-airborne-ice-accretion-testing/);

- «Spray Rig Design for Airborne Icing Tankers», Cheuk Wong, S. Tan and Michael Papadakis, 18 июня 2012 г.

(https://aviator.gum/blog/43647577453/Tritopora?ni=l&utm_referrer=mirtesen.ru)

Недостатками известных устройств (фиг. 5) является очень малая дистанция между танкером и испытуемым самолетом, который должен лететь в искусственном облаке. Испытуемый самолет летит в спутном следе самолета-танкера, и очень трудно и небезопасно соблюдать необходимую дистанцию между танкером и испытуемым самолетом с тем, чтобы находится в искусственном облаке (фиг. 5). Увеличение дистанции за счет испарения капель воды снижает водность облака и нарушает нормируемые параметры искусственного облака.

Недостатком вышеприведенных устройств является также то, что они воспроизводят «классическое обледенение», когда облако состоит из переохлажденных капель воды, но не воспроизводят условия «кристаллического обледенения», когда в облаке присутствуют только кристаллы льда.

Известен в ЛИИ им. М.М. Громова самолетный азотный генератор ГМЧЛ-А созданный для Метеоагентства Росгидромета с целью искусственного регулирования осадков и рассеяния переохлажденных туманов путем засева облаков распылением жидкого азота (Методические указания «Проведение работ по искусственному регулированию погодных условий в мегаполисах», РД 52.11.677-2006, Москва, Метеоагентство Росгидромета, 2006). Установленный на борту самолета Ан-26 азотный генератор путем создания избыточного давления в емкостях с жидким азотом (сосудах Дюара) обеспечивает подачу жидкого азота по системе трубопроводов в установленный за бортом распылитель, создавая факел глубоко охлажденного воздуха с температурой ниже минус 90°С. На фиг. 6 показан самолетный азотный генератор ГМЧЛ-А: (а) общий вид, б) распылитель).

Атмосферная влага, попадая в факел охлажденного воздуха, мгновенно кристаллизуется, на кристаллах конденсируются водные капли облака и выпадают на землю в виде дождя, регулируя тем самым выпадение осадков в нужном месте или предотвращая осадки там, где они нежелательны.

Недостатком этого устройства является то, что оно не создает облако обледенения с контролируемыми параметрами, а «разгоняет» уже существующую естественную облачность.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании искусственного кристаллического облака для испытания авиадвигателей в полете для повышения достоверности условий обледенения по сравнению со стендовыми испытаниями, в повышении безопасности и снижении затрат по сравнению с испытаниями в естественных условиях кристаллического обледенения.

Сущность изобретения

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем распыление с летающей лаборатории (ЛЛ) в полете через форсунки с помощью сжатого воздуха дистиллированной воды в виде аэрозоля, в отличие от известных способов, распыление воздушно-водного аэрозоля производят на высоте более 8500 м, при температуре ниже минус 40°С через распылительное устройство, установленное на пилоне непосредственно перед испытуемым двигателем. Штатный двигатель самолета при этом находится вне искусственного кристаллического облака. Кристаллизацию аэрозоля в виде кристаллического облака производят за счет дополнительного распыления в аэрозоль жидкого азота, поддерживая тепловой баланс Qвозд=Qaз,

где Qвозд - количество теплоты при охлаждении воздуха от tв2=-40°С до tв1=-60°С, (Qвозд=gвозд⋅срв(tв1-tв2)

Qaз - количество теплоты при испарении азота и нагревании его от taз1 до taз2;

taз2=-40°С,

Qaз=gaз⋅[Lаз+сраз(taз1-taз2)],

и для обеспечения кристаллического режима поддерживая соотношение:

gвозд/gaз=Qвoзд/Qaз=срв(tв1-tв2)/[Lаз+срв (taз1-taз2)],

где

gвозд - мгновенный расход воздуха через двигатель,

gaз - мгновенный расход жидкого азота на рабочем режиме,

срв - удельная теплоемкость воздуха,

Lаз - теплота испарения жидкого азота,

сраз - удельная теплоемкость газообразного азота,

tв1, tв2, taз1, taз2 - температуры воздуха и газообразного азота в начале и в конце процесса теплообмена.

При испарении 1 кг жидкого азота можно охладить до 17 кг воздуха с температуры минус 40°С до температуры минус 60°С, а при расходе воздуха через двигатель 40 кг/с потребный расход жидкого азота будет равен 2,3 кг/с.

Для более точного воспроизведения естественных условий кристаллического обледенения рабочий режим воспроизводят на высотах более 8500 м. Предварительное охлаждение капель аэрозоля до отрицательных температур минус 30÷40°С во время полета происходит за счет окружающего воздуха, а окончательное охлаждение переохлажденных капель воды и превращение их в кристаллическое облако происходит за счет испарения жидкого азота.

Параметры моделируемого облака (водность, температура, диаметр капель), кроме диаметра отверстий в распылителе, соотношения давлений воды и воздуха в трубках распылителя, зависят также от высоты и скорости полета самолета (летающей лаборатории), температуры и давления окружающего воздуха и трудно поддаются предварительной настройке и отладке на земле.

Поэтому перед рабочим режимом создания искусственного кристаллического облака производят калибровку параметров кристаллического облака в условиях полета. Для этого на фюзеляже ЛЛ сверху устанавливают инструментальную решетку с приборами для замера параметров кристаллического облака, а водораспылительное устройство крепится на специальной стойке перед инструментальной решеткой.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для создания искусственного кристаллического облака на базе летающей лаборатории (ЛЛ), на фиг. 2 - распылительное устройство, на фиг. 3 - распылительное устройство, смонтированное перед испытуемым двигателем.

Предлагаемое устройство для воспроизведения условий кристаллического обледенения (фиг. 1) содержит: летающую лабораторию 1, на борту которой находятся: бак с дистиллированной водой 2, водяной насос, криогенный бак 3 жидкого азота с поддавливающим устройством для создания в криогенном баке избыточного давления, трубопроводы и арматура для подачи воды, воздуха и жидкого азота к распылительному устройству 6, пульт управления 7, контрольно-измерительная аппаратура и закрепленное на пилоне 4 двигателя перед испытуемым двигателем 5 распылительное устройство 6 для распыления воды, сжатого воздуха и жидкого азота. Штатный двигатель самолета находится при этом вне зоны действия распылителя, т.е. вне искусственного облака.

Распылительное устройство 6 (фиг. 2) представляет собой конусную трубчатую конструкцию из трех расположенных концентрически труб-коллекторов, в которые подается: в один коллектор 11 - вода, во второй 12 - сжатый воздух и в третий 13 - жидкий азот. В коллекторах имеются форсунки для распыления воды, сжатого воздуха и жидкого азота. Сжатый воздух подается от компрессора двигателя, вода - с помощью водяного насоса из бака для воды и жидкий азот - из криогенного бака.

Наверху на фюзеляже самолета имеется инструментальная решетка 8, на которой закреплены измерительные инструменты и датчики для настройки и калибровки распылителя и стойка 10 для крепления распылителя во время настройки и калибровки.

После калибровки распылительное устройство в наземных условиях устанавливают на свое рабочее место на пилоне перед испытуемым двигателем (фиг. 3), и затем производят испытание двигателя в условиях кристаллического обледенения в полете.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В летающей лаборатории заправляют бак 2 дистиллированной водой и бак 3 жидким азотом. Сжатый воздух берется от компрессора двигателя при его работе. Распылитель вначале монтируют на монтажной стойке 9. ЛЛ поднимается на высоту 8500 м, и производится настройка распылителя и калибровка кристаллического облака. После калибровки ЛЛ возвращается на базу. Производится перемонтаж распылителя на рабочее место 6 перед авиадвигателем 5, производится дозаправка баков водой и жидким азотом, ЛЛ поднимается на высоту более 8500 м и проводится рабочий режим - испытание двигателя в условиях кристаллического обледенения.

При этом в распылитель из соответствующих баков подаются дистиллированная вода и жидкий азот, а от компрессора авиадвигателя - сжатый воздух. Происходит распыление и охлаждение капель воды за счет холодного окружающего воздуха, а за счет распыления и испарения жидкого азота капли воды доохлаждаются до температур ниже минус 40°С и превращаются в кристаллы льда, образуя кристаллическое облако.

Пример исполнения устройства В качестве летающей лаборатории может быть использован самолет Ил-76.

Характеристики Ил-76: 4-х двигательный грузовой самолет, Крейсерская скорость 780-850 км/час; Высота полета до 12000 м; Грузоподъемность до 6 т;

Размеры грузовой кабины: длина 24,5 м, ширина 3,45 м, высота 3,4 м.

Распылитель изготавливается из титановых труб диаметром 20÷25 мм для воздуха и 12 мм для воды и жидкого азота.

В качестве форсунок для распыления воды можно использовать форсунки для впрыскивания топлива в дизельный двигатель. Распыление сжатого воздуха происходит через отверстия диаметром 1,5-2 мм.

Для распыления жидкого азота в титановой трубе просверливаются отверстия (дюзы) диаметром 0,6-1,2 мм.

Калибровка кристаллического облака производится с помощью следующих приборов:

измеритель водности Невзорова;

лазерный спектрометр FSSP для измерения диаметров водяных капель;

двухмерный измеритель размеров кристаллов льда 2D-C;

датчик влажности;

датчик температуры воздуха.

Расчет требуемого расхода и запаса воды для обеспечения режима кристаллического облака выполняется следующим образом.

Требуемая кристаллическая водность искусственного облака составляет от 0,5 до 4 г/м³. Крейсерский режим полета самолета: Н=9000 м, V=850 км/час, расход воздуха через двигатель - до 40 кг/сек, наружная температура воздуха -40°С.

При расходе воздуха g=40 кг/сек, расход воды W составит

W=40/ρ⋅wк,

где ρ - плотность воздуха на высоте Н=9000 м, =0,36 кг/м³;

wк - кристаллическая водность искусственного облака.

При водности 0,5 г/м³ расход воды составит:

40/0,36⋅0,5=55,5 г/сек или 3,33 кг/мин

При водности 4 г/м³ расход воды составит:

40/0,36⋅4=444,4 г/сек или 26,7 кг/мин.

На 10 минут испытательного режима потребуется до 270 кг дистиллированной воды. Выбираем бак для воды 1 м или 1000 кг.

Далее выполняется расчет расхода и запаса жидкого азота. Количество теплоты для охлаждении воздуха от - 40 до -60°С составит:

Qвозд=g⋅с_рв(t₂-t₁),

где g - расход воздуха через двигатель,

Срв - теплоемкость воздуха = 1005 Дж/кг К;

Qвозд=g⋅1005⋅(-60°-(-40°))=g⋅1005⋅(-20)=-(g⋅2×10⁴) Дж.

То есть для охлаждения 1 кг воздуха от - 40°С до -60°С потребуется 2×10⁴ Дж «холода».

Холодопроизводительность Qпол при испарении 1 кг азота и нагреве его от -183°С до -40°С составит:

Qпол=Q1исп+Q2нагр,

где Q1исп - теплота испарения азота,

Q2нагр - теплота при нагреве азота от - 183°С до -40°С.

Холодопроизводительность Q_1исп при испарении 1 кг жидкого азота составит:

Q_lисп=1 кг×Lазот=1,98⋅10⁵ Дж,

где

Lазот - скрытая теплота испарения жидкого азота = 198 кДж/кг;

Холодопроизводительность Q_1нагр при нагреве газообразного азота от -183°С до -40°С составит:

Q_2нагр=1 кг⋅Сраз⋅ (t₂-t₁);

где Сраз - теплоемкость газообразного азота = 1042 Дж/кг К.

Q_2нагр=1⋅1042⋅(-40°С-(-183°С))=1,49⋅10⁵ Дж.

Полное количество теплоты Qпол при испарении 1 кг азота и нагреве его от -183°С до -40°С:

Qпол.аз.=Q₁исп+Q₂нагр=Qпол/(1,98+1,49)×10⁵=3,47-10⁵ Дж.

Соотношение количества жидкого азота к количеству охлаждаемого воздуха от - 40°С до -60°С будет:

Gазота/Gвоздуха=Qпол.аз./|Q_возд|=3,47⋅10⁵/2⋅10⁴=17,3.

То есть при испарении 1 кг азота можно охладить 17,3 кг воздуха от температуры -40°С до - 60°С.

При расходе воздуха через двигатель 40 кг/сек для обеспечения кристаллического режима потребуется расход жидкого азота 2,31 кг/сек или на 1 минуту режима потребуется 138 кг жидкого азота.

Цистерна жидкого азота ЦТК-8/0,25 вместимостью 6156 кг азота обеспечит около 45 минут режима кристаллического облака.

Изобретения относятся к летающим лабораториям для создания искусственного облака при испытаниях и сертификации авиационных двигателей в полете. Способ создания искусственного кристаллического облака предусматривает распыление с летающей лаборатории (ЛЛ) в полете через форсунки с помощью сжатого воздуха дистиллированной воды в виде аэрозоля. При этом распыление воздушно-водного аэрозоля производят на высоте более 8500 м, при температуре ниже минус 40°С через распылительное устройство, установленное на пилоне непосредственно перед испытуемым двигателем. Штатный двигатель самолета находится вне искусственного кристаллического облака. Кристаллизацию аэрозоля в виде кристаллического облака производят за счет дополнительного распыления в аэрозоль жидкого азота. Достигается повышение достоверности условий обледенения, повышение безопасности и снижение затрат по сравнению с испытаниями в естественных условиях кристаллического обледенения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ создания искусственного кристаллического облака для испытаний авиационных двигателей в полете в условиях кристаллического обледенения, предусматривающий распыление с летающей лаборатории (ЛЛ) в полете дистиллированной воды через форсунки с помощью сжатого воздуха в виде аэрозоля, отличающийся тем, что распыление воздушно-водяного аэрозоля производят на высоте более 8500 м, при температуре окружающего воздуха ниже минус 40°С, а охлаждение аэрозоля до температур ниже минус 40°С и поддержание в виде кристаллического облака производят за счет распыления в аэрозоль жидкого азота, расход которого определяется из условия

Qвозд=Qaз,

где

Qвозд - количество теплоты при охлаждении воздуха от -40 до -60°С,

Qвозд=gвозд⋅срв (tв1-tв2),

Qaз - количество теплоты при испарении азота и нагревании его от температуры испарении до минус 40°С,

Qaз=gaз⋅[Lаз+сраз(taз1-taз2)]

и для обеспечения кристаллического режима поддерживая соотношение

gвозд/gaз=Qвoзд/Qaз=срв(tв1-tв2)/[Lаз+срв (taз1-taз2)],

где

срв - удельная теплоемкость воздуха,

Lаз - теплота испарения жидкого азота,

сраз - удельная теплоемкость газообразного азота,

tв1, tв2, taз1, taз2 - температуры воздуха и газообразного азота в начале и в конце процесса теплообмена.

2. Устройство для создания искусственного кристаллического облака в виде летающей лаборатории для испытаний авиационных двигателей в полете в условиях кристаллического обледенения, содержащее бак с дистиллированной водой, водяной насос, соединенный с водораспылительным устройством (распылителем), выполненным с форсунками для распыления воды и сжатого воздуха, отличающееся тем, что распылитель расположен на пилоне ЛЛ перед испытуемым двигателем и выполнен в виде трубчатой конусной конструкции из трех труб, по которым: по одной подается сжатый воздух от компрессора двигателя, по второй - вода, по третьей - жидкий азот, труба с жидким азотом имеет дюзы для распыления азота, подаваемого через трубопроводы и арматуру из криогенного бака с поддавливающим устройством для создания в криогенном баке избыточного давления.

3. Устройство для создания искусственного кристаллического облака в виде летающей лаборатории для испытаний авиационных двигателей в полете в условиях кристаллического обледенения по п. 2, отличающееся тем, что у ЛЛ наверху фюзеляжа самолета установлена инструментальная решетка, на которой закреплены измерительные приборы для настройки и калибровки параметров кристаллического облака: влажности, кристаллической водности, диаметров капель (размеров кристаллов), а настройка распылителя производится путем изменения давления, температуры и расходов сжатого воздуха, воды и жидкого азота; распылитель на время настройки и калибровки устанавливается на стойке перед инструментальной решеткой, а после настройки и калибровки в наземных условиях монтируется на пилоне ЛЛ перед испытуемым двигателем для проведения рабочего режима.