Введение

Погодные условия при отрицательных температурах являются критическими факторами при проектировании, анализе и эксплуатационных испытаниях самолетов [1–3]. Одним из таких факторов, представляющих серьезную опасность, является обледенение [4–7]. Наличие льда на поверхностях изменяет направление воздушного потока над крылом и оперением, а также уменьшает подъемную силу, удерживающую самолет в воздухе, что может вызывать аэродинамический срыв – состояние, приводящее к временной потере управления воздушным судном [8, 9]. Обледенение воздухозаборника также может изменить аэродинамические характеристики, снизить мощность/тягу двигателя и повлиять на его работу [10, 11]. Скопление льда на поверхности вращающегося кока оказывает существенное влияние на однородность поля входного потока, что приводит к отрыву воздушного потока и даже помпажу компрессора. Осыпание льда происходит легче из-за эффекта вращения. Попадая в двигатель, отколовшийся лед может ударяться о лопасти с высокой скоростью вращения, что приводит к их серьезным механическим повреждениям [12]. Несущие винты вертолетов более подвержены обледенению в отличие от воздушных судов с неподвижным крылом, так как сталкиваются с бόльшим количеством частиц переохлажденной воды, чем остальная часть фюзеляжа. Обледенение может быть критически опасным, поскольку способствует созданию чрезмерной вибрации и увеличению действия центробежной нагрузки [13].

Традиционные подходы к предотвращению обледенения включают различные типы противообледенительных систем: электротепловой (заложенные под обшивкой летательного аппарата электронагревательные элементы), воздушно-тепловой (обогрев конструкций летательного аппарата за счет горячего воздуха, отобранного от двигателей), использование механических средств (например, накачанные ботинки на передних кромках самолета) и распыляемых охлаждающих жидкостей. Однако данные методы имеют существенные недостатки, поскольку их применение приводит к увеличению массы и расходу топлива воздушного судна, загрязнению окружающей среды, а также они достаточно дорогостоящие [14–16]. В настоящее время все больше внимания уделяется противообледенительным покрытиям, низкая смачиваемость поверхности которых способствует удалению налетающих капель, задержке замерзания и уменьшению сцепления льда с подложкой [17–23].

Одним из основных критериев оценки противообледенительных свойств разрабатываемых материалов является адгезия льда. Проблема заключается в том, что единый стандарт для определения сцепления материала со льдом отсутствует. В результате существует множество методов определения адгезии льда, кроме того, трудно определить точную прочность сцепления материала со льдом, хотя общее мнение заключается в том, что более низкие значения силы указывают на лучшие противообледенительные свойства материала [24–26].

В данной работе проведен анализ некоторых из наиболее применяемых методов испытаний, которые могут служить стандартом для определения прочности сцепления со льдом при испытаниях новых противообледенительных материалов.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации стратегического направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия» комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Обледенение воздушного судна

На обледенение воздушного судна влияет множество факторов, в том числе режим полета, геометрические размеры зоны обледенения, атмосферные условия и продолжительность прохождения через обледеневающие облака [27]. Чем выше скорость полета, тем больше капель воды будет воздействовать на поверхность самолета и, следовательно, тем больше будет обледенение. Однако более высокая скорость полета приводит к большему аэродинамическому нагреву, который вызывает повышение температуры вблизи критической точки передней кромки крыла, что влияет на тип и форму образующегося льда или его полное растаивание за счет аэродинамического тепла.

Концентрация и распределение капель переохлажденной воды и кристаллов льда внутри облака меняются в зависимости от температуры и высоты над уровнем моря. По мере снижения температуры уменьшается и количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, что приводит к снижению вероятности обледенения [28]. По форме авиационный лед можно условно разделить на следующие виды: изморозь, глазурь, торосистый и смешанный лед [29]. Изморозь образуется в атмосферных условиях низкой температуры замерзания – как правило, менее –15 °C, характеризуется относительно низким содержанием жидкой воды и малым средним объемным диаметром капель. Благодаря мгновенному замерзанию изморозь рыхло сцементирована и легко отваливается, ее поверхность сохраняет аэродинамическую форму и менее опасна для полетов самолетов [30]. Глазурь в основном возникает при относительно высокой температуре окружающей среды, обычно в диапазоне от –10 до 0 °C, из-за наличия в облаках замерзших микрокапель и переохлажденной жидкости. В этом случае переохлажденные капли не замерзают или замерзают частично после удара о поверхность. Некоторые капли (обычно размером ˃50 мкм) замерзают при контакте, затем высвобождение их скрытой теплоты плавит капли обратно в жидкость, они стекают по детали воздушного судна и замораживаются повторно [31–33]. Частицы размером 20 мкм представляют наименьшую размерную группу, которая может достичь поверхности из-за наличия инерции [34]. Структура глазури относительно компактная, с более высокой плотностью, прозрачная и с трудом отпадает. В процессе обледенения на передней кромке крыла может образовываться роговой лед, оказывающий большое влияние на аэродинамические характеристики. Смешанный лед представляет собой смесь изморози и глазури, которая обладает характеристиками обоих типов льда. Подобно глазури смешанный лед также может значительно снизить аэродинамические характеристики и создать угрозу безопасности полета [35]. Образование торосистого льда, как правило, вызывают переохлажденные крупные капли, диаметр которых превышает 100 мкм. Они имеют большую инерцию и способны сталкиваться с поверхностью самолета далеко за пределами систем защиты от обледенения. В частности, процесс соударения часто сопровождается разбрызгиванием и образованием большого количества капель [36, 37].

В последнее время проведено много исследований и разработано множество экспериментальных моделей, связанных с замерзанием капли и ее ударом о поверхность, показано значение шероховатости в процессе обледенения.

В работах [38–48] исследовали замерзание капли. Температура зародышеобразования находится в широком интервале и снижается с уменьшением объема капель. Продолжительность замерзания и диаметр растекания капли существенно зависят от смачиваемости и температуры поверхности, а также от температуры капли перед рекалесценцией, которая определяет начальную фракцию льда для стадии замерзания. В процессе замерзания увеличивается объем капли и происходит резкое возрастание ее высоты на этапе рекалесценции. Со временем скорость увеличения объема снижается, в то время как скорость увеличения высоты возрастает. При длительном контакте с покрытием вода неизбежно будет проникать в него, что приведет к снижению его барьерного действия, а чем ниже температура, тем больше значение адгезионной прочности льда. Образование льда на поверхности влечет за собой образование сил водородной связи, а также ван-дер-ваальсовых и электростатических сил с поверхностью. Плавление замерзшей капли происходит при почти фиксированной температуре, и степень перегрева, необходимая для запуска процесса плавления, небольшая, однако чем крупнее капля, тем дольше она плавится. Скорость таяния льда возрастает с увеличением пористости, которая влияет на его теплоемкость.

В работах [49–51] анализ экспериментальных данных и теоретических моделей показал, что гладкая поверхность с малой шероховатостью имеет бόльшую задержку замерзания, чем супергидрофобные покрытия с иерархическими структурами.

Разработано множество моделей обледенения воздушного судна: двумерная полуэмпирическая модель разбрызгивания для прогнозирования удара крупной капли о криволинейные поверхности [52], модели обледенения самолета с учетом изморози [53, 54], модели динамики удара-замерзания переохлажденной капли воды о холодную поверхность [55, 56] и др.

Методы испытания адгезии льда

Испытания по определению адгезии льда можно разделить на две основные категории: прямое механическое испытание (с помощью метода горизонтального и вертикального сдвига [57–60], а также метода растяжения [61, 62]) и испытание центробежной силой [63–65]. В первом случае сила прикладывается непосредственно ко льду, во втором – центробежная сила отрывает лед от материала. Существует также два способа нанесения льда на подложку: статический или ударный. Статический лед образуется путем заливки воды в форму и ее замораживания с определенными геометрическими размерами. Ударный лед создают с помощью аэродинамических труб (рис. 1) [66, 67] или холодильных камер, в которых создается ледяное облако (рис. 2) [68]. Поскольку испытания с ударным льдом применяются для оценки обледенения летательных аппаратов, они включают более сложные факторы: температуру проведения испытания, средний объемный диаметр капель, содержание жидкой воды, продолжительность обледенения, температуру и чистоту воды и т. д. [69].

Методы горизонтального и вертикального сдвига. Данные методы широко используются для измерения сцепления со льдом, поскольку они более доступные. Подложку с покрытием помещают в морозильную камеру или на холодную пластину. После образования льда к испытательной колонне прикладывают возрастающую силу, которая может быть толкающей или тянущей. Для определения значения адгезии льда делят максимальное регистрируемое силомером усилие, приходящееся на момент отрыва льда от поверхности, на площадь поперечного сечения границы раздела «лед–подложка» [57]. На рис. 3 показана схема установки для определения адгезии льда с помощью горизонтального сдвига [70].

Рис. 3. Установка для определения адгезии льда методом горизонтального сдвига

В работе [71] определяли адгезию льда с помощью вертикального сдвига. Установка состояла из испытательной машины Zwick с верхним приспособлением, адаптированным к раме, и шестью тефлоновыми квадратами. Формы на измеряемой поверхности заливают водой и затем помещают на ячейки Пельтье, которые снижают температуру до –15 °C. После замерзания воды поверхность помещали в испытательную машину вертикально (рис. 4), толкая кюветы, лежащие теперь горизонтально.

Рис. 4. Устройство для определения адгезии льда методом вертикального сдвига: а – общий вид испытательной установки; б – деталь вала оснастки, воздействующая на кювету

В работе [72] для измерения адгезии льда с помощью вертикального сдвига вместо кюветы использовали батистовую ленту, которую примораживали к покрытию. Затем закрепляли в зажимах разрывной машины образец с покрытием и свободный (несмоченный) конец ленты. Значение адгезии льда определяли по регистрируемой максимальной приложенной силе в момент отрыва ленты от покрытия, нормированной на площадь контакта ленты с покрытием.

Для определения адгезии льда методом горизонтального сдвига также используют специальные стенды (рис. 5). Так, в статье [50] представлена работа испытательного стенда, помещенного в аэродинамическую трубу, где происходит обледенение с помощью ударного льда. Параметры испытаний следующие: температура –5 °C, размер частиц 20 мкм, скорость удара частиц 50 м/с. Испытательное устройство включало подложку, плунжер, резиновую трубку и опорную конструкцию. После образования слоя льда толщиной, достаточной для обеспечения удовлетворительного распределения напряжений для испытания, к плунжеру прикладывали силу и в момент начала его движения (определяли по размыканию электрической цепи) фиксировали ее (рис. 6). Наличие защитных экранов предотвратило образование льда между подвижной и неподвижной частями стенда.

Метод растяжения. Другим методом измерения адгезии льда является метод растягивающей силы. Установка, используемая при применении данного метода, включает стакан и концентрический цилиндр, между которыми существует зазор. Цилиндр покрыт ледофобным покрытием, а внутренняя поверхность стакана обладает высокой прочностью сцепления со льдом (может быть и наоборот). Зазор между стаканом и цилиндром заполняется водой, которая охлаждается до замерзания. После образования льда к внутреннему цилиндру с помощью разрывной машины прикладывают тяговое усилие. В момент отрыва фиксируют усилие и путем деления этого усилия на площадь границы раздела «лед–ледофобное покрытие» получают значение прочности сцепления льда с материалом [73].

В работе [74] представлено высокопроизводительное устройство, предназначенное для измерения прочности сцепления различных поверхностей со льдом при растяжении. Его преимущество состоит в том, что геометрический размер и форма его держателей оптимизированы для достижения равномерного распределения напряжения на границе раздела между подложкой и льдом. Цикл замораживания и измерение растяжения происходят на одном и том же этапе. Это означает, что образец льда/субстрата не нужно переносить на этап измерения. Аппарат допускает три степени свободы в направлениях x, y и z (рис. 7).

Рис. 7. Ледодержатель, входящий в состав установки по определению адгезии при растяжении: а – изометрический вид спроектированного держателя льда; б – разрез четверти модели, где показан цилиндрический лед внутри держателя; в – двумерный вид держателя льда сверху; г – чертеж разработанного держателя льда (вид спереди, размеры указаны в мм); д – сборочная модель для испытания на сцепление со льдом; е, ж – распределение напряжений в начальной и конечной точках воздействия (до разделения)

Метод центробежной силы. Как правило, испытания с вращением дают более низкие показатели, чем «статические», однако являются лучшим методом для проверки того, как лед прилипает к вращающимся деталям. При использовании данного метода лед наносят на конец вращающейся балки или ротора путем помещения воды в форму (кювету) или посредством ударного льда. При вращении балки создается поперечная сила на границе между льдом и покрытием и по мере повышения скорости вращения индуцированная сила сдвига увеличивается до тех пор, пока лед не оторвется от покрытия. Прочность сцепления со льдом определяется следующим образом: значение центробежной силы делят на значение площади поперечного сечения отколовшегося льда в момент отрыва от покрытия (фиксируется датчиками) [24].

В работе [75] представлена установка, позволяющая работать при большом количестве проб. Центробежное устройство (рис. 8) расположено внутри рабочего пространства климатической установки Binder. По периметру вращающегося диска фиксировали образцы с покрытием, на них помещали по две полипропиленовые втулки, которые использовали для приготовления цилиндров льда на образце. Расстояние от центра диска можно варьировать, что обеспечивает точность испытания. С помощью видеокамеры определяли момент отрыва каждой ледяной пластинки с поверхности образца. Адгезию льда рассчитывали делением значения центробежной силы, действующей на втулку в момент отрыва, на значение площади контакта между льдом и образцом.

Рис. 8. Центробежная установка для определения адгезии льда методом центробежной силы: а – общий вид; б – заполнение втулки водой; в – вид на рабочее пространство климатической камеры

В работе [76] определяли адгезию льда к покрытию методом центробежной силы на установке, показанной на рис. 9 и 10, являющейся частью лабораторных систем исследования и тестирования неблагоприятных условий окружающей среды в университете Пенсильвании. Условия проведения испытания следующие: средний объемный диаметр частиц 20 мкм, содержание жидкой воды 0,9 г/м³, скорость удара частиц 60 м/с, температура варьировалась в пределах от –8 до –16 °C.

Рис. 9. Центробежная установка для определения адгезии льда методом центробежной силы в лаборатории университета в Пенсильвании

Рис. 10. Расположение балки, датчиков, осевой линии изгиба и направление центробежной силы

На специальной балке располагают образец. По мере того как во время вращения лед нарастает на образец, центробежная сила на балке увеличивается и балка изгибается в поперечном направлении. Тензорезисторы измеряют изменение напряжения из-за дополнительного отклонения, вызванного обледенением. В результате образуется достаточно большое количество льда, который под действием центробежной нагрузки отрывается от испытательного образца. Срыв льда фиксируется резким увеличением напряжения, измеренного тензодатчиками.

Проблемы существующих методов для определения адгезии льда

1. Результаты испытаний материала подложки при использовании различных методов тестирования могут демонстрировать совершенно разные значения прочности адгезии льда. Например, при испытании поверхности алюминиевого сплава при температуре –8 °C с использованием методов на растяжение и сдвиг значения адгезии льда составили 1,54 и 1,21 МПа соответственно [77].
2. Испытания по определению адгезии льда с использованием одного и того же метода, но при различных экспериментальных условиях и вариантах подготовки образцов могут привести к различным результатам. Например, различная скорость замерзания воды приводит к разной плотности льда [78].
3. Одной из важных проблем несходимости результатов разных исследовательских групп является форма, используемая для фиксации и изготовления статических образцов льда, которые различаются геометрическими размерами, материалом и положением для размещения льда. Кроме того, большинство из них не могли быть удалены перед тестированием, поскольку изготовлены из жесткого материала. В результате может возникнуть отрыв корпуса формы от поверхности из-за расширения льда при его кристаллизации и образоваться зазор между нижним краем формы и поверхностью испытываемого материала, вследствие чего приложенная сила будет воздействовать не только на лед, но и на форму [79]. Материал формы также значительно влияет на качество льда и скорость его расширения из-за тепловых эффектов формы. Различия в скорости охлаждения воды при ее кристаллизации вследствие различий в скоростях теплопередачи разнородных материалов могут привести к образованию льда с различной хрупкостью.
4. Важным фактором является толщина испытываемого материала, особенно для нежестких материалов, подвергаемых испытанию методом горизонтального сдвига. С увеличением толщины могут возникать силы отслаивания, из-за чего адгезия льда уменьшается [79].
5. При испытании методом горизонтального сдвига положение силового зонда также может влиять на конечные значения адгезии льда, поскольку вертикальные смещения увеличиваются с возрастанием высоты зонда от поверхности подложки. В результате слишком удаленный (по вертикали) от поверхности силовой зонд может создавать больший крутящий момент, который будет вращать лед, а не производить чистый сдвиг [79].
6. При испытаниях на растяжение часто происходит разрушение самого льда, а не разрушение на границе «лед–металл».
7. При испытаниях на вращающихся испытательных стендах присутствуют такие факторы, как вибрации, аэродинамические силы и локальный нагрев, которые не учитываются в «статических» испытаниях. Считается, что эти силы способствуют зарождению и распространению трещин и, следовательно, приводят к меньшей кажущейся силе, необходимой для отрыва льда. Определить режим разрушения может быть трудно из-за скорости испытания и воздействия ветра.

Заключения

При испытаниях на определение адгезии льда учитывают множество факторов, влияющих на результат: метод, испытательная установка, внешняя среда, испытываемый материал, скорость замерзания и сам лед, а также форма, в которой он образуется.

Анализ научно-технической литературы показал, что для определения адгезии льда в лабораторных условиях часто используют стандартное испытание на сдвиг (которое не требует сложной установки и обеспечивает возможность испытывать много образцов) для минимизации количества экспериментальных ошибок, которые значительно влияют на стандартное отклонение. При этом нужно учесть следующее:

– замораживание и испытания по определению адгезии льда следует проводить в морозильной камере, без переноса образцов к установке во избежание таяния льда;

– испытания необходимо проводить при одинаковой температуре;

– следует избегать быстрого замораживания льда;

– форма должна обладать низкой теплопроводностью и легко извлекаться с минимальным воздействием на лед;

– толщина испытываемой поверхности должна быть такой, чтобы избежать появления силы отслаивания, и для всех испытываемых образцов одинаковой;

– использовать дистиллированную воду для уменьшения влияния загрязняющих веществ, которые могут повлиять на кристаллизацию льда;

– силовой зонд должен быть расположен как можно ближе к нижней части льда.