Введенная в эксплуатацию в этом году малая климатическая аэродинамическая труба (МКАТ) Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН уже используется для тестирования защитных покрытий, предназначенных для предотвращения обледенения авиационной техники.
Накопление льда на воздушных судах представляет серьезную опасность, способную вызвать потерю управляемости или отказ силовых установок. Обледенение увеличивает вес аппарата, dramatically уменьшает подъемную силу крыла, несущего винта и хвостового оперения. Это может привести к внезапному срыву воздушного потока. Без быстрой реакции экипажа или возможности увеличить скорость, самолет может начать падать. Особую угрозу несет обледенение воздухозаборников, карбюраторов и многочисленных датчиков воздушного потока. Неожиданный отказ двигателя вынуждает к посадке, которая не всегда проходит благополучно. Неверные показания датчиков угла атаки могут стать причиной ошибок пилотирования и сбоев автопилота. Подобные инциденты ежегодно приводят к серьезным авариям и даже катастрофам по всему миру. Только в России за последние двадцать лет обледенение стало причиной 24 летных происшествий, в восьми из которых были человеческие жертвы.
С точки зрения аэродинамики, проблема обледенения традиционно решается путем изучения формы образующегося льда. Изготавливается модель этой формы (например, из дерева или пенопласта), крепится к крылу и испытывается в аэродинамической трубе при разных углах атаки и скоростях для определения ухудшения аэродинамических характеристик. Так устанавливаются допустимые пределы обледенения для каждого типа летательного аппарата. Этот метод применяется с начала эры авиации, отмечает заместитель директора по научной работе ИТПМ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Сидоренко. Что касается методов предотвращения образования льда, то за всю историю были разработаны лишь несколько надежных систем: электрические, пневматические и жидкостные, выбор которых зависит от условий полета и типа самолета. Например, для защиты лобовых стекол и винтов традиционно используется распыление спирта. Более мелкие компоненты, такие как карбюраторы, приемники воздушного давления и датчики угла атаки, обычно обогреваются электричеством.
Для чего нужна климатическая труба
Нагрев — один из самых действенных методов борьбы с наледью. К примеру, у самолета Ту-104, созданного на базе бомбардировщика Ту-16, передняя кромка крыла обогревалась горячим воздухом от двигателей. Однако этот подход требует значительной мощности двигателей и существенно увеличивает расход топлива. Любая дополнительная система на борту — это лишний вес и расходы. Даже неиспользуемая противообледенительная система добавляет вес, а авиакомпании несут затраты на ее обслуживание. Для экономической эффективности авиаперевозок крайне важна возможность летать в любую погоду.
Еще одним эффективным методом является применение специальных противообледенительных составов. Современные пассажирские самолеты активно используют этот метод, часто не имея другой полной защиты крыла от обледенения. Этиленгликоль, например, имеет точку замерзания значительно ниже нуля (до –60°С). Попадая на слой такого состава, капли воды не превращаются в лед на поверхности.
Вылет без противообледенительной обработки считается грубым нарушением и стал причиной катастрофы пассажирского самолета ATR 72–201 под Тюменью в 2012 году. Однако такая процедура выполняется только перед вылетом. Тонкая пленка, остающаяся после обработки, защищает поверхность лишь на время руления и разбега, а затем сдувается встречным потоком воздуха при скорости около 150 км/ч. Посадка всегда происходит на «сухую» поверхность. При этом обледенение при посадке гораздо опаснее, чем при взлете, так как на сниженной скорости аппарат над полосой не имеет запаса для маневра при сваливании или потере управления.
Единственный перспективный метод, не требующий дополнительных энергозатрат и сохраняющий эффективность на протяжении всего срока службы аппарата,— это использование специальных покрытий. Эти материалы будут наноситься на крылья, лопатки двигателей и другие элементы, предотвращая прилипание капель воды. В последние десятилетия многие научные коллективы по всему миру работают над поиском таких инновационных составов. Каждый новый состав требует прохождения всестороннего комплекса проверок.
Для оценки эффективности покрытий требуется создание специфических условий: определенная влажность с заданным размером частиц воды, различные скоростные режимы и спектр отрицательных температур. Реальные летные испытания, зависящие от естественных погодных условий, значительно удорожают процесс. К тому же, условия естественного обледенения часто кратковременны и не поддаются точному управлению. Именно для проведения контролируемых исследований и была построена малая климатическая аэродинамическая труба (МКАТ).
Аэродинамика обледенения
За более чем 70 лет в мире было создано несколько десятков аэродинамических труб для исследований обледенения, в основном в США, Канаде, Италии, Китае и Франции. Одной из самых известных является Icing Research Tunnel (IRT) в NASA Glenn Research Center, способная создавать поток со скоростью до 180 м/с. Ее мощная система охлаждения (7385 кВт) поддерживает температуру от +5°С до –40°С, а система впрыска воды с более чем пятьюстами форсунками позволяет генерировать капли размером от 15 до 50 микрон. Интересно, что эта труба была одной из первых в мире, но до сих пор остается одной из самых совершенных.
Андрей Сидоренко поясняет, что сейчас подход к проблеме обледенения меняется. В советское время борьба с обледенением носила преимущественно прикладной характер. Существовала одна ледяная аэродинамическая труба в Институте гражданской авиации в Риге и два климатических стенда для двигателей в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова в Москве. Там тестировались реальные авиадвигатели в условиях отрицательных температур и различных скоростей. Вопрос фундаментального изучения процессов обледенения и получения уточненных данных не стоял.
Однако появление новых металлических и композитных метаматериалов за последние десятилетия открыло возможности для создания более эффективных противообледенительных покрытий. Для их тестирования как новых противообледенительных систем и была построена МКАТ. Ученые получили установку, позволяющую точно воспроизводить условия обледенения и проводить детальные наблюдения и измерения.
Ученый отметил, что сложность моделирования обледенения заключается в необходимости одновременного соблюдения множества параметров: влажности, степени обводнения потока, размера капель тумана (облака), температуры и скорости. К сожалению, результаты испытаний на малых моделях обледенения невозможно напрямую масштабировать на реальные летательные аппараты.
Исследователи пришли к выводу, что вместо уменьшенных моделей самолетов или их частей более целесообразно проверять непосредственно материалы новых противообледенительных покрытий. Для этого и была создана малая климатическая аэродинамическая труба. Она способна работать много часов или даже дней, поддерживая строго заданные условия испытаний, независимо от времени года (благодаря закрытому контуру). В трубах с открытым контуром, использующих наружный воздух, низкотемпературные эксперименты возможны только зимой. В МКАТ можно задавать любые размеры капель переохлажденной воды, которая является основной причиной обледенения.
Вода –5° по Цельсию
Переохлажденная вода имеет температуру ниже нуля, но остается в жидком состоянии. В этом и заключается опасность: если бы облака при отрицательных температурах состояли из льдинок или снежинок, они не представляли бы угрозы для авиации. Чтобы убедиться в мгновенном превращении переохлажденной воды в лед, можно провести простой опыт: поместите пластиковую бутылку с водой в морозилку и, когда ее температура опустится до –3–5°С, аккуратно достаньте.
Несмотря на отрицательную температуру, вода в бутылке останется жидкой, вопреки привычным представлениям физики. Но стоит встряхнуть бутылку или слегка ударить по ней, как содержимое за несколько секунд превратится в лед. Это происходит потому, что вы запустили процесс кристаллизации в неравновесной среде.
Облака почти всегда состоят из капель переохлажденной воды в неравновесном состоянии. Самолет, пролетая через них, выступает в роли триггера кристаллизации. До этого момента капли успевают прилипнуть к поверхностям, и наледь образуется буквально за мгновения. Ключевая задача разработчиков современных покрытий — создать прочный гидрофобный материал для нанесения, к которому капли переохлажденной воды просто не будут прилипать.
Первые испытания
Летом 2024 года в МКАТ были успешно завершены первые испытания стеклопластиковых крыльев беспилотного аппарата, разработанного ГК «Тихие Крылья». Этот беспилотник предназначен для мониторинга лесных пожаров, а также проверки состояния инфраструктурных объектов, таких как железнодорожные пути, ЛЭП и газопроводы. Для качественной съемки таких объектов БПЛА должен летать на небольшой высоте в течение долгих часов, в любое время года и при любой погоде. При этом обледенение наиболее характерно именно для нижних двух километров над поверхностью земли.
Размеры крыла БПЛА позволили использовать для эксперимента реальную деталь, а не уменьшенную модель. В ходе испытаний были получены различные формы ледяных наростов, образующихся в разных условиях. Эти данные позволят производителю самостоятельно изготовить копии этих наростов (например, из пенопласта), прикрепить их к крыльям (с утяжелением для компенсации веса) и использовать в натурных испытаниях своих беспилотников. Такая информация критически важна для оценки изменения аэродинамических свойств при обледенении и определения необходимой мощности системы обогрева для удаления наледи.
Начало большого проекта
Идея строительства в Сибири крупной сезонной прямоточной климатической трубы для тестирования реальных частей самолетов (двигателей, отсеков крыльев) обсуждалась еще в советское время сотрудниками ОКБ «Туполев». Это был задуман как гигантский проект государственного, если не мирового масштаба, рассказал Валерий Зайцев, начальник отдела аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов ФАУ Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С. А. Чаплыгина (СибНИА). Существующие в России стенды для испытаний реальных деталей самолетов являются замкнутыми и имеют явно недостаточные размеры. В прямоточной трубе воздух не циркулирует, а выбрасывается наружу, что позволяет поддерживать низкую температуру и необходимую влажность, максимально приближенные к условиям в облаках. Это особенно важно для испытаний авиадвигателей, которые быстро нагревают циркулирующий поток, нарушая условия эксперимента.
Триада СибНИА им. С. А. Чаплыгина, ОКБ «Туполев» и ИТПМ СО РАН активно сотрудничала на протяжении десятилетий, и проект ледяной трубы был одним из ключевых будущих направлений до начала 2000-х годов. Валерий Зайцев считает, что МКАТ позволяет решить многие задачи, за исключением испытаний полноразмерных объектов. Она дает возможность проводить недорогие эксперименты для изучения физических аспектов явления, проверять математические модели, а также испытывать и сертифицировать малоразмерные компоненты, такие как датчики обледенения. И, конечно, МКАТ идеально подходит для тестирования свойств будущих гидрофобных нанопокрытий.
