ПНИПУ создал «умную кожу» для самолётов — сбрасывает лёд за секунды
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали так называемую «умную кожу» для самолетов. Инновационное покрытие самостоятельно фиксирует образование льда на фюзеляже и других элементах воздушного судна, обеспечивает его удаление и контролирует итоговый результат, сообщили в пресс-службе вуза.
Наиболее опасным считается температурный диапазон от 0 до −10 °C. В этих условиях на самолетах формируется «стекловидный» лед — прозрачный, прочный и практически незаметный. ПНИПУ разработал покрытие для борьбы с обледенением: оно самостоятельно определяет появление льда, удаляет его и контролирует результат. В основе технологии — активный вибрирующий компонент (пьезоэлектрический): слой со специальной структурой электродов, создающий мощные вибрации для сброса ледяного покрова.
Авторы сравнивают новую систему с традиционными противообледенительными средствами: подачей нагретого воздуха от двигателей, электрическими обогревателями и обработкой химическими составами. По их оценке, перечисленные методы требуют значительных энергозатрат и постоянного контроля со стороны экипажа, при этом не гарантируют работу на весь маршрут полета. В новом решении используются пьезоэлектрические элементы — материалы, генерирующие колебания под действием электрического тока, которые разрушает лед за счёт усиления вибраций и перехода в резонансный режим.
В существующих системах применяются простые параллельные или сеточные электроды, создающие относительно слабое и неравномерное электрическое поле. Это приводит к локальным вибрациям, недостаточным для разрушения прочного льда или для обработки больших поверхностей, например крыла самолёта. Разработчики ПНИПУ сконцентрировали усилия на изменении конфигурации электродов, чтобы повысить эффективность и равномерность вибраций по всей обрабатываемой площади.
Новая технология
По словам профессора кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктора физико‑математических наук Андрея Панькова, суть метода в том, что традиционное расположение электродов заменяется на две взаимодействующие подсистемы IDE‑электродов в виде двух «гребёнок», у которых «зубчики» (штыревые электроды) одной подсистемы расположены между зубчиками другой. Возможна также реализация в форме плоской или цилиндрической двойной спирали электродов.
Физически разработка представляет собой многослойную структуру: базовая плита выполнена из пьезоэлектрического материала с нанесёнными или встроенными электродами. Сверху конструкция покрывается защитным полимерным слоем, по краям выводятся контакты для подключения питания, что позволяет интегрировать устройство в бортовую сеть самолёта.
Прежде чем изготовить устройство, учёные 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 лёд толщиной до 5 мм. Особенностью конструкции является встроенная самодиагностика: в режиме очистки сила тока достигает максимума, а после сброса льда падает до минимума. Система самостоятельно определяет момент появления льда, активирует процесс очистки и отключается после его завершения. Это происходит без дополнительных датчиков и позволяет значительно экономить энергию, отметил Паньков.
По данным исследователей, полный цикл — от обнаружения ледяного слоя до его удаления — занимает от нескольких секунд до одной минуты в зависимости от площади обледенения и его толщины. Скорость очистки обеспечивается также внешним полимерным покрытием, которое при вибрации выделяет тепло и ослабляет сцепление льда с поверхностью. Комбинация механического и теплового воздействий рассчитана на эффективное удаление ледяного панциря в различных метеоусловиях.
По оценке разработчиков, общая эффективность новой системы выше примерно на 30% по сравнению с традиционными противообледенительными технологиями, при этом энергозатраты снижены на 70–90%. На разработку оформлен патент. Исследование велось в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет‑2030».