Умные покрытия против обледенения: эксперт МАИ – о новой разработке ПНИПУ

Фото: Антон Харисов, «Первый областной»

Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) представили новую разработку в борьбе с обледенением авиатехники — многослойную «умную кожу». Система сочетает в себе сенсоры для автоматического обнаружения льда и виброэлементы, способные также осуществлять нагрев, для его активного удаления. Эта новость вновь актуализировала тему защиты самолётов от одного из самых опасных для авиатехники природных явлений. 

Данное направление активно развивается. Одним из первых исследований, посвященных оценке защитных свойств  антиобледенительного покрытия занялся Московский авиационный институт. По итогам исследований и экспериментов учёные университета оценили уникальное супергидрофобное покрытие, разработанное в ИФХЭ РАН, которое подавляет процессы обледенения пассивным способом. Сравнительный анализ двух перспективных подходов и объяснение их значимости для авиации провёл один из авторов маёвского проекта, инженер кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Илья Жигулин.

Активный интеллект: в чём суть пермской разработки

Разработка пермских учёных, как уже упоминалось выше, представляет собой гибкую многослойную структуру, состоящую из датчиков и сенсоров, интегрируемых в поверхность летательного аппарата. Ключевое отличие такой системы — активный и «умный» принцип работы. Как отмечают участники научного проекта, система в режиме реального времени отслеживает появление ледяного покрова на авиатехнике с помощью встроенных датчиков и при обнаружении угрозы автоматически активирует виброэлементы, которые помимо сброса, также и подтапливают и удаляют лёд. Такой подход позволяет бороться с обледенением целенаправленно и экономить энергию, не расходуя её на постоянный подогрев.

По словам исследователей ПНИПУ, их главной задачей было создание энергоэффективной и надёжной системы. Представленная «умная кожа» является результатом работы с современными композитными материалами и микроэлектроникой. Эта технология позиционируется как перспективное решение не только для авиации, но и для ветрогенераторов и других конструкций, эксплуатирующихся в сложных погодных условиях.

Фундаментальный подход МАИ: экспертный взгляд на две технологии

Пока пермские учёные развивают направление активной борьбы со льдом, специалисты Московского авиационного института пошли по пути исследования решений,обеспечивающих фундаментальное предотвращение проблемы. Комментируя разработку ПНИПУ, инженер-исследователь МАИ Илья Жигулин отмечает, что решение ПНИПУ основано на известном и эффективном принципе. 

— Разработка ПНИПУ использует принцип защиты, при котором лёд удаляется с конструкции посредством вибрационных импульсов. Это логичное развитие традиционных систем, подобных тем, что установлены на Ил-86, где вибрационные катушки монтируются под поверхностью. При очевидном выигрыше в эффективности использования систем, создающих тепломеханические воздействия непосредственно на поверхности, должны также тщательно рассматриваться и нормируемые риски, такие как воздействие молнии в полёте, электромагнитная совместимость и высокоинтенсивные излучаемые поля. Предотвращение этих угроз, наряду с защитой от обледенения, — ключевая исследовательская задача, — подчёркивает эксперт.

Жигулин указывает, что оценка любых перспективных способов защиты должна осуществляться по строгим критериям для противообледенительных систем, что и было сделано для покрытий, разработанных в ИФХЭ РАН. Уникальность именно маёвской разработки заключается в создании супергидрофобного покрытия, которое имеет ряд противообледенительных механизмов,позволяющих бороться с образовавшимся льдом и в определенных условиях полностью подавлять его образование. 

— Покрытие ИФХЭ РАН работает на опережение. В то время как импульсные системы, как правило, работают с уже обледеневшей конструкцией, аэродинамические характеристики которой уже значительно снижены, супергидрофобные покрытия позволяют уменьшать протяженность обледенения, а в некоторых случаях и полностью предотвращать его. Это пассивный, но чрезвычайно эффективный метод, который  требует намного меньших затрат энергии и не требует систем управления, — объясняет Илья Жигулин.

Принцип действия покрытия МАИ основан на создании специфической микро- и нанорельефной структуры, которая значительно уменьшает площадь контакта воды с материалом. 

— По сути, между каплей и поверхностью остаётся тончайшая прослойка воздуха и микро и наношероховатый рельеф,обеспечивающий площадь контакта с каплей в десятки раз меньшие по сравнению с обычной поверхностью. Это не даёт воде растечься и закрепиться. Даже в условиях переохлаждения капля отскакивает от поверхности, не успев кристаллизоваться. Супергидрофобные покрытия меняют саму поверхность, делая её несмачиваемой, что кардинально снижает вероятность обледенения на больших площадях, — добавляет специалист.

Два пути к одной цели — безопасности полётов

Таким образом, сегодня в России развиваются два технологически различных, но одинаково важных направления защиты авиации от обледенения. Пермский ПНИПУ предлагает «интеллектуальное» активное решение — систему, которая обнаруживает и уничтожает лёд, требующую, однако, тщательной проработки по критериям электробезопасности. ИФХЭ РАН же разрабатывает пассивное, но фундаментальное решение, предотвращающее саму возможность образования ледяного покрова и не несущее сопутствующих электромагнитных рисков, подтвержденное исследованиями МАИ.

Оба проекта, проходящие строгую экспертизу, демонстрируют высокий научно-технический потенциал российских технических университетов и фундаментальных исследований, проводимых Российской академией наук. Их дальнейшее развитие и, возможно, синергия в виде гибридных систем открывают новые горизонты для создания комплексных решений, способных сделать полёты в самых суровых климатических условиях максимально безопасными.