Производитель противообледенительных систем предложил объединить активную противообледенительную систему с покрытием, которое с легкостью сбрасывает лед.
Образование льда на передней кромке крыла самолета – это распространенная угроза в авиации, на счету которой за последние годы несколько катастроф, в которых погибли люди и были разрушены летательные аппараты. Все коммерческие самолеты оснащены противообледенительными системами, которые могут быть тепловыми, тепломеханическими, электромеханическими или пневматическими.
Распространенная проблема с противообледенительными устройствами заключается в том, что они потребляют много энергии. Как правило, при проектировании самолета стремятся снизить энергопотребление, а с появлением самолетов с батарейным питанием механизмы и устройства, снижающие потребление энергии, приобрели особое значение.
Пониженное потребление энергии также актуально и для беспилотников на аккумуляторных батареях. Использование пассивного противообледенительного покрытия, функционирующего совместно с активным противообледенительным устройством, кажется привлекательным вариантом. Его преимущества — это снижение энергопотребления, увеличение срока службы механических компонентов, более легкая электроника и дополнительная защита в случае выхода активного устройства из строя.
Перед инженерами и учеными из компании NEI Corporation поставили задачу разработать и продемонстрировать покрытие, обладающее надежными противообледенительными свойствами и достаточной устойчивостью к износу и эрозии. Что еще важнее, покрытие должно было подходить для модернизации самолетов, находящихся в эксплуатации, а также для использования при производстве оборудования. Чтобы решить эти задачи, специалисты NEI разработали технологию покрытия NANOMYTE® SuperAi™, обладающего следующими особенностями:
- высокая смазывающая способность;
- высокий коэффициент снижения адгезии льда к поверхностям;
- тонкое покрытие (<1 мил или 25 микрон) обеспечивающее легкий вес;
- стабильные противообледенительные свойства для долговременного применения;
- отверждение при комнатной температуре;
- простое нанесение распылением, погружением или кистью.
Разработка покрытия SuperAi началась после многочисленных обсуждений с инженерами крупных компаний-производителей противообледенительных систем с низким энергопотреблением. Они обратили наше внимание на два основных технических требования к противообледенительным покрытиям, которые наносятся на льдоудалительные системы, а именно: низкая адгезия льда к поверхности и долговечность.
После проведения экспериментов в лаборатории NEI и многократных испытаний на прототипах противообледенительных устройств в аэродинамической трубе в условиях обледенения мы добились соблюдения обоих требований. Измерения адгезии льда к поверхности, проведенные в NEI, были подкреплены работой, выполненной на роторном испытательном стенде Университета штата Пенсильвания с имитацией неблагоприятных условий окружающей среды, результаты которой неизменно показывали прочность адгезии льда до ~1,8 фунт/дюйм2 для алюминиевой подложки с покрытием SuperAi, т.е. на 80% меньше, чем для отполированной алюминиевой подложки без покрытия. На рисунке 1 показано адгезионное разрушение при удалении льдины от подложки с покрытием SuperAi. Когезионное разрушение, напротив, наблюдается на алюминиевой подложке без покрытия.
Рисунок 1. Прочность адгезии льда к поверхности и место разрушения алюминия с покрытием SuperAi по сравнению с отполированным алюминием без покрытия.
Чтобы продемонстрировать повышенную эффективность противообледенительного устройства с покрытием SuperAi, прототипы электромеханических и тепломеханических противообледенительных систем с покрытием испытали на предприятии нашего партнера в аэродинамической трубе, имитирующей условия обледенения в полете. На рисунке 2 показана сборка передней кромки крыла с тепломеханической противообледенительной системой.
Рисунок 2. Установка передней кромки и сборка тепломеханической противообледенительной системы.
Мы многократно демонстрировать, что повышенную эффективность удаления льда, а также снижение потребления энергии активными противообледенительными системами на 45-70% можно добиться с помощью нового противообледенительного покрытия (рисунок 3).
Рисунок 3. Снимки, сделанные во время испытания в аэродинамической трубе, показывают полное удаление льда на передней кромке с покрытием (снизу) и отсутствие эффекта удаления льда на кромке без покрытия (сверху) при уровне энергопотребления на 70% ниже, чем на номинальной мощности, необходимой для регулярного функционирования противообледенительной системы без покрытия.
Стойкость к истиранию очень важна в данной сфере. На рисунке 4 показано, что покрытие SuperAi было лишь незначительно поцарапано по следу износа после 200 циклов испытания на истираемость по Таберу.
Рисунок 4. Оптическая микрофотография следа износа после испытания на истираемость по Таберу, демонстрирующая отличную устойчивость покрытия SuperAi к истиранию.
Обратите внимание, что абразивный диск CS-10F Calibrase®, используемый в испытании, состоит их связующего и абразивных частиц, например, оксида алюминия и карбида кремния. Условия испытания имитируют истирание и износ при нормальных условиях эксплуатации. Затем по следу износа измерялся угол смачивания, который составил 103° (результаты на свежей, неизношенной поверхности составили 105°), что означает, что истирание оказало минимальное влияние на гидрофобность поверхности. Измерение адгезии льда к поверхности по следу износа показало, что покрытие остается крайне устойчивым к образованию льда после 200 циклов испытания на истираемость по Таберу (рисунок 5).
Рисунок 5. Результаты измерения адгезии льда для SuperAi после различных испытаний на долговечность.
Другие важные аспекты, касающиеся противообледенительных покрытий для самолетов, включают их стойкость к дождевой эрозии, воздействию химических веществ и растворителей, циклам обледенения/удаления льда и атмосферным воздействиям. Эти характеристики оцениваются в различных испытаниях на долговечность. Как видно из рисунка 5, покрытие SuperAi выдержало повторяющиеся циклы обледенения/удаления льда. Наблюдалось незначительное изменение адгезии льда к поверхности после погружения в авиационное топливо, Skydrol® (авиационную гидравлическую жидкость) и воду на продолжительное время. Прочность адгезии льда к поверхности была минимально изменилась после истирания, промывки под высоким давлением и воздействия УФ-излучения в естественных условиях.
В целом, нам удалось удовлетворить требования отрасли благодаря тщательному подходу к разработке продукта. Представленный в статье пример отражает наш подход к разработке покрытий для конкретных применений, которыми мы занимаемся, решая определенные проблемы или открывая новые возможности.
Мы работаем напрямую с клиентами и стремимся разрабатывать, демонстрировать и реализовывать наши решения.
ПРИМЕЧАНИЕ АВТОРА:
Компания NEI Corporation очень серьезно относится к конфиденциальности информации своих клиентов, даже без заключения соглашения о неразглашении. Конкретная и закрытая информация о клиентах не использовалась.
Доктор Цзюн Лю, старший научный сотрудник; Джон Уотсон, инженер-разработчик; доктор Ганеш Скандан, генеральный директор компании NEI Corporation, Сомерсет, штат Нью-Джерси, США
