Смодельовано властивості покриттів для захисту літаків від обледеніння.

Результати досліджень опубліковані у журналі «Науковий Вісник МГТУ ГА».

Під обледенінням розуміють процес утворення льоду на поверхні літальних апаратів, що призводить до негативних наслідків. Льодові нарости збільшують масу повітряного судна, порушують роботу датчиків пілотажно-навігаційних приладів, змінюють геометричну форму крила, погіршуючи тим самим його аеродинамічні характеристики. Як результат, польоти стають більш витратними через прискорену амортизацію та підвищене споживання пального і, що найважливіше, небезпечними.

Обледеніння відбувається при зіткненні конструктивних елементів судна з присутніми в атмосфері краплями переохолодженої води, тобто води, що не перетворюється на лід при температурі нижче 0 градусів. Слід зазначити, що кристалізація рідин залежить не лише від температури, але й від тиску, наявності домішок та ряду інших факторів, тому в хмарах вода може існувати в рідкому стані навіть при -39 градусах. Ймовірність обледеніння судна визначається метеорологічними умовами і значно зростає на атмосферних фронтах — перехідних зонах між повітряними масами, що мають різну температуру, тиск та вологість.

Запобігають обледенінню літальних апаратів і знижують опір тертя водоотталкуючі покриття, які також називають гідрофобними. Водночас їх застосування пов'язане з низкою проблем. Зокрема, вода може проникати в пори покриттів і значно послаблювати їх гідрофобний ефект, а також сприяти відкладенню на цих ділянках органічних сполук і розвитку мікроорганізмів. Проте небажані явища спостерігаються не завжди, а при певних умовах. Важливу роль у їх виникненні грає розмір і швидкість руху крапель, а також форма, матеріал і шорсткість поверхні деталей судна. Для розширення можливостей управління взаємодією рідини з твердим тілом вчені з МФТІ та ЦАГІ розробили математичні моделі, що дозволяють прогнозувати властивості гідрофобних покриттів залежно від складу та геометрії рельєфу.

«За допомогою методів математичного та комп'ютерного моделювання ми описали режими обтікання рідиною гідрофобного тіла, що містить у порах повітря, — говорить Максим Кудров, директор Інституту аеромеханіки та літальної техніки МФТІ. — Використовуючи моделі, ми розрахували значення коефіцієнтів зміни швидкості молекул при зіткненні».

«Ми вивели оригінальні вирази для обчислення коефіцієнтів відскоку молекул рідини від поверхні твердого тіла в залежності від його фізичних властивостей та температури», — додає Іван Амелюшкін, програміст Інституту аеромеханіки та літальної техніки МФТІ.

У процесі дослідження вчені апробували розроблені математичні моделі. Вивчаючи літературні джерела, вони зібрали та обробили великий масив даних про взаємодію води з підкладками з різних матеріалів. Особливу увагу було приділено закономірностям зміни краєвого кута змочування θ, під яким розуміють кут між твердою поверхнею та дотичною, проведеною до поверхні краплі рідини. Чим більший кут змочування θ, тим вищий водоотталкуючий ефект поверхні, тому вченим було важливо виявити способи підвищення кута θ.

Вони встановили, що кут змочування θ плоскої поверхні в значній мірі залежить від температури Дебая T_D (K). Цю залежність можна приблизно описати логарифмічною кривою в околицях експериментальних точок (рисунок 1).

«Ми показали, що краєвий кут змочування плоского покриття тим більший, чим вища температура Дебая цього покриття», — зазначає Іван Амелюшкін.

Слід підкреслити, що в твердому тілі, нагрітому до температури Дебая T_D, збуджуються всі власні коливання частинок, в даному випадку — атомів. Отже, температура Дебая T_D поряд із молярною масою речовини покриття M (кг/моль) визначає амплітуди α (Å) та частоти коливань ω (с^-1) атомів. Ці величини, у свою чергу, обумовлюють обмін імпульсом та утворення зв'язків при взаємодії атомів підкладки з молекулами води. Іншими словами, амплітуди α та частоти коливань ω атомів задають водоотталкуючі властивості покриття.

Крім того, кут змочування θ підкладки водою має залежність, близьку до лінійної (рисунок 2) від радіуса утворюючих її атомів r_A (Å) та амплітуди їх коливань α. При цьому особливості коливань атомів залежать від кристалічної решітки речовини.

Розроблені вченими математичні моделі будуть використані при вирішенні проблем обледеніння літальних апаратів та зниження тертя. Це дозволить здійснити правильний і обґрунтований вибір матеріалу гідрофобного покриття, мінімізувати ризик виникнення аварійних ситуацій та витрати на польоти.