 Ученые из технологического института Дармштадта проводят исследования по причинам образования льда на самолете во время полета. Их эксперименты и реалистичные математические модели направлены на минимизацию рисков и затрат.
Когда рейс Air France 447 разбился над Атлантикой в ночь 1 июня 2009 года по пути из Рио-де-Жанейро в Париж и погибли 228 пассажиров, никто не подозревал, что катастрофа была вызвана образованием льда на датчиках скорости. Автопилот был выключился в ответ на обледенение, и система управления полетом перешла на альтернативный режим. Вместо того, чтобы инициировать стандартную операционную процедуру, предписанную для этой ситуации, пилоты совершали одну ошибку за другой.
Образование кристаллов льда остается серьезной опасностью в авиации. По этой причине все новые типы самолетов должны доказать до утверждения, что они могут продолжать безопасно летать даже в условиях накопления льда в полете. Это включает в себя сложный и трудоемкий процесс сертификации, требующих дорогих испытаний в аэродинамической трубе.
Ученые исследуют два вида обледенения. Одна группа исследует обледенение крыла от переохлажденной воды во время восхождения и спуска после взлета и до посадки, соответственно. Другая группа исследует накопление льда в двигателях и датчиков при полетах через облака кристаллического льда на крейсерских высотах. Без принятия контрмер оба типа обледенения будут иметь драматические последствия для безопасности полетов.
Обледенение на крыльях изменяет поперечное сечение профиля крыла. Растущий слой льда увеличивает вес самолета, уменьшает подъем и повышает сопротивление. Без контрмер, самолет расходует больше топлива, и может даже стать неуправляемым. В настоящее время обогрев переднего края крыльев приводит к расплавлению и опаданию слоев льда. Обледенение двигателей на больших высотах блокирует воздушные потоки, что приводит к потере тяги и эффективности, и, в худшем случае, к воспламенению двигателя.
Самолеты вступают в контакт с переохлажденной водой при полете через низменные облака, потому что капли переохлажденной воды существуют только при температуре ниже нуля в диапазоне до -20oC. Исследователи расследуют гидродинамические и термодинамические процессы в точке воздействия и замораживания переохлажденных капель для того, чтобы иметь возможность моделировать эти процессы. Поскольку скрытая теплота выделяется при замерзании, то замерзает точная доля капель, которой необходимо уравнять переохлаждение. Остальная незамерзшая часть распространяется по крыльям в виде водяной пленки, прежде чем она также замерзнет из-за низкой температуры подстилающей структуры. Поскольку температура воздуха опускается с увеличением высоты, и вода существует только в виде льда ниже -40oC, обледенение из-за капель переохлажденной воды может происходить только на определенной высоте полета.
Исследователи особенно заинтересованы в кристаллических структурах, образованных в процессе замораживания - так называемых дендритов. Они смогли продемонстрировать, что, в то время как фронт кристаллизации состоит из множества дендритов, эти дендриты не влияют друг на друга. Согласно исследователями, коллекция дендритов замерзает при точно такой же скорости, как и любой отдельный дендрит. Поэтому надо смоделировать только фронт кристаллизации в целом, а не каждый отдельный дендрит. Это существенно упростит расчеты.
Исследователям также удалось показать, что тепловые свойства поверхности влияют на процесс замораживания, в частности, за счет угла аккреции фронта затвердевания. Если появится возможность увеличить этот угол с помощью соответствующих мер, то это позволит свести к минимуму скорость, с которой поверхность будет обледеняться.
Исследователи также расследуют обледенение двигателя на большой высоте. В этом случае процесс образования льда начинается на теплой поверхности. В течение многих лет эта проблема не была четко признана, потому что считалось, что кристаллы льда будет отскакивать от холодных частей двигателя и расплавляться на теплых частях. Тем не менее, при определенных условиях значительное обледенение может произойти.
На сегодняшний день, исследователи смоделировали три процесса: расплавление одного кристалла льда; столкновение, и поведение пористого слоя льда. Отскок частицы льда зависит от скорости столкновения, поверхностного натяжения, а также размера и плотности частиц льда. Эти четыре переменные объединены в безразмерном числе Вебера. Ниже критического числа Вебера частицы придерживаются друг друга.
|
