Аэротрубы ЦАГИ VS лед

Далеко не всегда мы можем назвать точное время начала того или иного события. Как правило, мы вспоминаем месяц или год. В отношении этого факта дата известна с точностью до минуты. Конечно, этому предшествовали годы кропотливой работы специалистов целого ряда подразделений института. И тем не менее... 16 ноября 2016 года в 11.28 состоялся первый пуск новой экспериментальной установки ЦАГИ, в ходе которого получено искусственное обледенение. Так вступила в строй большая аэрохолодильная труба сезонного действия АХТ-СД, дополнив легендарную экспериментальную базу Центрального аэрогидродинамического института.

Рассказывает главный инженер комплекса аэродинамики и динамики полета ФГУП «ЦАГИ» Виктор Бирюков:

Для начала — несколько слов об истории появления аэрохолодильной трубы в нашем институте. Решение о ее создании было принято на заседании методического совета ЦАГИ под председательством Г.А. Павловца 17 октября 2001 года. Проработка технического задания на установку началась в 2003 г. и продолжалась два года. Техзадания на технологические и измерительные системы выполняли сотрудники различных подразделений комплекса аэродинамики и динамики полета. Документацию на трубу разрабатывал Новосибирский ГАП (АО Сибпроект НИИ АвиаПром). У истоков создания установки стояли наши заслуженные ученые — М.Г. Рябоконь, Г.Т. Андреев, Ю.В. Карташев и др. В этапах проектирования и наладки активно участвовали сотрудники института: П.Н. Галанский, Ю.И. Чистов, Ю.Н. Галанская, А.Н. Тимофеев, А.Б. Миллер, А.А. Николаев, Э.В. Долгов, А.В. Гаврилов, Н.П. Сурин и др.

Виктор Бирюков

Большая аэрохолодильная труба сильно расширяет наши возможности в исследованиях обледенения. Прежде всего установка позволит проводить эксперименты по формам и размерам льда, образующимся на крыле самолета и других аэродинамических поверхностях, испытывать противообледенительные системы, датчики-измерители параметров воздушного потока. К ним относятся приемники воздушных давлений, датчики угла атаки, датчики вектора скорости... Будут также исследоваться различные материалы и покрытия в условиях обледенения. Мы сможем оценить влияние этого процесса на аэродинамические характеристики летательных аппаратов. Установка станет полезной и для совершенствования методов борьбы с этим опасным явлением. В дальнейшем возможности трубы мы расширим, чтобы изучить обледенение в кристаллических и смешанных облаках, а также в условиях холодного дождя и мороси.

Исследования в установке осуществляются при температуре ниже 0° с использованием воздуха, засасываемого из атмосферы. В летний сезон труба будет применяться для определения аэродинамических характеристик моделей самолетов и их элементов с имитаторами льда.

Полученные данные будут использоваться при решении задач безопасности полетов. Кроме того, благодаря собранным материалам мы можем сократить время натурных летных испытаний и, соответственно, сроки сертификации самолетов.

Обледенение, его негативные последствия и методы борьбы с этим опасным явлением в ЦАГИ изучают не одно десятилетие. Огромное направление работы института — влияние льда на аэродинамику самолета.

О деятельности наших специалистов в этой области, а также вкладе различных аэродинамических труб в исследовании обледенения рассказывает начальник сектора отделения аэродинамики самолетов и ракет ФГУП «ЦАГИ», кандидат технических наук Геннадий Андреев:

Геннадий Андреев

— Проблему обледенения специалисты как в нашей стране, так и за рубежом изучают с конца 1930-х годов. Более широко этим вопросом ученые стали заниматься в 1960-е годы. Именно в это время начинает активно развиваться гражданская авиация. Практически все генеральные конструкторы того времени — Туполев, Ильюшин, Антонов — уделяли обледенению особое внимание. В сфере полномочий ЦАГИ с тех лет и по настоящее время — исследование влияния льда на аэродинамику, устойчивость летательного аппарата, а также его управляемость. С этой целью в институте создаются и затем испытываются большие и малые модели, а также полумодели самолетов с имитаторами льда, буквально повторяющими настоящее льдообразование. Эти искусственные наросты создаются по заранее составленной математической модели. Раньше имитаторы изготавливались из дерева. В последнее время специалисты все чаще прибегают к 3D-прототипированию. Полимерный «лед», созданный таким способом, даже внешне похож на реальный.

В настоящее время наш коллектив продолжает заниматься вопросами влияния остаточного, наземного и малого льда на аэродинамические характеристики воздушных судов. Однако для разработки методики необходимо проводить экспериментальные исследования крупномасштабных моделей летательных аппаратов и их элементов в трубах института. Ведь в этих испытаниях важную роль играет масштабный эффект. ЦАГИ обладает такими макетами самолетов. Эти уникальные модели могут использоваться для параметрических исследований воздействия различных форм льда, в том числе при имитации силовой установки.

Размер имеет значение

В течение нескольких десятилетий в ЦАГИ разрабатывалась методика испытаний аэродинамических крупномасштабных моделей на обледенение в натурной дозвуковой аэродинамической трубе Т-101. Именно здесь исследуется влияние малого льда толщиной 1–2 мм, представляющего большую опасность для летательного аппарата. В этой трубе испытывались практически все отечественные гражданские воздушные суда. Это такие самолеты, как Ту-204, Ил-96, Ту-154, Ил-62, Ил-76, Ан-26 с работающей силовой установкой.

На защите от обледенения — до- и сверхзвуковые трубы

В дозвуковых аэродинамических трубах Т-102 и Т-103 испытывались как полные модели, так и полукрылья, а также модели изолированного хвостового оперения различных самолетов. В их числе легкий скоростной самолет многоцелевого применения «Гжель», легкий транспортный Ил-112, двухмоторный турбовинтовой Ил-114.

Свой вклад в изучение обледенения внесли и трансзвуковые аэродинамические трубы Т-106 и Т-128. В них в последние годы исследовались малые модели существующих и перспективных воздушных судов и полумодели.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований в аэродинамических трубах специалисты нашего института создали фундаментальный труд — банк экспериментальных материалов по влиянию имитаторов льда на аэродинамические характеристики самолетов. Эти данные легли в основу универсального трехтомного электронного справочника — руководства для конструкторов авиационных предприятий. По нему может быть выбрана рациональная установка противообледенительной системы и соответственно повышена безопасность перспективных самолетов.

Кроме влияния на аэродинамику воздушного судна, ученые ЦАГИ изучают обледенение и в другом аспекте — физического эксперимента в аэрохолодильных трубах.

Почему институт начал исследования в принципиально новом ключе, какие климатические установки существуют в ЦАГИ и что уже было испытано на этих установках — рассказывает

Алексей Миллер

начальник отдела отделения исследований аэротермодинамики гиперзвуковых летательных аппаратов и объектов ракетно-космической техники ФГУП «ЦАГИ», кандидат физико-математических наук Алексей Миллер:

— Испытания в аэрохолодильных трубах являются основным и самым доступным экспериментальным средством исследований обледенения. Дело в том, что реализация полета (летного эксперимента) в таких условиях, — процесс очень дорогой и долгий, а нередко и опасный. Нормированные условия обледенения весьма жесткие, поэтому в летной практике встречаются редко. Исследования в трубах служат также для проверки соответствия программ численного моделирования.

Исторически сложилось, что проблемой обледенения как физического процесса в нашей стране занимались Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова и Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации.

Маленький стенд для ЦАГИ — большой шаг в борьбе со льдом

2009 год в отношении изучения обледенения в ЦАГИ можно считать знаковым. Летно-исследовательский институт передал ЦАГИ стенд искусственного обледенения. Опыт исследований, накопленный в ЛИИ в течение десятилетий, начал осваиваться и развиваться в ЦАГИ. Стенд ЛИИ (размеры его рабочей части составляют 20?20 см) наши специалисты адаптировали к инфраструктуре ЦАГИ. Он был дополнен криогенной системой охлаждения потока, системами подачи кристаллов и смеси кристаллов и капель в поток, современной электронной системой сбора и анализа данных и передовым измерительным оборудованием. Модернизированный стенд получил название — эжекторная установка искусственного обледенения ЭУ-1. Эта установка — сезонного типа действия, но благодаря криогенной системе она может работать в период с апреля по октябрь включительно, начиная с температуры окружающего воздуха 10 °С и ниже.

В 2012 году коллектив ЦАГИ разработал и создал всесезонный стенд искусственного обледенения. Это вентиляторная аэродинамическая труба, размещенная в холодильной камере. Характеристики стенда превосходят характеристики установки ЭУ-1. На нем достигнуты большие значения скорости потока, минимальная температура которого составляет минус 17°С. Работы на установке могут проводиться круглый год. Сейчас сотрудники института адаптируют стенд для испытаний в условиях полета в кристаллических и смешанных облаках, а также холодного дождя и мороси, в соответствии с изменениями, внесенными в 2015 году в американские авиационные правила FAR25/33 и европейские CS-25. Летные правила, принятые в России, в дальнейшем будут гармонизироваться (приводиться в соответствие) с этими поправками.

Появление аэрохолодильных установок в ЦАГИ сразу привлекло новые контракты. Наши специалисты проверили противообледенительные системы бортовых измерителей параметров воздушного потока для отечественных самолетов и вертолетов, успешно провели испытания электроимпульсной противообледенительной системы беспилотного летательного аппарата самолетного типа большой продолжительности полета.

Наши новые установки послужили и международному сотрудничеству. В течение двух лет (2010–2012 гг.) ученые ЦАГИ работали с европейскими партнерами по проекту ICETRACK программы Clean Sky. В ходе этого проекта было испытано множество образцов покрытий — разработок иностранных организаций в условиях образования барьерного льда. Наши специалисты создали методику испытания покрытий и прибор для измерения силы адгезии (сцепления) льда к поверхности.

Продолжением зарубежного партнерства в последующие годы стал проект HAIC (High Altitude Ice Crystals) 7-й Рамочной программы. В его рамках исследовалось обледенение двигателей и приемников воздушных давлений в кристаллических облаках. Коллектив ЦАГИ разработал специальные системы и методики для постановки эксперимента по обледенению, провел ряд экспериментальных и теоретических исследований.

В перспективе планируется продолжение HAIC в виде проекта MUS-HAIC в 2018–2020 годах. ЦАГИ вошел в консорциум организаций-исполнителей. Эта работа будет посвящена более детальному исследованию процессов обледенения в кристаллических и смешанных облаках, а также разработке 3D средств его моделирования. Кроме того, идет заключение новых контрактов с отечественными производителями авиационных датчиков.

Наш исследовательский коллектив в рамках ряда государственных контрактов проводит исследования по повышению эффективности противообледенительных систем, в том числе на основе использования супергидрофобных покрытий, получен ряд интересных и важных результатов.

Сейчас ЦАГИ располагает уникальной возможностью эксплуатации сразу трех аэрохолодильных труб. Исследование обледенения — процесс трудоемкий и далеко не простой. Но накопленный в течение десятилетий научный потенциал, уникальные экспериментальные установки, грамотные и авторитетные специалисты — это тот ключ к победе над опаснейшим явлением, имя которому — обледенение...