Ледяной щит для авиации: пермские учёные нашли способ борьбы с обледенением

Атмосферные слои, перенасыщенные влагой в состоянии переохлаждения, становятся причиной образования ледяной корки на лопастях винтовых двигателей воздушных судов. Эта проблема несет серьезную угрозу, ведь неравномерное откалывание льда может привести к серьезным поломкам силовой установки. Существующие технологии борьбы с обледенением хорошо зарекомендовали себя на крупных воздушных судах, однако для малой авиации требуется принципиально иной подход — методы, предотвращающие само образование льда в значительных количествах. Исследователи из Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) провели ряд экспериментов, чтобы выяснить, как жесткость лопастей влияет на поведение винта в условиях обледенения, и как можно минимизировать возникающие вибрации и механические напряжения.

Фото: flickr.com by Dmitry Terekhov, CC BY-SA 2.0

Для больших пассажирских и грузовых самолетов разработаны и успешно применяются разнообразные антиобледенительные системы. К сожалению, их использование затруднено на малогабаритных летательных аппаратах, оснащенных винтовыми двигателями. Это особенно актуально для таких машин, как конвертопланы, широко применяемые для экологического мониторинга и создания карт местности.

В связи с этим, возрастает потребность в пассивных методах защиты, которые позволят полностью исключить образование льда или существенно замедлить его нарастание. Один из наиболее экономичных и доступных способов пассивной защиты заключается в кратковременном, резком увеличении скорости вращения винта. Этот маневр позволяет сбросить накопившийся лед. Однако эффективность такого метода в значительной степени определяется жесткостью лопастей и масштабом обледенения. Крайне важно избегать возникновения интенсивных вибраций, которые могут привести к увеличению напряжений и повреждению двигателя.

Специалисты ПНИПУ выдвинули гипотезу, согласно которой использование в конструкции винта пар лопастей с различными показателями жесткости позволит снизить уровень вибраций в момент сброса льда. При этом, важно, чтобы каждая пара противоположных лопастей имела одинаковую жесткость.

Инженеры Политеха спроектировали и изготовили два варианта конструкции вентилятора с различными комбинациями жесткостей лопастей. Эксперименты проводились в специализированной низкотемпературной аэродинамической трубе, где исследовалось влияние изменения жесткости лопастей винта на его вибрационные характеристики во время работы.

Результаты испытаний показали, что формирование ледяного покрова на вентиляторе с менее жесткими лопастями сопровождается резким увеличением виброскорости и достижением критического режима работы. На вентиляторе с более жесткими лопастями такой эффект не наблюдался.

Кроме того, исследователи провели компьютерное моделирование различных сочетаний лопастей с разной жесткостью и рассчитали распределение напряжений в ледяной корке при интенсивном вращении вентилятора (10 000 оборотов в минуту).

Станислав Калюлин, заместитель декана аэрокосмического факультета по науке и инновациям ПНИПУ, а также заместитель директора Центра высокопроизводительных вычислительных систем, кандидат технических наук, пояснил, что увеличение жесткости лопасти винта с 800 до 1620 Н/м способствует более равномерному распределению напряжений и деформаций в ледяной корке. Увеличение жесткости на 36 процентов приводит к снижению средних напряжений в наледи на 22 процента. Если же жесткость увеличить на 174 процента, то средние напряжения снижаются на 52 процента.

Ученые Пермского Политеха экспериментально подтвердили, что характер распределения напряжений в ледяной корке напрямую зависит от жесткости лопастей вентилятора. Полученные данные открывают путь к оптимизации конструкции и предотвращению повреждений винтовых двигателей малых летательных аппаратов, работающих в условиях обледенения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского Научного Фонда (РНФ) и Министерства образования и науки Пермского края.

Уточнения

Конвертоплан — винтокрылый летательный аппарат с поворотными двигателями, которые на взлёте и при посадке работают как несущие винты, а в горизонтальном полёте — как тянущие или толкающие; при этом подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа.