Хотя большинство самолётов используют тепло для таяния льда, который может образоваться на крыле как перед взлётом, так и во время полёта, этот процесс очень энергоёмкий и может повлиять на эффективность двигателя. Новый метод, разработанный немецкими исследователями, позволяет стряхивать лёд.
Даже небольшое количество льда может существенно повлиять на эксплуатационные характеристики крыла самолёта. Поскольку кристаллы льда шершавые, они фактически меняют форму крыла, нарушая плавный поток воздуха над его поверхностью. Это увеличивает сопротивление, снижает подъёмную силу и влияет на продольную устойчивость самолёта. Поэтому защита крыльев от обледенения — важная задача авиации.
До сих пор наиболее распространённым способом защиты крыльев от обледенения были системы, направляющие горячий воздух от двигателей на крылья. Однако, по словам исследователей из немецкого Института Фраунгофера, это потребляет много энергии и снижает эффективность двигателей. Поэтому было решено найти более эффективный способ.
Они разработали систему, основанную на миниатюрных пьезоэлектрических актуаторах, встроенных в поверхность крыла. Эти актуаторы вибрируют при подаче на них тока и способны стряхивать образующийся над ними лёд.
«Вибрации находятся в диапазоне всего нескольких килогерц», — сказал Денис Беккер, исследователь из Института Фраунгофера. «Они невидимы невооруженным глазом, но очень эффективны. Лёд, прилипший к крылу, ломается и отваливается».
На этом изображении показана симуляция колебаний крыла самолета, входящего в собственную моду, состояние, при котором несколько частей крыла вибрируют с одинаковой частотой (Фраунгофер ЛБФ).
Помимо того, что эта система является более экологичным методом защиты крыльев от обледенения, она также позиционирует себя как подходящая для самолетов будущего, у которых, возможно, не будет тепловыделяющих двигателей, созданных на основе новых двигательных технологий.
«Двигатели будущего больше не будут вырабатывать горячие выхлопные газы или избыточное тепло, необходимые термомеханическим противообледенительным системам для своей работы», — говорит Беккер. «Наш метод даёт возможность сократить потребление энергии до 80%, что делает его важным вкладом в устойчивое развитие авиации».
Математика имеет значение
Хотя крошечные вибрирующие двигатели, стряхивающие кристаллы льда, могут показаться очевидным способом защиты крыльев самолетов от обледенения, настоящим прорывом в работе стал алгоритм, который вычисляет собственную резонансную частоту, на которой исполнительные механизмы начинают вибрировать — частоту, которая может постоянно меняться во время полета.
«Определяющими факторами являются материал, из которого сделаны крылья, скорость, высота полета, температура, влажность и толщина слоя льда», — сказал Беккер.
Учёные протестировали свои приводы, управляемые алгоритмами, в обледенелой аэродинамической трубе, что позволило им оптимизировать их работу и доказать их способность выполнять свою задачу. В дальнейшем они планируют продолжить настройку приводов, чтобы подготовить их к летным испытаниям.
Крылья были разработаны в рамках проекта Европейского союза «Чистая авиация» — инициативы, направленной на достижение климатически нейтральной авиации к 2050 году.
