Маленькое воплощение большой сибирской мечты

В малой климатической аэродинамической трубе (МКАТ) Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН, запуск которой состоялся в этом году, ведутся испытания покрытий из материалов, которые защитят конструкции летательных аппаратов от обледенения.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Обледенение летательных аппаратов — опасное явление, которое может привести к потере управления или отказу двигателя. При нарастании льда на поверхности самолета или вертолета не только увеличивается вес летательного аппарата, но и снижается подъемная сила, которую создает крыло, несущий винт и хвостовое оперение. Происходит неожиданный срыв воздушного потока. Если экипаж не успевает оперативно среагировать или нет возможности увеличить скорость, самолет начинает падать. Особенно опасно обледенение входных устройств и карбюраторов двигателей и различных датчиков воздушного потока, которых на современном самолете насчитывается несколько десятков. Неожиданный отказ двигателя ведет к вынужденной и не всегда благополучной посадке. А неверные показания датчика угла атаки приводят к ошибкам в пилотировании и нарушению работы автопилота. Именно по этим причинам ежегодно в мире происходит несколько серьезных аварий и даже катастроф из-за обледенения самолетов и вертолетов. Только в России за последние 20 лет по причине обледенения произошло 24 летных происшествия, из которых восемь — с жертвами.

«С точки зрения аэродинамики проблема обледенения решается просто: нужно понять, какой формы будет лед, изготовить эту форму, например, из дерева или пенопласта, прикрепить на крыло, испытать под разными углами атаки на разных скоростях и получить его аэродинамические характеристики, выяснив, насколько они ухудшаются. Таким образом определяются допустимые и безопасные границы обледенения для каждого летательного аппарата. Этот способ используется с начала эпохи самолетостроения,— говорит заместитель директора по научной работе ИТПМ СО РАН, к. ф.-м. н Андрей Сидоренко.— Что касается борьбы с образованием льда, то за всю ее историю было изобретено всего несколько надежных способов не допустить обледенения: электрические, пневматические, жидкостные, которые можно подобрать в зависимости от условий полета и типа самолета. Например, во время полета самолета в условиях обледенения традиционно используется разбрызгивание спирта на лобовое стекло и лопасти винтов. Более мелкие элементы, такие как карбюраторы, приемники воздушного давления и датчики угла атаки, обычно обогревают при помощи электричества».

Для чего нужна климатическая труба

Один из самых эффективных методов избавиться от наледи — это нагрев. Например, у самолета Ту-104, который был выполнен на основе боевого Ту-16, вся передняя кромка крыла обогревалась горячим воздухом от двигателя. Но такой метод требует большого запаса мощности двигателя и сильно увеличивает расход топлива. Любая дополнительная система в самолете — это лишний вес и лишние затраты. Даже если противообледенительная система не используется, самолет возит ее с собой, а авиакомпании тратят ресурсы на поддержание ее в работоспособном состоянии. Ведь для того, чтобы авиаперевозки были экономически эффективными, нужно иметь возможность летать в любую погоду.

Еще один эффективный метод — покрытие самолета специальными противообледенительными составами. Современные системы пассажирских самолетов активно используют этот метод, не располагая другой защитой от обледенения на всей поверхности крыла. Этиленгликоль имеет температуру замерзания значительно ниже, чем у воды, до –60°С. Попадая на слой «незамерзайки», капли воды не превращаются в лед на поверхности крыла.

Вылет без проведения противообледенительной обработки является грубым нарушением, и в 2012 году он привел к авиакатастрофе пассажирского самолета ATR 72–201 под Тюменью. Но такую процедуру можно осуществить только перед взлетом. Остающаяся на поверхности после обработки тонкая пленка защищает поверхность на время руления и разбега, а затем сдувается встречным потоком воздуха при скорости 150 км/ч. Посадка в любом случае производится уже «на сухую». Между тем в режиме посадки обледенение намного опаснее, чем при взлете, поскольку со сниженной скоростью аппарат над посадочной полосой при сваливании и потере управления не может сманеврировать, а запаса скорости для повторного взлета у него уже нет.

Единственный метод будущего, который не потребует дополнительных расходов энергии и не будет терять свою эффективность на протяжении всего полета, а точнее, всего срока эксплуатации летательного аппарата,— это использование специальных покрытий, которые будут напылять на крылья, лопатки двигателя и другие детали летательных аппаратов, чтобы к ним не прилипали капли воды. Последние десятилетия над поиском перспективных материалов работают многие научные группы во всем мире. Каждый новый состав чудо-покрытий должен пройти целый комплекс проверок.

Для испытания эффективности покрытий необходим определенный набор условий — влажность с установленным размером частиц воды, несколько режимов скоростей и различный спектр отрицательных температур. Реальные летные испытания требуют поиска условий естественного обледенения, что существенно удорожает работы. Кроме того, условия естественного обледенения, как правило, кратковременны и не поддаются управлению. Для исследований и была построена МКАТ — малая климатическая аэродинамическая труба.

Аэродинамика обледенения

За последние более чем 70 лет в мире было построено несколько десятков аэродинамических труб для исследования обледенения, в основном в США, Канаде, Италии, Китае и Франции. Наиболее известна Icing Research Tunnel (IRT) в NASA Glenn Research Center со скоростью потока до 180 м/с. Система ее охлаждения мощностью 7385 кВт позволяет поддерживать температуру потока от +5°С до –40°С, а система впрыскивания воды состоит из более чем пятисот форсунок и позволяет получать поток с каплями размером от 15 до 50 микрон. Примечательно, что эта климатическая труба была построена одной из первых в мире и до сих пор остается одной из самых совершенных.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Андрей Сидоренко пояснил, что сейчас подход к проблеме обледенения меняется. Во времена СССР борьба с этим явлением имела исключительно прикладной характер. Одна аэродинамическая ледяная труба была в Институте гражданской авиации в Риге и два климатических стенда для испытания двигателей — в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И . Баранова в Москве. Туда привозили реальные двигатели самолетов и продували их при отрицательных температурах на разных скоростях. Вопрос о необходимости изучения фундаментальных основ процесса обледенения и каких-либо уточненных данных не ставился.

Между тем появление новых металлических и композитных метаматериалов за последние десятилетия предполагает создание эффективных противообледенительных покрытий. Для их испытания в качестве новых противообледенительных систем была создана МКАТ. Ученые получили установку, на которой можно прецизионно воспроизводить условия обледенения и проводить детальные наблюдения и измерения.

«Проблема моделирования обледенения состоит в необходимости соблюдения сразу нескольких условий — влажности, степени обводнения потока, размера капель тумана (облака), температуры и скорости,— рассказал ученый.— К сожалению, результаты испытаний с обледенением на малых моделях невозможно масштабировать на реальные размеры летательных аппаратов».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

По его словам, полностью симулировать обледенение в аэродинамических климатических трубах в принципе невозможно. Для аэродинамических характеристик аппаратов существуют строгие расчетные модели, четкие критерии подобия и стройные теоремы, позволяющие получить точные результаты испытаний для больших аппаратов на основе испытаний малых. Но для задач обледенения такой подход не работает.

Исследователи решили, что целесообразно проверять на обледенение не уменьшенные модели самолетов или их деталей, а непосредственно материалы противообледенительных умных покрытий. Для этого и была построена малая климатическая аэродинамическая труба, которая может работать много часов, а если понадобится, то и дней. При этом она должна поддерживать строго заданные условия испытаний и не зависеть от времени года, то есть иметь закрытый контур. В трубах с открытым контуром, где забор воздуха производится с улицы, эксперименты при низких температурах можно проводить только в зимнее время. В МКАТ можно задавать любые размеры капель переохлажденной воды, которая является главным врагом всех летательных аппаратов.

Вода –5° по Цельсию

Переохлажденная вода имеет температуру ниже ноля, но в лед она не превращается. В этом и состоит проблема: если бы облака, имея отрицательную температуру, состояли из льдинок или снежинок, они не представляли бы никакой опасности для пилотируемых и беспилотных аппаратов. Чтобы увидеть своими глазами мгновенное превращение переохлажденной воды в лед, попробуйте повторить известный опыт. Положите в морозилку полиэтиленовую бутылку с водой и, доведя ее температуру до –3–5°С, аккуратно ее достаньте.

Вопреки школьным представлениям о законах физики, вода в ней остается жидкой, несмотря на ее отрицательную температуру. Но если встряхнуть бутылку или щелкнуть по ней, ее содержимое превратится в лед всего за несколько секунд, поскольку вы запустили процесс кристаллизации в неравновесной среде.

Облака всегда состоят из капель переохлажденной воды, находящейся в неравновесном состоянии. Самолет, пролетая сквозь них, служит триггером кристаллизации. Перед этим капли успевают прилипнуть к деталям, а наледь образуется в считаные мгновения. Ключевая задача создателей современных покрытий — это изобрести прочный и гидрофобный материал для напыления, к которому не прилипают капли переохлажденной воды.

Первые испытания

Летом 2024 года успешно завершились первые эксперименты по проверке на обледенение стеклопластиковых крыльев беспилотного аппарата, разработанного ГК «Тихие Крылья», с помощью которого компания планирует осуществлять мониторинг лесных пожаров и проверять целостность и состояние различных магистральных систем — от полотна железных дорог до ЛЭП и газопроводов. Для качественных фотосъемок таких магистралей БПЛА должен лететь на протяжении многих часов на небольшой высоте в любое время года и при любой погоде, а процесс обледенения как раз в большей степени характерен для первых двух километров над поверхностью земли.

Размеры крыла БПЛА позволили провести эксперимент непосредственно с реальной деталью, не используя уменьшенных моделей. В ходе испытаний были получены разные формы ледяных наростов для разных условий, чтобы затем производитель уже мог самостоятельно изготовить их, например, из пенопласта и, приклеив искусственные наросты к крыльям с утяжелением для компенсации разницы в весе, использовать в натурных испытаниях своих БПЛА. Эти данные важны для оценки изменений аэродинамических свойств в случае обледенения и возможности избавиться от наледи с помощью прогрева. Понимая возможный объем льда, изготовитель сможет рассчитать, какой мощности ему требуется нагревательная система.

Начало большого проекта

«Идея создать в Сибири большую сезонную прямоточную климатическую трубу для испытаний реальных конструкций частей самолетов — двигателей, отсеков крыльев — была высказана впервые еще в советские времена сотрудниками ОКБ "Туполев". Планировался гигантский проект государственного, если не мирового масштаба,— рассказал начальник отдела аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов ФАУ Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С. А. Чаплыгина (СибНИА) Валерий Зайцев.— Имеющиеся в России стенды для испытаний настоящих деталей самолетов — замкнутые и явно недостаточного размера. В прямоточной трубе воздух не циркулирует, а выбрасывается наружу, поэтому поддерживается низкая температура и необходимая влажность, максимально приближенная к условиям в облачном небе. Для испытания двигателей самолетов это крайне необходимо, ведь они очень быстро нагревают циркулирующий поток, и все условия эксперимента нарушаются».

Триада СибНИА им. С. А. Чаплыгина, ОКБ «Туполев» и ИТПМ СО РАН плотно сотрудничала на протяжении многих десятилетий, и ледяная труба была одним из ее главных будущих проектов вплоть до начала 2000-х. Валерий Зайцев считает, что МКАТ позволяет закрыть многие вопросы, кроме испытания натурных объектов. Она позволяет проводить недорогие эксперименты по отработке физических основ явления, в том числе для проверки данных математического моделирования, а также испытывать ряд малоразмерных объектов, например реальных датчиков обледенения, которые можно будет сертифицировать на основании результатов таких испытаний. И, конечно, МКАТ проверит свойства будущих гидрофобных нанопокрытий. Но идея создания большой прямоточной ледяной аэродинамической трубы до сих пор витает в воздухе.

«Любой институт с авиационной тематикой мечтает о большой трубе,— говорит ученый.— Это очень дорогие установки, требующие огромных доз хладоагентов, поэтому во всем мире, можно сказать, они единичные. МКАТ — это маленькое воплощение всеобщей большой мечты, успешное начало большого проекта».

Мария Роговая