Полеты самолетов и вертолетов зачастую сопровождаются явлениями, которые возникают из-за не предусмотренных инженерами законов физики. А ведь современное авиастроение базируется на целом комплексе физических законов.
Эффeкт Прандтля – Глoерта.
По мере того как самолет ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата и создается впечатление, что самолет находится внутри компактного облака. Переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного – это конденсация паров. В авиации это физическое явление больше известно, как или эффект Прандтля-Глоерта.
По теме: Kонденсационный след
Эффект Прандтля – Глоерта — явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях. Чаще всего наблюдается у самолётов.
Эффект назван в честь немецкого физика Людвига Прандтля и английского физика Германна Глоерта. Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает «звуковой барьер». На самом деле, проявление этого эффекта зависит не только от скорости самолёта, но и от температуры и влажности воздуха. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при скоростях, близких к скорости звука. В условиях очень высокой влажности эффект можно наблюдать и на намного более низких скоростях.
Сама конденсация происходит только при условии, что количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. Эти условия определяются точкой росы – температурой, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения при данной удельной влажности и постоянном давлении. Степень насыщения характеризуется относительной влажностью – процентным отношением количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству, которое требуется для насыщения. Кроме этих условий, необходимо еще и наличие центров конденсации.
Существуют две основные причины возникновения условий для конденсации и появления следа.
Первая — повышение влажности воздуха, когда к атмосферному водяному пару добавляется водяной пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя в результате сгорания топлива. Это повышает точку росы в ограниченном объеме воздуха, за двигателями. Если точка росы становится выше температуры окружающего воздуха, то по мере остывания отработанных газов избыточный водяной пар конденсируется. Количество водяного пара, выбрасываемого двигателем, зависит от его мощности и режима работы.
Вторая причина — понижение температуры воздуха в результате падения его давления над крылом и внутри вихрей, возникающих при обтекании различных частей самолета. Наиболее интенсивные вихри образуются на краях крыла и выпущенных закрылков. Если при этом температура опускается ниже точки росы — избыток атмосферного водяного пара конденсируется в области над крылом и внутри вихрей. Степень понижения давления и температуры зависят от таких параметров, как масса летательного аппарата, коэффициент подъемной силы, величина индуктивного сопротивления и др. Часто наблюдаются следы, образованные в результате комбинации этих двух причин. Образованию конденсационного следа также способствуют центры конденсации в виде частиц не сгоревшего или не полностью сгоревшего топлива.
При температуре до −30… −40 °C водяной пар при конденсации переходит в жидкую фазу, при температуре ниже −30… −40 °C водяной пар превращается сразу в ледяные кристаллы, минуя жидкую фазу.
Таким образом, возможность появления, вид, и время существования конденсационного следа зависят от влажности и температуры атмосферного воздуха. При низкой влажности и относительно высокой температуре след может отсутствовать вовсе, так как при таких условиях водяной пар не достигает состояния перенасыщения. Чем выше влажность и ниже температура, тем больше водяного пара конденсируется, и тем медленнее происходит испарение, следовательно — след насыщеннее и длиннее.
А при относительной влажности, близкой к 100% и низкой температуре, конденсируется наибольшее количество водяного пара, а поскольку высокая влажность препятствует испарению частиц следа, то это влечет образование конденсационных следов, которые могут существовать в течении большого отрезка времени, нередко превращаясь в перистые или перисто-кучевые
В заключение
В современной авиации явление конденсации является едва ли не самым распространённым, потому что большинство самолётов совершают полёты на скоростях, близких к сверхзвуковым. Единственное, что требуется для появления конденсационного следа – это подходящие погодные и климатические условия.
Источник:Кристаллизация
Кристаллизация — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара.
В авиации явление кристаллизации наиболее ярко представлено таким процессом, как обледенение. Обледенение — отложение льда на обтекаемых частях самолета, силовых установках и внешних деталях его специального оборудования при полете в воздухе, содержащем переохлажденные капли воды.
Всего существует 3 вида обледенения:
Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит превращения водяных паров в лёд на поверхности обшивки летательного аппарата, минуя жидкую фазу. Обычно это происходит, когда воздушные массы, насыщенные влагой, контактируют с сильно охлажденными поверхностями. Это, например, возможно, если на поверхности уже имеется лед, либо, если самолет быстро теряет высоту, перемещаясь из более холодных верхних слоев атмосферы в более нагретые нижние, сохраняя тем самым низкую температуру обшивки. Образовавшиеся в этом случае кристаллы льда непрочно держатся на поверхности и быстро сдуваются набегающим потоком.
Второй тип — так называемое сухое обледенение. Это оседание уже готового льда, снега или града при пролете самолета через кристаллические облака, которые охлаждены настолько, что влага в них содержится в замороженном или кристаллическом виде. Такой лед обычно на поверхности не удерживается, а сразу сдувается и не приносит вреда.
По теме: ЧЕМ ОБРАБАТЫВАЮТ САМОЛЕТЫ ЗИМОЙ. НАУКА И ТЕХНОЛОГИЯ и многое другое по теме:
Третий тип — обледенение, при котором капли воды замерзают непосредственно на обшивке летательного аппарата. Этот вид наиболее часто встречается, и, сам по себе, наиболее опасен для эксплуатации летательных аппаратов.
Однако, для того, чтобы вода все-таки замерзла, то есть кристаллизовалась, кроме необходимой температуры нужна дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации. Эта энергия берется за счет дополнительного охлаждения воды, иначе говоря ее переохлаждения. То есть вода уже становится переохлажденной с температурой ощутимо ниже нуля. Теперь образование центров кристаллизации и, в конечном итоге, превращение ее в лед, может произойти либо самопроизвольно, либо при наличии в воде примесей, либо при каком-нибудь внешнем воздействии, например, сотрясении.
Обледенение в воздухе
Обледенение бывает наземным или происходит в полете. В первом случае условия обледенения самолета следующие:
В ясную погоду при отрицательных температурах поверхность самолета охлаждается сильнее, чем окружающая атмосфера. Из-за этого содержащиеся в воздухе водяные пары превращаются в лед — возникает иней или изморозь. Толщина налета обычно не превышает нескольких миллиметров. Он легко удаляется даже вручную.
При околонулевых температурах и высокой влажности переохлажденная вода, содержащаяся в атмосфере, оседает на кузове самолета в виде налета. В зависимости от конкретных погодных условий налет бывает различным — от прозрачного при более высоких температурах до матового, похожего на иней, при более низких.
Замерзание на поверхности самолета тумана, дождя или мокрого снега. Образуется не только в результате атмосферных осадков, но и при попадании на корпус снега и слякоти с земли при рулении.
Существует также такая разновидность явления, как «топливный лед». Когда керосин в баках имеет более низкую температуру, чем окружающий воздух, в районе расположения баков начинается оседание атмосферной воды и образование наледи. Толщина слоя иногда достигает 15 мм и более. Этот вид обледенения самолета опасен тем, что осадок чаще всего бывает прозрачным, его трудно заметить. К тому же осадок образуется только в зоне топливных баков, при этом остальная часть кузова самолета остается чистой.
В заключение
Несмотря на огромный скачок в развитии авиации явление кристаллизации, а именно обледенение, все ещё представляет опасность для самолётов, ведь зачастую лёд может образовываться на механизмах, поломка которых может привести к крушению самолёта.