Обледенение поверхностей самолета таит в себе потенциальную опасность: увеличивается расход топлива, нарушается аэродинамика и уменьшается создаваемая подъемная сила - функциональные возможности самолета ухудшаются. Исследователи из Фраунгоферовского института материалов и лучевых технологий IWS совместно с AIRBUS и Техническим университетом Дрездена разработали лазерный процесс, который убивает двух зайцев одним выстрелом: с одной стороны, лед отваливается сам по себе, а с другой, при необходимости защиты от обледенения выделяется меньше тепла. Благодаря прямому лазерному интерференционному структурированию можно спроектировать поверхностные структуры, обеспечивающие эффективную защиту от обледенения.
Образование льда представляет угрозу безопасности авиаперелетов. Если на крыльях или других критических точках, таких как хвост, оседает тонкий слой инея, это отрицательно сказывается на аэродинамике самолета. Подъемную силу можно уменьшить, а сопротивление воздуха увеличить. Скопление льда на зондах и датчиках приводит к ошибкам в измерении воздушной скорости, что имеет решающее значение для безопасности полетов. По этим причинам перед взлетом машины должны быть очищены от снега и льда. На земле спецавтомобили используют химикаты для удаления белого слоя. Химические антифризы также предназначены для предотвращения образования льда. Однако эти жидкости неэкологичны и дороги. Для антиобледенения требуется от 400 до 600 литров. Даже в воздухе самолет необходимо защищать от морозной опасности. Это обеспечивается дополнительными техническими превентивными механизмами в виде так называемых «систем защиты от обледенения». Однако эти нагревательные элементы увеличивают расход топлива.
Экологически устойчивый
С помощью технологии Direct Laser Interference Patterning (сокращенно DLIP - см. вставку) исследовательская группа из Fraunhofer IWS разработала процесс в тесном сотрудничестве с партнером по сотрудничеству AIRBUS и комплексом TU Dresden, извилистые поверхностные структуры в микрометровом и субмикрометровом диапазоне, которые предотвращают или значительно уменьшают прилипание льда. Особенность: исследователи комбинируют технологию DLIP с лазерами ультракоротких импульсов, так что многоуровневые микроструктуры могут быть созданы на трехмерных крыльях за один этап. Результат: с одной стороны, части налипшего средства для удаления льда сами по себе при определенных условиях обледенения, с другой стороны, для технического удаления льда требуется на 20 процентов меньшая тепловая мощность. Это имеет множество преимуществ: требуется меньшее количество противообледенительных реагентов, вредных для окружающей среды, сокращается время ожидания пассажиров во время противообледенительной обработки, снижается потребление энергии и топлива во время полетов, а также вес полета из-за потенциально меньшего нагрева. единицы. С традиционными технологиями сочетание двух эффектов пока невозможно.
Испытания в аэродинамической трубе совместно с AIRBUS
Это были результаты целенаправленной разработки процесса с подготовительной работой, проведенной в Техническом университете Дрездена, за которой последовала окончательная демонстрационная структура в Fraunhofer IWS, которая затем была протестирована в аэродинамической трубе AIRBUS. Исследования проводились со структурированным «профилем NACA» - миниатюрным и реалистичным крылом - и с неструктурированным профилем NACA в качестве эталона. Специалисты нанесли оптимизированную структуру на сложный трехмерный профиль NACA и протестировали ее в реальных условиях при скорости ветра от 65 до 120 м/с, температуре воздуха ниже минус десяти градусов по Цельсию и различных значениях влажности.
В ходе испытаний в аэродинамической трубе партнеры по проекту AIRBUS продемонстрировали, что лед на структурированной поверхности может расти только самоограниченным образом и отпадает сам по себе через определенный период времени - без необходимость дополнительного нагрева поверхности. Кроме того, эксперименты показали, что при мощности нагрева 60 Вт лед на неструктурированном профиле исчезает только через 70 секунд, а на структурированном аналоге полностью отходит уже через пять секунд - при той же мощности нагрева. Это соответствует ускорению более чем на 90 процентов в результате использования технологии DLIP. Чтобы удалить лед на неструктурированном демонстраторе в течение пяти секунд, требовалось на 25 процентов больше мощности нагрева или 75 Вт. »В тесном сотрудничестве с AIRBUS мы впервые реалистично показали, какие потенциальные возможности лазерного структурирования поверхности большой площади могут открыться в борьбе с обледенением. С помощью нашего подхода DLIP мы впервые смогли создать многомасштабные поверхности с микрометровым разрешением на сложном компоненте, таком как профиль NACA, и в то же время продемонстрировали определенные преимущества по сравнению с другими лазерными процессами», - говорит доктор. Тим Кунце, руководитель группы функционализации поверхностей Fraunhofer IWS. Его коллега Сабри Аламри добавляет: «Применение микро- и наноструктур к металлу означает, что капли воды больше не могут прикрепляться к ним. Этот эффект заимствован у природы и широко известен как эффект лотоса. С помощью нашего нового процесса DLIP мы можем получить фрагментированную поверхность, значительно уменьшив количество точек прилипания льда. Вскоре мы опубликуем результаты с научной точки зрения». Элмар Бонаккурсо, материаловед компании AIRBUS и партнер проекта, добавляет: «Обледенение особенно опасно во время посадки. Когда самолет летит сквозь облака при минусовой температуре, вода на поверхности замерзает за миллисекунды. Это может нарушить функциональность органов управления, таких как закрылки и предкрылки, что затем ухудшит аэродинамику. В настоящее время мы используем горячий воздух от двигателей для нагрева поверхностей крыльев. Водоотталкивающая структура, которую мы разработали вместе с исследователями из Fraunhofer IWS в рамках европейского проекта Laser4Fun, - это попытка заменить традиционные технологии экологически безопасными и более дешевыми альтернативами.«На следующем этапе партнеры по проекту хотят оптимизировать метод и разработать его для разных воздушных зон. Это также будет включать в себя результаты, полученные в настоящее время в ходе реальных летных испытаний A350 с нанесенной поверхностью DLIP.
Ключевая технология
Благодаря прямому структурированию лазерной интерференции с использованием лазеров с короткими и ультракороткими импульсами исследовательская группа создала ключевую технологию, которую можно использовать различными способами, например, при обработке технических поверхностей, таких как ветряные турбины или другие компоненты. в регионах с холодным климатом покрываются льдом. Однако эта технология также подходит для совершенно других применений, таких как защита продукта, биосовместимые имплантаты или улучшенные электрические контакты вилки. «Мы можем применять функциональные микроструктуры на больших площадях и с высокой скоростью процесса и, таким образом, получать преимущества для большого количества приложений, которые ранее были немыслимы.«, - говорит Тим Кунце.
Прямая лазерная интерференция (DLIP)
Явление интерференционного эффекта известно всем из уроков физики: Луч света, проходящий через двойную щель, образует при наложении периодическую картину из светлых и темных линий - так называемую интерференционную картину. Хотя специалисты Fraunhofer IWS генерируют узоры по-другому, остается неизменным то, что свет должен накладываться при прямом лазерном интерференционном построении (DLIP).
Этот процесс подходит для производства структур нано- и микрометрового размера и позволяет создавать специфические топографии поверхности для различных применений. При прямом лазерном интерференционном структурировании когерентный лазерный луч разделяется на два или более лучей и контролируемым образом накладывается на поверхность компонента. Эффект интерференции, возникающий в результате наложения - «периодическая модуляция интенсивности лазера» - позволяет применять определенные структуры к 2D- и 3D-компонентам. С помощью технологии DLIP на больших площадях с производительностью до одного квадратного метра в минуту можно наносить различную структурную геометрию. Fraunhofer IWS разрабатывает технологические принципы процесса DLIP и возникающие в результате поверхностные эффекты в тесном сотрудничестве с Техническим университетом Дрездена под эгидой «Центра передовой микрофотоники (CAMP)».