Установка ученых ПНИПУ усовершенствует защиту малогабаритных летательных аппаратов от обледенения⁠⁠

Малогабаритные летательные аппараты широко применяются для проведения поисково-спасательных работ, аэрофотосъемки и патрулирования территорий. Однако их работа при минусовой температуре и повышенной влажности осложняется из-за обледенения лопастей вентиляторов. Оно приводит к снижению тяги и повышенному потреблению энергии, усилению вибраций, а при неконтролируемом обрыве льда – даже к повреждению всей конструкции. Ученые Пермского Политеха разработали экспериментальную установку, которая позволит исследовать процесс обледенения вентиляторов малых летательных аппаратов и разработать более эффективные методы борьбы с ним.

Исследование будет опубликовано в журнале «Вестник Московского авиационного института», том 30, №4, 2023. Разработка проводилась при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-19-20118 и Минобрнауки Пермского края (Соглашение №С-26/1203 от 30.06.2022) коллективом сотрудников Центра высокопроизводительных вычислительных систем под научным руководством доктора технических наук, профессора Владимира Модорского.

Как отмечают ученые ПНИПУ, противообледенительные системы пассажирских и грузовых самолетов из-за своей сложности или наличия вспомогательных систем не всегда подходят для малогабаритных летательных аппаратов. Поэтому альтернативным способом удаления льда может служить «перегазовка» – кратковременное повышение частоты вращения вентиляторов. Политехники предположили, что на процесс разрушения льда при «перегазовке» влияют жесткость лопастей вентиляторов, качество и чистота их поверхностей, геометрия конструкции. Однако проверить это можно только с помощью опытов на специальном оборудовании.

Для этого ученые Пермского Политеха разработали экспериментальную установку. Она состоит из малогабаритной аэрохолодильной трубы, где можно поддерживать температуру от -30 до +25 градусов Цельсия. Внутри нее находится электродвигатель, на вращающийся вал которого устанавливается исследуемый вентилятор летательного аппарата. Высокоскоростная камера фиксирует процесс эксперимента на скорости до 960 кадр/сек. Облако капель охлажденной жидкости распыляется при помощи форсунки, а в нее подается из емкости под давлением компрессора.

Сложная система датчиков позволяет проводить оценку вибрации при различном уровне обледенения, получать моментальные значения влажности, давления и температуры. При помощи специального ПО исследователи управляют режимом работы электродвигателя и мощностью холодильной камеры, получают и записывают сигналы измерительного оборудования.

Ученые ПНИПУ провели эксперимент: локально изменили поверхностные свойства одной из лопастей вентилятора, установили вентилятор в трубу и в течение двух минут намораживали на него лед при частоте вращения 5000 об/мин и температуре -10 градусов Цельсия.

Затем скорость вращения вентилятора повысили до 7000 об/мин. Ледяной нарост на лопатке вентилятора с измененными свойствами разрушился, однако на остальных трех лопатках лед остался. Окончательный сход льда с остальных лопаток произошел после достижения частоты вращения 11500-12000 об/мин. Ученые предположили, что  локальная неоднородность свойств изменила характеристики сцепления льда с лопастью, поэтому на ней сход льда произошел при меньшей частоте оборотов.

– Управляемое изменение свойств поверхности вентилятора может снизить энергозатраты на «перегазовку» в процессе полета, и, как следствие, повысить его максимальную продолжительность, – отмечает кандидат технических наук, научный сотрудник Центра высокопроизводительных вычислительных систем, доцент кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ Николай Саженков.

Обледенение – крайне опасное явление и актуальная проблема не только для крупногабаритной авиации, но и в сфере малых летательных аппаратов. Разработанная установка позволит ученым ПНИПУ проводить дальнейшие эксперименты и совершенствовать методы борьбы с обледенением. Это упростит использование малогабаритных летательных аппаратов в условиях плохой погоды.