В Сибири запущена уникальная малая климатическая аэродинамическая труба (МКАТ)
В этом году в Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) успешно введена в эксплуатацию малая климатическая аэродинамическая труба (МКАТ). На этой уникальной установке проводятся испытания инновационных материалов, предназначенных для защиты летательных аппаратов от опасного обледенения.
Обледенение представляет собой серьезную угрозу для безопасности полетов, способную вызвать потерю контроля над воздушным судном или отказ двигателей. Накопление льда на крыльях, винтах и хвостовом оперении приводит не только к увеличению массы, но и к критическому снижению подъемной силы, провоцируя внезапный срыв потока воздуха. В таких условиях, если пилоты не успевают принять экстренные меры или увеличить скорость, аппарат может потерять высоту. Особую опасность представляет обледенение воздухозаборников, карбюраторов двигателей и многочисленных датчиков воздушного потока, число которых на современных самолетах достигает нескольких десятков. Внезапный выход из строя двигателя может привести к аварийной посадке, а искаженные показания датчика угла атаки — к ошибкам в управлении и сбоям автопилота. Эти факторы становятся причиной множества серьезных авиапроисшествий и катастроф по всему миру ежегодно. Только за последние два десятилетия в России было зафиксировано 24 инцидента, связанных с обледенением, восемь из которых закончились трагедиями с человеческими жертвами.
Андрей Сидоренко, заместитель директора по научной работе ИТПМ СО РАН, кандидат физико-математических наук, объясняет, что с аэродинамической точки зрения задача обледенения исторически решалась относительно просто: сначала определялась предполагаемая форма льда, затем создавалась физическая модель этой формы (например, из дерева или пенопласта), которая крепилась к крылу для испытаний при различных углах атаки и скоростях. Целью было изучение ухудшения аэродинамических характеристик и установление безопасных пределов обледенения для каждого воздушного судна. Этот подход применяется с первых дней авиации. Что касается методов предотвращения обледенения, то за всю историю авиации были разработаны лишь несколько эффективных способов: электрический, пневматический и жидкостный, выбор которых зависит от условий полета и типа самолета. Например, при полете в условиях обледенения на лобовое стекло и лопасти винтов традиционно распыляется спирт. Мелкие элементы, такие как карбюраторы, приемники воздушного давления и датчики угла атаки, обычно подогреваются электрически.
Актуальность создания климатической аэродинамической трубы
Нагрев является одним из наиболее действенных способов борьбы с обледенением. Например, на самолете Ту-104, созданном на базе военного Ту-16, вся передняя часть крыла прогревалась горячим воздухом от двигателей. Однако этот подход требует значительных запасов мощности двигателей и существенно увеличивает расход топлива. Любая дополнительная система на борту воздушного судна — это неизбежное увеличение веса и эксплуатационных расходов. Даже когда противообледенительная система не используется, ее масса все равно влияет на топливную эффективность, а авиакомпании несут расходы на ее обслуживание. Для обеспечения экономической рентабельности авиаперевозок крайне важно, чтобы полеты могли осуществляться в любых погодных условиях.
Другой действенный метод заключается в нанесении на поверхности самолета специализированных противообледенительных растворов. Современные пассажирские лайнеры широко применяют этот подход, зачастую не имея иной защиты от обледенения по всей площади крыла. Этиленгликоль, обладая точкой замерзания значительно ниже, чем у воды (до –60°С), препятствует образованию льда: при контакте с таким «незамерзающим» слоем капли воды остаются в жидком состоянии.
Отсутствие противообледенительной обработки перед вылетом считается серьезным нарушением, которое в 2012 году стало причиной катастрофы пассажирского самолета ATR 72-201 под Тюменью. Однако такая процедура возможна только перед стартом. Тонкая пленка, оставшаяся после обработки, защищает поверхности лишь во время руления и взлета, после чего при скорости около 150 км/ч она сдувается набегающим потоком воздуха. Таким образом, посадка всегда происходит без дополнительной защиты. При этом обледенение во время посадки представляет гораздо большую угрозу, чем при взлете, так как на сниженной скорости над взлетно-посадочной полосой аппарат теряет возможность маневрировать в случае сваливания или потери управления, и у него уже отсутствует запас скорости для повторного набора высоты.
Перспективным направлением в борьбе с обледенением является разработка специальных покрытий, которые наносятся на крылья, лопатки двигателей и другие элементы летательных аппаратов. Эти покрытия должны предотвращать прилипание капель воды, не требуя дополнительных затрат энергии и сохраняя свою эффективность на протяжении всего срока службы воздушного судна. В последние десятилетия ученые по всему миру активно занимаются поиском таких инновационных материалов. Каждый новый состав подобных «чудо-покрытий» обязан пройти строгий цикл испытаний.
Для полноценной оценки эффективности антиобледенительных покрытий требуются специфические и воспроизводимые условия: контролируемая влажность с заданным размером водяных частиц, различные скоростные режимы и широкий диапазон отрицательных температур. Полевые испытания в реальных условиях обледенения сопряжены с высокими затратами, поскольку требуют ожидания подходящей погоды, а естественные условия обледенения, как правило, непредсказуемы и мимолетны. Именно для таких контролируемых исследований и была создана МКАТ — малая климатическая аэродинамическая труба.
Исследования обледенения: Мировой опыт и новые подходы
За минувшие семь десятилетий по всему миру было возведено несколько десятков аэродинамических труб, специально предназначенных для изучения обледенения, преимущественно в США, Канаде, Италии, Китае и Франции. Среди них выделяется Icing Research Tunnel (IRT) в Центре летных исследований НАСА имени Гленна, способная генерировать воздушный поток со скоростью до 180 м/с. Ее мощная система охлаждения (7385 кВт) поддерживает температуру в диапазоне от +5°С до –40°С, а инновационная система впрыска воды, состоящая из более чем пятисот форсунок, позволяет формировать поток с капельной структурой размером от 15 до 50 микрон. Удивительно, что эта труба, одна из первых построенных в мире, до сих пор сохраняет статус одной из наиболее продвинутых установок.
Андрей Сидоренко отмечает, что современный подход к проблеме обледенения существенно изменился. В эпоху СССР основной упор делался на прикладные аспекты. Для испытаний использовалась одна ледяная аэродинамическая труба в Риге (Институт гражданской авиации) и два климатических стенда в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова в Москве. На этих объектах проводились продувки реальных авиационных двигателей при отрицательных температурах и различных скоростных режимах. Вопросы глубокого изучения фундаментальных процессов обледенения и сбора детализированных данных тогда не являлись приоритетными.
Однако развитие новых металлических, композитных и метаматериалов за последние десятилетия открыло путь к разработке более эффективных антиобледенительных покрытий. Для тщательной проверки этих новых систем и была создана МКАТ. Эта установка предоставляет ученым возможность точно воспроизводить условия обледенения, проводить подробные наблюдения и выполнять высокоточные измерения.
Ученый поясняет, что «основная сложность в моделировании обледенения заключается в одновременном соблюдении множества параметров: влажности, уровня обводнения потока, размера капель тумана (облака), температуры и скорости. К сожалению, результаты, полученные при испытаниях обледенения на малоразмерных моделях, не могут быть достоверно масштабированы на полноразмерные летательные аппараты».
Как подчеркивает Сидоренко, полноценное моделирование обледенения в аэродинамических климатических трубах по своей сути невозможно. Если для изучения аэродинамических характеристик разработаны строгие расчетные модели, четкие критерии подобия и стройные теоретические положения, позволяющие с высокой точностью переносить результаты испытаний малых моделей на реальные аппараты, то для проблем обледенения такой подход неприменим.
В связи с этим исследователи пришли к выводу, что наиболее эффективным подходом будет тестирование на обледенение не уменьшенных моделей воздушных судов или их компонентов, а непосредственно самих материалов для «умных» противообледенительных покрытий. Именно с этой целью была построена малая климатическая аэродинамическая труба (МКАТ), способная функционировать на протяжении многих часов или даже дней, поддерживая при этом строго заданные параметры испытаний. Ее закрытый контур обеспечивает независимость от времени года, в отличие от установок с открытым контуром, где подача воздуха с улицы ограничивает низкотемпературные эксперименты только зимним периодом. МКАТ позволяет точно контролировать размер капель переохлажденной воды — главного источника обледенения для всех летательных аппаратов.
Опасность переохлажденной воды
Переохлажденная вода, сохраняющая жидкое состояние при температуре ниже нуля градусов Цельсия, представляет собой ключевую проблему обледенения. Если бы облака при отрицательных температурах состояли из кристаллов льда или снега, они не угрожали бы пилотируемым и беспилотным летательным аппаратам. Для наглядной демонстрации моментального превращения переохлажденной воды в лед можно провести простой эксперимент: поместите бутылку с водой в морозильную камеру, доведя ее температуру до –3–5°С, а затем осторожно извлеките.
Вопреки общепринятым представлениям из школьного курса физики, вода в бутылке останется жидкой, несмотря на отрицательную температуру. Однако легкое встряхивание или удар по бутылке спровоцирует стремительную кристаллизацию содержимого, превратив его в лед за считанные секунды, так как будет запущен процесс упорядочения молекул в неравновесной системе.
Облака постоянно содержат капли переохлажденной воды, пребывающие в нестабильном состоянии. Пролетающий сквозь них самолет действует как катализатор кристаллизации. Капли успевают прилипнуть к поверхностям аппарата до начала фазового перехода, и обледенение происходит моментально. Основная цель разработчиков современных покрытий — создать долговечный, водоотталкивающий материал, к которому капли переохлажденной воды просто не смогут прилипнуть.
Результаты первых испытаний
Летом 2024 года МКАТ успешно провела первые эксперименты, в ходе которых испытывались стеклопластиковые крылья беспилотного летательного аппарата (БПЛА), разработанного группой компаний «Тихие Крылья». Этот БПЛА предназначен для длительного мониторинга лесных пожаров, а также для инспекции магистральных систем — от железнодорожных путей до линий электропередачи и газопроводов. Для выполнения качественной фотосъемки этих объектов беспилотник должен быть способен летать на малых высотах в течение многих часов, независимо от сезона и погодных условий. Важно отметить, что обледенение особенно часто встречается именно в нижних двух километрах атмосферы.
Благодаря габаритам крыла этого БПЛА, испытания проводились непосредственно с реальной деталью, исключая необходимость использования уменьшенных моделей. В ходе экспериментов были зафиксированы различные формы ледяных наростов, образующихся в разных условиях. Полученные данные позволят производителю создать точные копии этих наростов, например, из пенопласта, с учетом разницы в весе, для использования в натурных испытаниях своих беспилотников. Эти сведения критически важны для оценки изменений аэродинамических характеристик при обледенении и определения оптимальных методов удаления льда с помощью прогрева. Знание предполагаемого объема льда даст возможность изготовителю точно рассчитать требуемую мощность системы обогрева.
Перспективы и большая сибирская мечта
Валерий Зайцев, начальник отдела аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов ФАУ Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА), вспоминает, что «идея строительства в Сибири крупной сезонной прямоточной климатической трубы для тестирования реальных авиационных компонентов — двигателей, элементов крыльев — появилась еще в советские годы благодаря специалистам ОКБ «Туполев». Планировался масштабный проект, значимость которого могла бы быть как минимум общенациональной, а возможно, и мировой. Существующие в России стенды для испытаний полноразмерных авиадеталей являются замкнутыми и имеют явно недостаточные размеры. В прямоточной трубе воздух не возвращается, а выбрасывается наружу, что позволяет поддерживать стабильно низкую температуру и требуемый уровень влажности, максимально имитируя условия полета в облаках. Это критически важно для испытаний авиационных двигателей, которые быстро нагревают циркулирующий воздух, искажая параметры эксперимента».
В течение многих десятилетий СибНИА им. С.А. Чаплыгина, ОКБ «Туполев» и ИТПМ СО РАН активно сотрудничали, и проект ледяной трубы был одним из центральных до начала 2000-х годов. Валерий Зайцев подчеркивает, что нынешняя МКАТ способна решить множество задач, за исключением тестирования полномасштабных объектов. Она предоставляет возможность для проведения экономичных экспериментов по изучению физических принципов обледенения, а также для верификации математических моделей. Кроме того, на МКАТ можно испытывать малогабаритные элементы, такие как реальные датчики обледенения, результаты которых затем могут быть использованы для сертификации. Разумеется, МКАТ также будет использоваться для проверки характеристик будущих гидрофобных нанопокрытий. Однако концепция создания большой прямоточной ледяной аэродинамической трубы продолжает оставаться актуальной.
Любой научно-исследовательский институт, специализирующийся на авиации, «мечтает о большой климатической трубе», — отмечает ученый. — Эти установки чрезвычайно дорогостоящи и требуют огромного количества хладоагентов, поэтому в мировом масштабе их насчитываются единицы. МКАТ, хоть и является «маленьким воплощением этой великой мечты», представляет собой успешный старт для большого и значимого проекта.
