Как контролировать образование льда в самолете, даже когда он находится в полете? Джонатан Борейко, доцент кафедры машиностроения, возглавляет команду, работающую с Collins Aerospace над разработкой подхода с использованием самого льда. В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, они создали метод защиты от обледенения, в котором используется способ нарастания инея на столбчатых конструкциях, чтобы удерживать лед, когда он образует слой, который легче удалить.

Обледенение в самолетах может быть опасным. Наблюдение за табло отправления в аэропорту на предмет задержек из-за гололеда — привычное дело для зимних путешественников, и Национальный совет по безопасности на транспорте сообщает о 52 несчастных случаях на борту самолетов, связанных с образованием льда в период с 2010 по 2014 год, в результате которых погибло 78 человек.

Противообледенительная обработка самолета в аэропорту перед взлетом возможна, но самолеты также испытывают резкое падение температуры и быстрое образование льда в полете. Когда на крыльях образуется лед, он может сильно ограничить способность пилота безопасно управлять самолетом. Исследователи полагают, что оснащение самолетов способностью удалять лед при полете на высоте от 35000 до 42000 футов обеспечит лучший набор инструментов для обеспечения безопасности.

Ставим лед на пьедестал

Команда Борейко работала, зная, что капли воды ведут себя по-разному в зависимости от поверхности. Они стремились использовать принцип, известный как закон Кэсси, который показывает, что воздух может задерживаться под каплями воды, если капли подвешены на неровной и водоотталкивающей конструкции. Со структурой, которая могла удерживать воздух под водой в этом «состоянии Кэсси», исследователи стремились создать слой льда с меньшей адгезией к поверхности.

Как объяснил Борейко, для создания водоотталкивающей поверхности обычно требуется химическое покрытие, которое необходимо периодически пополнять, а неровная поверхность также имеет тенденцию изнашиваться. Команда выбрала новый подход с целью создания водоотталкивающей поверхности, не требующей хрупких химических покрытий или ультратонких ударов. Вместо этого они выбрали простую и прочную конструкцию в виде алюминиевых столбов миллиметрового размера.

Команда Борейко создала ряд столбов, каждый миллиметр высотой и полмиллиметра шириной. Крошечные постаменты были выточены в узор с миллиметром между ними. По мере того, как температура падала, изморозь преимущественно увеличивалась на верхушках столбов, что приводило к приподнятым верхним точкам наледи. По мере добавления воды она впитывалась в этот пористый слой инея. Когда капли воды впоследствии ударились о поверхность, они застряли на морозных постаментах.

Эти ледяные капли образовали крошечные «ледяные мостики», как описал ведущий автор Хёнгон Пак, которые закрыли воздушные промежутки в долинах между ледяными столбами.

«Когда при ударе капли воды застыли на поверхности, мы сделали интересное наблюдение: капли воды были захвачены кончиками льда и построили ледяные мосты, чтобы задержать воздушные карманы под ними», — сказал Парк. Со временем над обледеневшими столбами образовался сплошной и задерживающий воздух ледяной покров.

В то время как другие методы защиты от обледенения могут по-прежнему позволять ледяному листу более непосредственно прилипать к большой площади поверхности, эти захваченные воздушные зазоры заставляют лист подвешиваться, снижая количество прилипшего льда к поверхности.

«Используя более крупные столбы вместо наноструктур и кончики инея вместо гидрофобного покрытия, мы обнаружили, что можем получить такое же преимущество, заключающееся в улавливании воздуха под формирующимся льдом, избегая при этом проблем с долговечностью», — сказал Борейко. «Это должно сделать наш подход практичным для повышения эффективности защиты от обледенения самолетов или теплообменников».

При более слабом сцеплении можно использовать воздушные карманы, чтобы затем оттолкнуть лед. Это будет следующим шагом в исследовательском процессе, поскольку команда Борейко продолжает развивать свой метод.