Ледные условия: микрорельеф защитит самолеты от атмосферных осадков

Ученые предложили технологию обработки авиационных поверхностей для создания на них устойчивого антиобледенительного покрытия. Методика подразумевает образование приповерхностного микрорельефа, который будет отталкивать капли воды. Внедрение разработки будет способствовать безопасности за счет повышения надежности элементов конструкции воздушного судна. Также этот метод позволит снизить себестоимость перевозок благодаря экономии на обогреве корпуса в полете и обработке специальными жидкостями.

Чем опасно обледенение

Инженеры из Московского авиационного института (МАИ) совместно с учеными из Института физической химии и электрохимии (ИФХЭ) им. А.Н. Фрумкина РАН разработали технологию для создания покрытий, которые помогут самолетам избежать аварий из-за обледенения. Это состояние опасно тем, что приводит к ухудшению устойчивости и управляемости воздушного судна, а в наиболее серьезных случаях может заблокировать работу внешних органов управления и спровоцировать авиакатастрофу.

Методика предполагает обработку поверхностей специальным образом, в результате чего они приобретают способность отталкивать переохлажденные водяные капли, не позволяя им закрепляться и кристаллизоваться на обшивке.

— Применение покрытий, изготовленных с помощью предложенной технологии, охватывает сферы, в которых традиционные способы защиты имеют ограничения или малоэффективны. В частности, с их помощью можно увеличить надежность критически важных элементов конструкции самолета, — рассказал «Известиям» участник исследования, инженер кафедры «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Илья Жигулин.

К таким узлам относятся, например, элероны и закрылки, пояснил он. Первые — это устройства, расположенные на концах крыла, они, изменяя его геометрию, помогают воздушному судну поворачивать. Вторые — это поверхности в задней кромке «оперения», которые могут отклоняться, увеличивая подъемную силу во время взлета и набора высоты и повышая аэродинамическое сопротивление при снижении и посадке. Также они помогают удерживать самолет в потоке при относительно малых скоростях.

Помимо этого, водоотталкивающие покрытия будут востребованы для защиты от обледенения датчиков, вынесенных на поверхность воздушного судна, считает Илья Жигулин. Они служат для контроля параметров полета, и сбои в их работе, вызванные неблагоприятными факторами погоды, могут привести к аварийной ситуации.

Как сэкономить на воздушных перевозках

По словам специалиста, сейчас для борьбы с обледенением применяют обогрев корпуса самолета во время полета, на что уходит порядка 10% энергии. Также, если перед вылетом ожидаются неблагоприятные условия, судно обливают спецжидкостями. Вместе с тем исследования показывают, что элементы конструкции, обработанные по предложенной технологии, можно эксплуатировать без обновления в течение длительного времени. Это позволит сократить издержки авиакомпаний и, возможно, удешевит воздушные перевозки.

— Наши покрытия представляют собой шероховатости, рельеф которых изменяется на микро-, субмикро- и наноуровнях. Они создают большую площадь поверхности одновременно с малыми точками опоры. При контакте с таким материалом капля воды принимает форму, близкую к шарообразной, и соскальзывает. Результативность структуры была показана в работах академика Людмилы Бойнович, — объяснил ведущий научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН Кирилл Емельяненко.

Он добавил, что похожее явление можно наблюдать в живой природе на листьях и лепестках некоторых растений. Поэтому оно известно также под названием «эффект лотоса».

По словам ученого, микрорельеф специалисты наносят методом наносекундной лазерной обработки приповерхностного слоя материала. Вместе с тем алюминий, который чаще всего используют для обшивки самолетов, обладает способностью притягивать воду. Поэтому после этого на поверхность наносят дополнительный слой из органических молекул, который препятствует ее непосредственному контакту с металлом.

Трудности при внедрении

В настоящее время технология ограничена размерами оборудования для лазерного текстурирования поверхности и химического осаждения дополнительного слоя, но при создании производственной линии можно будет задействовать более крупные установки, отметил Кирилл Емельяненко.

Также, по мнению специалистов отрасли, для внедрения предложенных методов потребуется решить ряд технических задач. Так, по словам начальника отдела аэрофизики многофазных течений, разреженных газов и плазмы Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского Ивана Амелюшкина, расчеты и моделирование показывают, что водоотталкивающие покрытия на больших скоростях (свыше 100 м/с) функционируют иначе, чем стационарные.

— В частности, при некоторых режимах переохлажденные капли не соскальзывают с микрорельефного покрытия, а внедряются в его микропоры и держатся более крепко, чем на гладкой поверхности. То есть происходит эффект, обратный желаемому, — объяснил эксперт.

Кроме того, важно понимать устойчивость покрытий к загрязнениям, эрозии и другим повреждениям, считает он. Такие данные можно получить только в результате длительных испытаний материалов в условиях, которые соответствуют обстановке будущего применения этих материалов.

— Природа всегда была источником вдохновения для ученых. Например, водоотталкивающие поверхности основаны на наблюдении за микроструктурой лепестков лотоса. Также растение кувшиночник подсказало идею близких им суперскользких покрытий, — отметила научный сотрудник лаборатории физической химии полимеров Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Полина Казарян.

Развивая эти направления, ученые создают широкий спектр новых материалов, подчеркнула ученый. Они могут также обладать самоочищающимися и антибактериальными свойствами. С этой точки зрения разработка коллег из МАИ и ИФХЭ РАН видится перспективной и важной, резюмировала она.