Обледенению отказать: какие вещества позволяют избежать авиакатастроф

Заменят ли супергидрофобные жидкости «незамерзайку», что эффективнее с точки зрения экономики и ученых РАН и как защищают самолеты в российских аэропортах — в материале Indicator.Ru.

Группа исследователей из Института физической химии и электрохимии РАН (ИФХЭ РАН) разработала серию так называемых супергидрофобных покрытий, использование которых может существенно повысить эффективность защиты металлических и пластмассовых конструкций от обледенения. По словам авторов разработки, покрытие позволит существенно сократить затраты на антиобледенительные жидкости. Также оно сохраняет защитные свойства в течение нескольких полетов, утверждают ученые.

Формирование и накопление льда нарушает работу и снижает эффективность кораблей, морских нефтяных платформ, ветровых турбин, плотин, электростанций, линий электропередач, телекоммуникационного оборудования и т. п. При этом ущерб, наносимый экономике при таких явлениях, как ледяной дождь и снежные бури, составляет десятки миллиардов рублей.

Авиакатастрофы

Обледенение летательных аппаратов в авиации приводит не только к экономическим потерям, но и к гибели десятков и сотен людей. В декабре 1971 года в нескольких километрах от аэропорта в Саратове упал самолет Ан-24. Лайнер заходил на посадку в сложных метеорологических условиях. Причиной катастрофы стало отключение антиобледенительной системы, повлекшее за собой обледенение самолета в облаках. Погибли 57 человек.

Осенью 1978 года тот же Ан-24 потерпел катастрофу и затонул в заливе Сиваш. Полет проходил ночью в облаках и в условиях обледенения. Погибли 26 человек.

В ноябре 1991 года из-за обледенения катастрофа произошла в аэропорту Бугульмы. Экипаж Ан-24 не включил противообледенительную систему. Крылья и стабилизаторы покрылись 1,5 сантиметрами льда. При попытке уйти на второй круг самолет рухнул на землю. 4 члена экипажа и 37 пассажиров погибли.

В апреле 2012 года под Тюменью потерпел крушение авиалайнер ATR 72. В результате катастрофы погибли 43 человека. Из заключения Межгосударственного авиационного комитета (МАК) следовало, что на поверхности самолета были снежно-ледяные отложения. Именно они привели к ухудшению аэродинамических характеристик самолета. Согласно заключению экспертов, проведение противообледенительной обработки позволило бы избежать катастрофы.

Противообледенительные жидкости

После авиакатастрофы в Тюмени российские авиаперевозчики стали использовать «Концепцию чистого самолета» (clean aircraft concept). Концепция запрещает начинать полет, если на корпусе самолета присутствует иней, снег или лед. При этом однозначного и исчерпывающего перечня условий, при которых нужно проводить обработку, не существует.

«Общим правилом является запрет на взлет самолета, если на его критических поверхностях (крыло, киль, стабилизатор, фюзеляж, включая приемники полного и статического давления, датчики температуры и угла атаки, двигателях, шасси) присутствуют недопустимые производителем самолета снежно-ледяные отложения в виде снега, льда, инея или слякоти», — рассказали корреспонденту Indicator.Ru в пресс-службе международного аэропорта «Домодедово».

Нужно ли проводить обработку и защиту от наземного обледенения, определяется в результате проверки до взлета самолета. Также учитывается наличие или возможное выпадение замерзающих осадков (снег, перехолажденный дождь, дождь, морозь, туман). При этом противообледенительная обработка может проводиться даже при плюсовой температуре на земле. «Ситуация может быть значительно сложнее, и, например, при больших остатках холодного топлива в баках крыла после предыдущего полета, обработка крыла может потребоваться даже при температуре воздуха +15 градусов», — уточнили в «Домодедово».

Сегодня существует четыре типа противообледенительных жидкостей (ПОЖ). Они представляют собой смесь воды и гликоля (класс органических соединений, содержащих две гидроксильные группы, — прим. Indicator.Ru) с добавлением различных загустителей.

Тип I применяют для удаления льда. Для экономии его могут разбавлять водой, при этом он практически не защищает, поскольку в жидкости нет загустителей.

В состав типа II входят загустители, которые защищают от обледенения, но действуют в течение небольшого срока.

В тип III добавляют меньше загустителей. Он используется для турбовинтовых самолетов с низкой скоростью отрыва при взлете.

Тип IV имеет высокую концентрацию загустителей и длительный защитный эффект.

Жидкости окрашивают в разные цвета, чтобы их было проще отличать друг от друга. Тип I имеет красноватый оттенок, Тип II — жемчужный, Тип III и Тип IV — желтый и зеленый цвета соответственно.

Цены на жидкости устанавливает аэропорт. Например, в международном аэропорту в Казани противообледенительные жидкости стоят около 200 рублей за литр (в зависимости от типа и концентрации). Для обработки самолета A320 требуется 200-300 литров. Для авиалайнеров количество противообледенительной жидкости составляет около 2000 литров. «К следующему сезону аэропорту предстоит переход на новую, уже разработанную и сертифицированную жидкость четвертого типа на базе этиленгликоля и лучшими характеристиками как по времени защитного действия, так и по минимальной температуре применения. Сейчас ПОЖ такого типа изготавливается на основе пропиленгликоля, производство которого ограничено в России. Кроме того, жизненный цикл жидкости четвертого типа Clariant Max Flight 04 (применяется для противообледенительной обработки в аэропорту «Домодедово», — прим. Indicator.Ru), выпуск которой был начат в 2004 году, уже заканчивается», — рассказали Indicator.Ru в пресс-службе аэропорта «Домодедово».

Супергидрофобные жидкости

Использование противообледенительных жидкостей экономически невыгодно, поскольку такие жидкости можно применять только один раз, считает доктор химических наук, заведующий кафедрой химической термодинамики и кинетики Санкт-Петербургского государственного университета Александр Тойкка. Альтернативой могут стать, например, гидрофобные и супергидрофобные покрытия.

Супергидрофобностью называют особое состояние поверхности, которая взаимодействует с водой в гетерогенном (неоднородном) режиме смачивания. Проще говоря, супергидрофобность — это такой режим, когда капля касается поверхности только в избранных точках. Она не проникает во впадины рельефов, а лишь опирается на вершины выступов, а в основной части нависает над поверхностью, и здесь между жидкостью и твердым материалом существует довольно толстая воздушная прослойка. Благодаря гетерогенному режиму смачивания супергидрофобные покрытия защищают материалы от коррозии, обеспечивают теплозащиту, могут также применяться для электроизоляции.

Разработка супергидрофобных поверхностей — достаточно популярное направление среди исследователей, так как сделать поверхность супергидрофобной можно только с помощью нанотехнологий, поскольку сама природа супергидрофобности требует многомодальной (мультимасштабной) шероховатости. А нанотехнологии — это место, куда в последние годы активно идут инвестиции.

Правда, у этой популярности есть и оборотная сторона: среди занимающихся супергидрофобностью ученых много таких, которые были просто неподготовлены к тем исследованиям, на которые сделали заявку. По словам руководителя исследования, академика РАН Людмилы Бойнович, главного научного сотрудника лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН, многие зарубежные группы пришли в это направление, не особенно представляя себе тонкостей контакта водных сред с твердой поверхностью, и потому достигли очень скромного успеха. Получаемая ими супергидрофобность (или то, что они принимали за супергидрофобность) держалась считанные секунды, в лучшем случае минуты. И часто возникали проблемы со стойкостью этого режима: стоило прикоснуться к полученной поверхности пальцем, как супергидрофобность исчезала.

Группа Людмилы Бойнович подошла к этим исследованиям, что называется, во всеоружии. Академик Борис Дерягин (1902-1994), основавший лабораторию поверхностных сил, создал на ее основе научную школу, которая получила международное признание.

Несколько лет назад лаборатория, заведующим которой в настоящее время является доктор физико-математических наук Александр Емельяненко, занялась, помимо прочего, исследованиями супергидрофобности, финансируемыми в основном грантом Российского научного фонда и программами Президиума РАН. Ученые провели подробный теоретический анализ явления и разработали ряд способов получения супергидрофобных поверхностей. Одним из самых интересных и перспективных методов, предложенных лабораторией, является так называемое лазерное наносекундное текстурирование. Оно позволяет создать на поверхности тот самый нанорельеф, который обеспечивает на материалах из металла или пластика режим супергидрофобности, причем режим стойкий, выдерживающий не только касание пальцем, а многократные замораживания и размораживания, сопровождающиеся большими напряжениями в зоне контакта поверхности с водой. Работы ученых были опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics, ACS Applied Materials and Interfaces и многих других.

«Главное наше достижение последних лет, — сказала Людмила Бойнович в разговоре с корреспондентом Indicator.Ru, — получение противообледенительных поверхностей. Нам удалось показать, что даже при высокой влажности воздуха капли воды, сидящие на супергидрофобных поверхностях, длительное время находятся в переохлажденном состоянии без кристаллизации при низких температурах. Противообледенительные покрытия, получаемые нами методом наносекундного лазерного текстурирования, имеют высокую износостойкость и хорошо справляются со своей задачей даже при очень масштабных перепадах температур. Нам также удалось показать уникальные противокоррозионные свойства наших поверхностей. И, что, может быть, наиболее важно, мы показали, что нашим методом можно организовать процесс получения супергидрофобной поверхности таким образом, чтобы не только достичь гетерогенного режима смачивания, но и изменить фазовые состояния твердого материала, тем самым повлияв еще на целую гамму других функциональных свойств этой поверхности».

Стоит отметить, что способ лазерного текстурирования, примененный группой ИФХЭ РАН, основан на использовании коммерчески доступных наносекундных лазерных систем и относительно недорог. Он может быть применен при антиобледенительной обработке самолетных крыльев и заменяет обработку антиобледенительными жидкостями (хотя в крайних случаях, в особых форс-мажорных ситуациях, как утверждает Людмила Бойнович, только эффект супергидрофобности может оказаться недостаточным и должен быть дополнен другими стандартными для авиации методами). В отличие от одноразовой обработки антиобледенительными жидкостями, супергидрофобное покрытие работает в течение многих дней без участия человека и приведет к большому экономическому эффекту. «Ключевой вопрос применимости таких покрытий, — комментирует Людмила Бойнович, — связан с тем, насколько создаваемое супергидрофобное состояние долговечно. В последнее время лаборатории удается получать очень стойкие покрытия, которые выдерживают до ста циклов кристаллизации, а также длительные абразивные и кавитационные нагрузки».

Едва ли можно ожидать, что в ближайшем будущем супергидрофобные покрытия заменят традиционные противооблединительные жидкости, считает Александр Тойкка. Это связано со сложностями, с которыми сталкиваются ученые при внедрении своих разработок. «С внедрениями в нашей стране достаточно плохо. Значительно проще купить уже апробированную технологию на западе. Но это тупиковый путь, так как мы попадаем в зависимость. Почему мы сейчас так радуемся санкциям? Потому что у нас есть возможность развития собственных технологий. Разработка должна быть достаточно простой для технологического воплощения и защищена международными патентами. Но все зависит от доброй воли и сознательности производителя. За научно-исследовательской работой последует опытно-конструкторская работа (НИОКР), которая позволит на ограниченном числе образцов проверить жизнеспособность разработки», — отметил эксперт.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.