Ученые Пермского Политеха исследовали применение лазера в борьбе с обледенением авиационных систем

Статья опубликована в журнале «Вестник Московского авиационного института».

В авиации обледенение считают одним из самых опасных природных явлений. Оно возникает при определенных погодных условиях как в полете, так и на земле. Самолет или вертолет попадает в облако переохлажденных капель воды, которые остаются жидкими даже при минусовой температуре, но при ударе о корпус мгновенно замерзают, превращаясь в плотный слой льда.

Последствия этого процесса могут быть катастрофическими. Нарастая на крыльях, лед меняет их аэродинамический профиль: возникают завихрения и возрастает сопротивление. А значит, нарушается управляемость и появляется угроза безопасности полета. Обледенение также опасно для двигателей: намерзающий слой способен ограничить поступление воздуха и привести к сбоям в его работе, поскольку куски льда могут повредить конструкцию, сорвавшись с поверхности.

Чтобы предотвратить эти угрозы, в авиации давно используют специальные противообледенительные системы. Тепловые нагревают поверхность горячим воздухом, в результате чего намерзший слой тает или не успевает застыть. Механические системы разрушают лед, например, вибрацией, от которой он просто отваливается. Физико-химические распыляют на поверхность специальные жидкости, понижающие температуру замерзания воды или препятствующие прилипанию.

Однако эти системы потребляют значительные объемы энергии, могут повреждать чувствительные композитные обшивки, требуют создания запаса реагентов и могут терять эффективность в определенных режимах полета.

В поисках альтернативы ученые обратили внимание на лазерное излучение. Оно способно нагревать и разрушать лед дистанционно, без механического контакта и с минимальными затратами энергии. Но если тепловые, механические и химические методы изучены достаточно хорошо, то применение лазеров для борьбы с обледенением до сих пор практически не исследовалось. Сегодня в мире существуют единичные патенты на эту тему, но они не имеют экспериментального подтверждения и не учитывают реальные условия эксплуатации.

Разработка новых систем сегодня особенно актуальна в связи с активным освоением Арктики и Крайнего Севера. В этом регионе полеты выполняются в сложнейших климатических условиях, где обледенение остается постоянной угрозой, а традиционные методы защиты зачастую малоэффективны.

Ученые Пермского Политеха исследовали применение лазера для защиты авиационных двигателей и впервые в мире использовали его при разработке малогабаритной установки для борьбы с обледенением. Они экспериментально подтвердили, что излучение способно разрушать лед на поверхностях летательных аппаратов, потребляя при этом минимум энергии и не повреждая конструкцию. Результаты исследований позволят создать лазерные противообледенительные системы, которые будут легче и энергоэффективнее существующих аналогов.

Чтобы создать лазерную систему для защиты от льда, ученым необходимо было понять физику процесса и определить ключевые параметры будущего источника излучения: какую брать мощность, сколько времени воздействовать, чтобы он разрушался, но конструкция оставалась целой.

— Чтобы понять, как лазер взаимодействует со льдом, мы создали специальную модельную установку. В качестве объектов выбрали кубики льда размером 50×50×50 мм и ледяные пластины толщиной 2 мм. Первые нужны были, чтобы понять, как лазер проникает вглубь и насколько широкую зону он плавит. Пластины имитировали тонкий слой замерзшей воды на поверхности — например, тот, что образуется на крыльях во время полета или предполетной подготовки при определенных погодных условиях, — рассказал Никита Владимиров, младший научный сотрудник центра высокопроизводительных вычислительных систем ПНИПУ.

Эффективность лазерного воздействия исследователи анализировали по трем основным критериям: диаметр канала плавления (насколько широкую область способен обрабатывать луч), глубину плавления и массу удаленного льда. Чтобы корректно сравнивать различные режимы работы, время воздействия во всех экспериментах было одинаковым и составляло несколько секунд.

В результате экспериментов ученые определили оптимальные параметры воздействия лазера для разрушения льда. Наиболее эффективные режимы позволили удалять максимальную массу при минимальных энергозатратах.

— На созданной малогабаритной экспериментальной установке мы провели серию экспериментов и проверили, способен ли лазер разрушать намерзший слой быстрее, чем он нарастает в реальных условиях. Для этого измерили скорость плавления образцов при разных режимах работы, которая достигла 27–36 мм/мин. При этом средняя скорость нарастания льда значительно ниже, что подтвердило принципиальную возможность использования лазера для борьбы с обледенением, — отметил Владимир Модорский, доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ.

Это значит, что новая система сможет не просто убирать уже намерзший слой, а работать постоянно, не давая ему нарастать до опасных толщин. То есть перейти от борьбы с последствиями к предотвращению самого обледенения. В отличие от тепловых систем, которые удаляют лед примерно за две и более минуты, лазер справляется с этой задачей быстрее, а главное — потребляет на порядок меньше энергии.

Работа ученых имеет важнейшее прикладное значение. Они впервые в мире экспериментально доказали, что лазерный луч можно рассматривать как реальный инструмент для борьбы с обледенением на подвижных поверхностях в условиях жестких ограничений авиации.

Полученные данные легли в основу создания малогабаритной экспериментальной установки «Луч-1». Она уже спроектирована для моделирования условий полета и испытания лазерной защиты на работающих воздушных винтах и летательных аппаратах.