Результаты исследований представлены в журнале «Научный Вестник МГТУ ГА».
Обледенение — это процесс формирования льда на поверхности летательных аппаратов, что может привести к серьезным последствиям. Ледяные отложения увеличивают вес воздушного судна, нарушают работу датчиков пилотажно-навигационных систем, изменяют форму крыла, тем самым ухудшая его аэродинамические свойства. В результате полеты становятся более затратными из-за ускоренной амортизации и увеличенного расхода топлива и, что наиболее важно, небезопасными.
Обледенение происходит при взаимодействии конструктивных элементов судна с каплями переохлажденной воды, то есть с водой, которая не замерзает при температуре ниже 0 градусов. Следует отметить, что кристаллизация жидкостей зависит не только от температуры, но и от давления, наличия примесей и других факторов. Поэтому в облаках вода может оставаться в жидком состоянии даже при -39 градусов. Вероятность обледенения судна определяется метеорологическими условиями и значительно возрастает на атмосферных фронтах — переходных зонах между воздушными массами с различной температурой, давлением и влажностью.
Для предотвращения обледенения летательных аппаратов и снижения сопротивления используются водоотталкивающие покрытия, также известные как гидрофобные. Однако их применение связано с рядом проблем. В частности, вода может проникать в поры покрытий и существенно ослаблять их гидрофобный эффект, а также способствовать накоплению органических соединений и размножению микроорганизмов. Тем не менее, нежелательные явления наблюдаются не всегда и только при определенных условиях. Важную роль в их возникновении играют размер и скорость 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 столкновении».
«Мы вывели оригинальные формулы 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 протестировали разработанные математические модели. Изучая литературные источники, они собрали и обработали обширный массив данных о взаимодействии воды с подложками из различных материалов. Особое внимание было уделено закономерностям изменения угла смачивания θ, который представляет собой 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 найти способы увеличения угла θ.
Они установили, что угол смачивания θ плоской поверхности в значительной степени зависит от температуры Дебая TD (K). Эта зависимость может быть приближенно описана логарифмической кривой в окрестности экспериментальных точек (рисунок 1).
«Мы продемонстрировали, что краевой угол смачивания плоского покрытия увеличивается с ростом температуры Дебая этого покрытия», — говорит Иван Амелюшкин.
Следует отметить, что в твердом теле, нагретом до температуры Дебая TD, возбуждаются все собственные колебания частиц, в данном случае — атомов. Таким образом, температура Дебая TD 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, влияют на обмен импульсом и образование связей при взаимодействии атомов подложки с молекулами воды. Иными словами, амплитуды α и частоты колебаний ω атомов определяют водоотталкивающие свойства покрытия.
Кроме того, угол смачивания θ подложки водой демонстрирует зависимость, близкую к линейной (рисунок 2), от радиуса атомов rA (Å) и амплитуды их колебаний α. При этом особенности колебаний атомов зависят от кристаллической решетки вещества.
Разработанные учеными математические модели будут применяться для решения проблем обледенения летательных аппаратов и снижения трения. Это позволит сделать обоснованный выбор материалов для гидрофобных покрытий, минимизируя риск возникновения аварийных ситуаций и расходы на полеты.