Zapobieganie niebezpiecznemu oblodzeniu poszycia samolotów
Lód i samoloty tworzą niebezpieczną mieszankę. Oblodzenie samolotów stanowi poważny problem: nawet niemal niewidoczna widoczna warstwa lodu może poważnie ograniczyć działanie ważnych elementów, takich jak skrzydła, śmigła, szyby przednie, anteny i otwory wentylacyjne. Oblodzenie powstaje, gdy duże, zimne krople lądują na schłodzonej powierzchni samolotu i zamarzają w kontakcie z nią. Dane z sektora lotnictwa sugerują, że oblodzenie było w minionym stuleciu przyczyną 35 % wypadków lotniczych związanych z pogodą (główna przyczyna) i około jednej piątej wypadków śmiertelnych związanych z pogodą (druga co do znaczenia przyczyna po turbulencjach). „Oblodzenie powoduje również większe zużycie paliwa przez samoloty, w wyniku zwiększania ciężaru i oporu, a jednocześnie zmniejsza siłę ciągu i siłę nośną”, wyjaśnia prof. Jolanta Sapieha z Polytechnique Montreal, liderka zespołu odpowiedzialnego za opracowanie powłok. Oznacza to, że każde rozwiązanie problemu przyniesie korzyści środowisku i wyeliminuje koszty związane z częstym odladzaniem na ziemi. W 2016 roku międzynarodowe konsorcjum zrzeszające ekspertów z różnych krajów Europy oraz z Kanady zapoczątkowało projekt PHOBIC2ICE, podejmując się ambitnego zadania polegającego na opracowaniu i przetestowaniu technologii zapobiegających i ograniczających obladzanie samolotów. Opracowywanie środka zapobiegającego zamarzaniu Zespół opracował kilka rodzajów powłok polimerowych, metalowych i hybrydowych mających na celu zapobieganie tworzeniu się lodu. Te przeciwdziałające oblodzeniu powłoki zostały opracowane z myślą o pięciu materiałach: lotniczym aluminium i stopach tytanu, stali nierdzewnej, kompozytach węglowo-epoksydowych oraz poliamidzie. Prace badawcze podzielono na trzy kategorie: badania podstawowe, w tym dotyczące topografii i przyczepności powierzchni materiału, zaawansowane badania w warunkach formowania się lodu oraz praktyczne testy trwałości nowych powłok w kontekście naturalnych zjawisk, takich jak korozja i narażenie na promieniowanie UV. „Najskuteczniejsze powłoki odpychają możliwie najwięcej kropel wody, zanim ta ostatnia zamarznie (superhydrofobowość), lub zmniejszają przyczepność formującego się lodu do powierzchni”, mówi dr Elmar Bonaccurso z niemieckiego oddziału koncernu Airbus, lider zespołu PHOBIC2ICE odpowiedzialnego za opracowanie wymagań przemysłowych (przypadków użycia) i protokołów testowych. „Specjalna obróbka i powłoki mogą zapobiec zamarzaniu kropel wody poprzez zmniejszenie przyczepności wody i spowolnienie nukleacji lodu, dzięki czemu krople mogły być usuwane przez samą siłę strumienia powietrza”, tłumaczy Antonio Miraglia, dyrektor ds. badań i rozwoju w DEMA Aeronautics w Montrealu, odpowiedzialny za modelowanie uderzeń kropel w projekcie PHOBIC2ICE. Testowanie rozwiązań W Kanadzie przeprowadzono zakrojone na szeroką skalę testy w tunelu aerodynamicznym, a w Hiszpanii próby w trakcie lotu, aby wypróbować i dopracować proponowane rozwiązania. Równolegle wykonywano zaawansowane symulacje komputerowe w trzech skalach: poziomu oddziaływań atomowych, skali mikrometrowej i skali makro. Modele wykorzystano do symulacji zachowania się strumieni kropel deszczu na profilach skrzydeł także w trzech skalach: na poziomie oddziaływań pomiędzy pojedynczymi atomami, w skali mikrometrowej i w skali makro (uwzględniającej większe fragmenty powierzchni). Nowe rozwiązania konstrukcyjne w zakresie powierzchni przyniosły dodatkowe korzyści, wykraczające poza ochronę przed oblodzeniem: kilka powłok lub technik modyfikacji powierzchni okazało się lepsze od metali pod względem odporności na erozję związaną z deszczem i piaskiem, korozję i środki chemiczne stosowane do konserwacji samolotów. Powłoki zostały opracowane z myślą o istniejących samolotach, jak również potencjalnych przyszłych modelach. „Wszystkie techniki modyfikacji powierzchni zostały zaprojektowane w taki sposób, aby były kompatybilne z istniejącymi komponentami, tak by można było stosować je w obecnych maszynach lub wykorzystać do projektowania nowych”, mówi prof. Sapieha. Owocny wysiłek całego zespołu W skład międzynarodowego zespołu badawczego weszło dziewięciu partnerów. Wszyscy badacze mówią o owocnej i przyjemnej pracy zespołowej oraz korzyściach płynących z wymiany wiedzy. „Dowiedliśmy, że cierpliwość i szacunek pozwalają na budowanie zaufania niezbędnego do współpracy i pielęgnowania relacji”, mówi Leo Turno z Warszawy, koordynator projektu PHOBIC2ICE. „Warto również nadmienić, że obecność wysoce zaangażowanych specjalistów z branży istotnie ułatwia zarządzanie całym projektem, ponieważ wszyscy naukowcy czują się znacznie bardziej zmotywowani do poszerzania swoich umiejętności”. Prof. Ali Dolatabadi z Concordia University w Montrealu, lider pakietu roboczego odpowiedzialny za modelowanie i rozwijanie powłok oraz koordynator projektu w Kanadzie, dodaje: „Był to najciekawszych projekt, przy którym miałem przyjemność pracować w ciągu ostatnich 15 lat”.
Słowa kluczowe
PHOBIC2ICE, oblodzenie, samoloty, gromadzenie się, formowanie się, innowacyjność, zapobieganie, projektowanie, zużycie paliwa, lotnictwo, powłoki
