Смоделированы свойства покрытий для защиты самолетов от обледенения

Результаты исследований опубликованы в журнале «Научный Вестник МГТУ ГА».

Под обледенением понимают процесс образования льда на поверхности летательных аппаратов, приводящий к негативным последствиям. Ледяные наросты увеличивают массу воздушного судна, нарушают работу датчиков пилотажно-навигационных приборов, изменяют геометрическую форму крыла, ухудшая тем самым его аэродинамические характеристики. В результате полеты становятся более затратными из-за ускоренной амортизации и повышенного расхода топлива и, самое главное, небезопасными.

Обледенение происходит при столкновении конструктивных элементов судна с присутствующими в атмосфере каплями переохлажденной воды, то есть воды, не превращающейся в лед при температуре ниже 0 градусов. Следует отметить, что кристаллизация жидкостей зависит не только от температуры, но и от давления, наличия примесей и ряда других факторов, поэтому в облаках вода может существовать в жидком состоянии даже при -39 градусов. Вероятность обледенения судна определяется метеорологическими условиями и значительно повышается на атмосферных фронтах — переходных зонах между воздушными массами, имеющими разную температуру, давление и влажность.

Препятствуют обледенению летательных аппаратов и снижают сопротивление трения водоотталкивающие покрытия, называемые еще гидрофобными. В то же время их применение сопряжено с рядом проблем. В частности, вода может проникать в поры покрытий и значительно ослаблять их гидрофобный эффект, вдобавок способствовать отложению на этих участках органических соединений и развитию микроорганизмов. Тем не менее нежелательные явления наблюдаются не всегда, а при определенных условиях. Важную роль в их возникновении играет размер и скорость движения капель, а также форма, материал и шероховатость поверхности деталей судна. Для расширения возможностей управления взаимодействием жидкости с твердым телом ученые из МФТИ и ЦАГИ разработали математические модели, позволяющие прогнозировать свойства гидрофобных покрытий в зависимости от состава и геометрии рельефа.

«С помощью методов математического и компьютерного моделирования мы описали режимы обтекания жидкостью гидрофобного тела, содержащего в порах воздух, — говорит Максим Кудров, директор Института аэромеханики и летательной техники МФТИ. — Используя модели, мы рассчитали значения коэффициентов изменения скорости молекул при соударении».

«Нами выведены оригинальные выражения для вычисления коэффициентов отскока молекул жидкости от поверхности твердого тела в зависимости от его физических свойств и температуры», — добавляет Иван Амелюшкин, программист Института аэромеханики и летательной техники МФТИ.

В ходе работы ученые апробировали разработанные математические модели. Изучая литературные источники, они собрали и обработали большой массив данных о взаимодействие воды с подложками из различных материалов. Особое внимание было уделено закономерностям изменения краевого угла смачивания θ, под которым понимают угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли жидкости. Чем больше угол смачивания θ, тем выше водоотталкивающий эффект поверхности, поэтому ученым было важно обнаружить способы повышения угла θ.

Они установили, что угол смачивания θ плоской поверхности в значительной степени зависит от температуры Дебая T_D (K). Эту зависимость можно приближенно описать логарифмической кривой в окрестности экспериментальных точек (рисунок 1).

«Мы показали, что краевой угол смачивания плоского покрытия тем больше, чем больше температура Дебая этого покрытия», — говорит Иван Амелюшкин.

Надо подчеркнуть, что в твердом теле, нагретом до температуры Дебая T_D, возбуждаются все собственные колебания частиц, в данном случае — атомов. Следовательно, температура Дебая T_D наряду с молярной массой вещества покрытия M (кг/моль), определяет амплитуды α (Å) и частоты колебаний ω (с^-1) атомов. Эти величины, в свою очередь, обуславливают обмен импульсом и образование связей при взаимодействии атомов подложки с молекулами воды. Иными словами, амплитуды α и частоты колебаний ω атомов задают водоотталкивающие свойства покрытия.

Кроме того, угол смачивания θ подложки водой находится в зависимости близкой к линейной (рисунок 2) от радиуса образующих ее атомов r_A (Å) и амплитуды их колебаний α. При этом особенности колебаний атомов зависят от кристаллической решетки вещества.

Разработанные учеными математические модели будут использованы при решении проблем обледенения летательных аппаратов и снижения трения. Это позволит сделать правильный и обоснованный выбор материала гидрофобного покрытия, минимизирует риск возникновения аварийных ситуаций и расходы на полеты.