Пермские ученые создали «умное» покрытие против обледенения самолета

Обледенение — опасное природное явление, особенно в авиации, при котором на поверхностях самолета образуется ледяной покров. На первый взгляд кажется, что это всего лишь иней, но на деле — одна из самых серьезных угроз. Лед, даже толщиной в несколько миллиметров, меняет форму крыла, из-за чего самолет может потерять подъемную силу.

Наиболее опасным считается температурный диапазон от 0°C до -10°C. Именно в этих, казалось бы, не самых суровых условиях формируется «стекловидный» лед — прозрачный, прочный и практически незаметный. Его образование связано с физическим процессом, при котором в облаках при отрицательных температурах сохраняются переохлажденные капли воды в жидком состоянии. Когда они сталкиваются с поверхностью самолета, то мгновенно замерзают, успевая перед этим растечься и образовать сплошной ледяной панцирь, который плотно сцепляется с металлом и ухудшает аэродинамические характеристики крыла.

На данный момент традиционные технологии — такие как подача нагретого воздуха от двигателей, электрические обогреватели или использование химических составов — отличаются высоким энергопотреблением и необходимостью постоянного контроля со стороны пилотов, при этом не гарантируя стабильной работы в течение всего полета. Более современные противообледенительные механизмы используют пьезоэлектрические элементы — специальные материалы, которые начинают вибрировать под действием тока. Такие решения способны разрушать ледяной покров толщиной от 1 до 4 мм за счет автоматического усиления вибраций и перехода в резонансный режим. Однако эти системы имеют ограничение: встроенные датчики не обеспечивают эффективного мониторинга и обработки больших поверхностей, таких как крылья самолета, что снижает их практическое применение в авиации.

Ученые Пермского Политеха разработали «умное» покрытие для борьбы с обледенением: оно самостоятельно определяет появление льда, удаляет его и контролирует результат. В основе технологии — активный вибрирующий компонент (пьезоэлектрический), то есть слой со специальной структурой расположения электродов, который создает мощные вибрации для сброса ледяного покрова. На изобретение получен патент № 2748665.

В существующих пьезоэлектрических системах против образования наледи часто используются простые параллельные или сеточные электроды. Они создают относительно слабое и неравномерное электрическое поле, что приводит к локальным вибрациям недостаточной мощности для разрушения прочного льда.

— Суть нашего метода в том, что мы заменили традиционное расположение электродов на две взаимодействующие подсистемы IDE-электродов в виде двух «гребенок», в которых «зубчики» (штыревые электроды) одной расположены между зубчиками другой, или в форме плоской или цилиндрической двойной спирали электродов, — прокомментировал Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Эта принципиально новая концепция была реализована в физическом образце, представляющем собой многослойную структуру — своеобразный «слоеный пирог». Где основа — это пластина из пьезоэлектрического материала с нанесенными или встроенными электродами, которые разработали ученые. Сверху конструкция защищена полимерным покрытием, а по краям выведены контакты для подключения питания, что обеспечивает удобную интеграцию устройства в бортовую сеть самолета.

— Прежде чем изготовить такое устройство, мы выполнили компьютерное моделирование и испытали уменьшенные прототипы. В ходе экспериментов изучали, как разные частоты колебаний и толщина льда влияют на эффективность очистки. Результаты подтвердили способность механизма разрушать лед толщиной до 5 мм. При этом особенностью конструкции является встроенная самодиагностика: в режиме очистки сила тока достигает максимума, а после сброса льда падает до минимума. Именно интеллектуальность является ключевым преимуществом данной технологии — система способна самостоятельно определять момент появления льда, активировать процесс очистки и отключаться после его завершения. Это происходит без дополнительных датчиков и позволяет значительно экономить энергию, — рассказал Андрей Паньков.

Что касается временных показателей, полный цикл очистки — от обнаружения ледяного слоя до его полного удаления — занимает от нескольких секунд до минуты, в зависимости от площади обледенения и его толщины.

Для сравнения: традиционные решения, такие как химические реагенты и подача горячего воздуха, работают постоянно или циклически независимо от фактического наличия наледи, а пьезоэлектрические аналоги предыдущего поколения требуют непрерывной работы в течение всего периода ее образования, тогда как новая система активируется только при необходимости и снижает энергозатраты на 70–90% по сравнению с традиционными методами.

К тому же дополнительным преимуществом является внешний полимерный слой (защитная пленка), который при вибрациях интенсивно выделяет тепло, дополнительно ослабляя сцепление льда с поверхностью. Такое комбинированное воздействие — механическое и тепловое — гарантирует надежный сброс ледяного панциря даже в самых сложных погодных условиях. Благодаря этому общая эффективность системы на 30% выше, чем у традиционных противообледенительных технологий.

Разработка пермских ученых демонстрирует пример smart-материала, способного адаптироваться к изменяющимся условиям и эффективно решать проблему обледенения в реальном времени.