35 000 футов — это стандартная крейсерская высота для коммерческого реактивного самолета, но на этих высоких высотах температура воздуха падает ниже -51 градуса по Цельсию, и на крыльях может легко образоваться лед. Чтобы предотвратить образование льда и последующее торможение самолета, современные системы используют тепло, выделяемое при сжигании топлива. Но эти высокотемпературные, топливозависимые системы не могут быть использованы на предлагаемых полностью электрических, чувствительных к температуре материалах самолетов нового поколения.

В то время как ученые ищут новые противообледенительные методы, физики из Северо-Западного политехнического университета в Китае и Университета штата Айова выбрали другой подход. Они опубликовали в журнале Physics of Fluids доказательства того, что оборудование, важное для контроля посадки и взлета, может удвоиться в качестве контроля обледенения.

«Нынешние методы защиты от обледенения не подходят для авиационных систем следующего поколения, основанных на новых авиационных технологиях», — сказал Сюаньши Мэн, автор статьи. «Мы нашли отличный способ контролировать обледенение на этих новых самолетах».

Это зависит от плазменных приводов .

Плазменные приводы представляют собой особый тип короткого замыкания. Когда высокое напряжениеприкладывается к двум электродам, оно вызывает ионизацию частиц воздуха над ним, образуя плазму и вызывая поток или ветер. Этот плазменный поток через исполнительный механизм ранее манипулировали для управления аэродинамикой крыльев самолета, изменяя подъемную силу и сопротивление для посадки и взлета (известные как приложения управления потоком ). Но плазменные приводы не просто выпускают индуцированный ветер.

«При подаче высокого напряжения большая часть преобразуется в тепло, а остальная часть преобразуется в индуцированный поток или ионный ветер над приводом, поэтому плазменный привод оказывает как аэродинамическое, так и тепловое воздействие», — сказал Мэн.

«Соединяя аэродинамические и тепловые аспекты плазменного привода, мы создали совершенно новый метод эффективного обледенения и управления потоком».

Команда управления плазмой Северо-Западного политехнического университета впервые осознала влияние плазменных приводов на обледенение в 2012 году, когда кубик льда, расположенный в зоне разряда возбудителя плазмы, быстро таял.

Чтобы дополнительно продемонстрировать механизм защиты от плазменного льда, команда разработала невероятно тонкие плазменные приводы с разрядным поверхностным диэлектрическим барьером и смонтировала их на пластиковом профиле NACA 0012 с трехмерной печатью. Три конфигурации исполнительных механизмов были установлены, чтобы исследовать, как различная аэродинамика влияла на формирование льда. Затем высокоскоростные камеры, наряду с инфракрасными тепловизорами и лазерами для рассеяния частиц, использовались для визуализации взаимодействия индуцированного потока и теплового выхода.

Испытания проводились в условиях неподвижного воздуха, а также в аэродинамической трубе, где холодные частицы воздуха были обстреляны из аэродинамического профиля. Команда обнаружила, что тепловая динамика и динамика потока неразрывно связаны для всех трех приводов.

Плазменные приводы, расположенные перпендикулярно поверхности аэродинамического профиля, были наиболее эффективными при передаче тепла вдоль крыла, полностью предотвращая образование льда. Сравнивая теплопередачу и поток между различными конструкциями, команда пришла к выводу, что оптимальная конструкция должна генерировать столько же тепла локально, но также хорошо смешиваться с входящим воздушным потоком.

«Это может быть использовано для разработки эффективной противообледенительной системы при достаточно низких температурах, чтобы предотвратить нагрузку на конструкцию из композитных материалов самолетов нового поколения», — сказал Мэн.

Ученик Мена, Афак Ахмед Аббаси, добавил: «Традиционный метод защиты от обледенения использует для испарения водяных капель воздух с температурой до 200 градусов по Цельсию , а композитный материал не может позволить себе такие высокие температуры. Но контроль плазменного обледенения может остановить образование капель переохлаждения лед на поверхности автомобиля без высоких температур, что хорошо для композитных материалов «.

Мэн объяснил, что предложение его команды использовать плазменные приводы в качестве антиобледенителей было «сюрпризом» для экспертов по механике жидкости. Мэн признает, что они только в начале этого исследования и им все еще нужно выяснить, как связаны тепловые эффекты и эффекты потока, и как именно они работают вместе, чтобы рассеивать переохлажденные капли с поверхности крыла.