Zapewnianie przepływu laminarnego dzięki powłokom chroniącym przed zanieczyszczeniami
W lotnictwie termin „opór powietrza” jest wykorzystywany do opisywania różnych sił przeciwstawnych wobec samolotu poruszającego się w powietrzu. Zjawisko to może być spowodowane zaburzeniami przepływu powietrza wynikającymi z niedoskonałości powierzchni lub lakieru, wśród których można wymienić między innymi przyleganie martwych owadów lub brudu do powierzchni skrzydeł i kadłuba samolotu. Aby pokonać ten opór, silniki samolotu muszą generować odpowiednio dużą moc, co przekłada się na większe zużycie paliwa.
Nowatorskie powłoki chroniące przed zanieczyszczeniami
Z biegiem lat inżynierowie proponowali zróżnicowane rozwiązania tego problemu, w tym między innymi stosowanie powłok zapobiegających zanieczyszczeniom i gwarantujących przepływ laminarny powietrza wokół powłok. Dużym problemem pozostaje jednak niska trwałość powłok, która sprawia, że dotychczas nie były one same w sobie dostatecznym rozwiązaniem. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu CHOPIN zasugerował możliwość opracowania wytrzymałych powłok hydrofobowych lub omnifobowych chroniących przed zanieczyszczeniami, przeznaczonych do stosowania na krawędziach natarcia skrzydeł samolotów, a w szczególności na materiałach pozwalających na hybrydową kontrolę przepływu laminarnego (ang. hybrid laminar flow control, HLFC). „Naszym celem było rozwiązanie problemu oporu powietrza oraz zmniejszenie zużycia paliwa przez samoloty przez wprowadzenie nowatorskiego i zrównoważonego rozwiązania w postaci innowacyjnej powłoki”, wyjaśnia koordynatorka projektu Mireille Poelman. W ramach prac badacze przetestowali różne składy i technologie powłok, w tym między innymi nakładanie plazmowe, metodę zol-żel, powłoki jonożelowe oraz metodę natryskiwania na sucho. Prace nad rozwojem oraz optymalizacją powłok dotyczyły wybranych kryteriów obejmujących przyczepność, twardość, odporność na uderzenia zarysowania i wysokie temperatury, erozję, a także możliwość czyszczenia. W pierwszej kolejności nowe powłoki zostały przetestowane w laboratorium po nałożeniu na blachę ze stali nierdzewnej, a po wstępnej weryfikacji były nakładane na mikroperforowany tytan, czyli materiał wykorzystywany w celu zapewnienia hybrydowej kontroli przepływu laminarnego. W wyniku tych eksperymentów badacze wybrali najbardziej obiecujące powłoki (zol-żel i jonożel), które wyróżniły się doskonałymi właściwościami w zakresie możliwości czyszczenia oraz zapobiegania przyleganiu zanieczyszczeń, a także trwałością. Następnie badacze przetestowali ich działanie w symulowanym środowisku w tunelu aerodynamicznym oraz w rzeczywistych warunkach przy pomocy dronów. W ramach tych testów porównano powierzchnie pokryte nowymi powłokami do powierzchni pozbawionych jakiejkolwiek powłoki, a także do powłoki nakładanej metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, którą stosuje się w celu zwiększenia odporności powierzchni tytanowych na erozję. Wybrane powłoki pozwoliły na zmniejszenie ilości szczątków owadów do pokrytych nimi powierzchni, co potwierdziło ich skuteczność w ograniczaniu nagromadzenia niepożądanych zanieczyszczeń na krawędziach natarcia w czasie lotów.
Perspektywy i przyszłe kierunki działań projektu CHOPIN
„Biorąc pod uwagę postępującą zmianę klimatu, celem projektu CHOPIN było przyczynienie się do zmniejszenia zużycia paliwa przez przemysł lotniczy dzięki opracowaniu oraz weryfikacji nowych metod trwałego powlekania skrzydeł samolotów”, podkreśla Poelman. Badacze projektu przeanalizowali szereg metod powlekania i ocenili możliwość ich zastosowania do pokrycia krawędzi natarcia skrzydeł, skupiając się na zapobieganiu zanieczyszczeniom. Poza opracowaniem różnych metod testowania, wiedza zdobyta na temat właściwości adhezyjnych i antyadhezyjnych oraz technologii badań z pewnością znajdzie zastosowanie w przemyśle lotniczym. Wyniki oraz produkty opracowane w ramach projektu CHOPIN utorowały drogę do nowych możliwości finansowania i rozwoju. Partnerzy skupieni wokół projektu CHOPIN są obecnie zaangażowani w nowy projekt STELLAR, którego celem jest opracowanie rozwiązań zapobiegających zanieczyszczeniom oraz pozwalających na zapewnienie przepływu laminarnego w oparciu o wiedzę na temat interakcji pomiędzy szczątkami owadów oraz powierzchnią. Badania przeprowadzone w ramach projektu CHOPIN będą kontynuowane w ramach projektu STELLAR, dzięki czemu badacze będą mogli wykorzystać badania w tunelu aerodynamicznym do oceny działania powłok w zakresie zapobiegania zanieczyszczeniom krawędzi natarcia.
Słowa kluczowe
CHOPIN, powłoka, zapobieganie zanieczyszczeniom, owad, zużycie paliwa, lotnictwo, opór powietrza
