Vibrace odmrazovacího systému setřásají led
S nastupující zimou budou letadla čelit tradičně problému s námrazou tvořící se na křídlech. Pomoci by ho mohl odstranit speciální systém výzkumníků z Fraunhoferova institutu LBF.
Již malé množství ledu může dramaticky ovlivnit výkon křídla letadla, jelikož drsnost ledových krystalků účinně mění tvar křídla a narušuje plynulé proudění vzduchu po jeho povrchu. To zvyšuje odpor vzduchu, snižuje vztlak a ovlivňuje podélnou stabilitu letadla. Proto je důležitou součástí letectví také udržování křídel bez ledové námrazy.
Před vzletem zajišťuje její odstranění postřik speciálními roztoky, ale klíčové je udržet stroj bez ledové pokrývky i za letu, kdy teploty ve velkých výškách dosahují hodnot hluboko pod bodem mrazu. To je skutečný problém, který dokáže měnit aerodynamické vlastnosti letadla. Tvorba námrazy na letounu při letu nastává v oblačnosti při teplotách blízkých bodu mrazu +3 °C až -15 °C, při nižších teplotách už není vlhkost a námraza se na letadle tolik netvoří.
Jde to i bez tepla – a míří do budoucnosti
Až doposud bylo nejběžnějším způsobem, jak udržet křídla bez námrazy, mechanické odstranění (na náběžné hrany křídel se aplikují nafukovací vaky, které svým nafouknutím rozpraskají led, jež je pak proudem vzduchu odnesen), což však neřeší námrazu na plochách křídel, nebo elektrické vyhřívání či systém horkého vzduchu (ten je veden z motorů přes křídla, kde led rozpouští a uvolňuje).
Podle výzkumníků z německého Fraunhoferova institutu to však spotřebovává hodně energie a snižuje účinnost motorů. Rozhodli se proto přijít s lepším návrhem, než je teplo k rozpouštění ledu na křídlech. Jejich nově vyvinutý systém setřásá led z křídel pomocí vibrací. Vývoj systému byl proveden v rámci programu EU Clean Aviation Project, který je zaměřen dosažení klimaticky neutrálního letectví do roku 2050.
Technologie spočívá v drobných piezoelektrických aktuátorech, které jsou zabudovány do povrchu křídla. Při protékání proudu přes ně dokážou vibrovat a tím setřásat led, který se nad nimi tvoří. Jak uvedl Denis Becker z Fraunhofer LBF, vibrace jsou v rozsahu jen několika kilohertzů, pouhým okem nepostřehnutelné, ale velmi účinné. Led ulpívající na křídle se vibracemi rozpadá a odpadává.
Kromě toho, že tento systém je ekologičtější metodou, jak udržet křídla bez ledu, je připraven i na uplatnění v letadlech budoucnosti, která nemusí mít motory produkující teplo.
„Pohonné systémy budoucnosti již nebudou produkovat žádné horké výfukové plyny ani odpadní teplo, které termomechanické odmrazovací systémy potřebují ke své práci. Naše metoda nabízí vyhlídky na snížení spotřeby energie až o 80 procent, což z ní činí důležitý příspěvek k udržitelnému letectví,“ konstatuje Denis Becker.
V hlavní roli matematika
O myšlence využití vibrací k odstraňování ledu se hovoří již dlouhou dobu – drobné vibrační motory, které setřásají ledové krystalky, se mohou zdát jako zřejmý způsob, jak udržet křídla letadel bez ledu. Až nyní se však poprvé podařilo vytvořit vysoce dynamický a přesný systém, který tuto myšlenku uvádí do praxe.
Skutečný průlom přišel v podobě algoritmu, který vypočítává přirozenou rezonanční frekvenci, při níž aktuátory začnou vibrovat – frekvenci, která se může během letu neustále měnit. Pro výpočet frekvence vibrací museli proto vědci nejprve prostudovat vysoce komplexní interakci řady různých faktorů, které jsou zodpovědné za přirozenou rezonanční frekvenci při tvorbě ledu.
„Mezi určující faktory patří materiál, ze kterého jsou křídla vyrobena, rychlost, nadmořská výška letu, teplota, vlhkost a tloušťka vrstvy ledu. Algoritmy tyto informace používají k výpočtu přirozené rezonanční frekvence,“ upřesnil Denis Becker.
Výzkumníci testovali své algoritmem poháněné aktuátory v aerodynamickém tunelu pro namrzání. Protože se vnější podmínky za letu neustále mění, mění se i rezonanční frekvence. Důležitým faktorem je také to, zda vrstva ledu houstne nebo taje. Proto senzory nepřetržitě poskytují nové informace o měření, aby elektronika mohla kdykoli aktivovat aktuátory na nastavené frekvenci.
V rámci výzkumného projektu odborníci z Fraunhofer LBF provedli různé kroky, včetně optimalizace způsobu fungování piezoelektrických aktuátorů, což jim umožnilo nastavit jejich správnou funkci a dokázat, že jsou schopné vykonávat svou práci. Dále plánují aktuátory precizně doladit, aby je připravili na testování za reálného letu.
Petr Kostolník
Foto: Pearson Airport, Fraunhofer LBF
94
