Наука на службе авиации
Пословица «Каждому овощу своё время» вполне применима и к техническим инновациям: одни разработки оказываются как нельзя более кстати и сразу же начинают триумфальное шествие по планете, время других приходит гораздо позже, а бывает, что и вовсе не приходит, хотя, казалось бы, всё сулило успех и ничто не препятствовало широкому применению на практике. Бывает и так, что ситуация меняется, и некогда отвергнутое и почти забытое изобретение вдруг оказывается востребованным. Перспектива разработки, рассказом о которой мы начинаем этот выпуск радиожурнала «Наука и техника», представляется пока довольно туманной, хотя она призвана внести вклад в решение очень серьёзной проблемы, напрямую связанной с безопасностью воздушного транспорта. Речь идёт о борьбе с обледенением самолёта. Как известно, процесс конденсации атмосферной влаги на смачиваемых поверхностях воздушного судна может в условиях низких температур привести к образованию ледяной корки на крыльях, что влечёт за собой изменение их профиля и, как следствие, весьма значительное уменьшение подъёмной силы. Для борьбы с этим вредным и опасным явлением используются разные средства: расположенные внутри крыльев устройства для механического скалывания льда, специальные водоотталкивающие наружные покрытия, а также нагрев так называемого «носка», то есть передней кромки крыла. Именно нагрев носка и задумали усовершенствовать инженеры Научно-исследовательского центра в Карлсруэ. Было это в 1998-м году. Сегодня о той разработке напоминает лишь металлическая конструкция длиной метров восемь, прислонённая к стене в самом дальнем углу экспериментального цеха Центра. Ламберт Фехер (Lambert Feher), руководитель рабочей группы «Промышленные микроволновые технологии», поясняет:
Это стабилизатор от «Do-328» производства компании «Fairchild-Dornier». Мы использовали этот элемент оперения для демонстрации преимуществ нашей экспериментальной системы устранения обледенения, основанной на микроволновом излучении. Причём эти преимущества весьма существенные – даже в сравнении с лучшими из имеющихся на сегодняшний день системами традиционной конструкции.
Однако к полуразобранному стабилизатору уже давно никто не подходит: с тех пор, как в 2002-м году промышленный партнёр Научно-исследовательского центра – компания «Fairchild-Dornier» – обанкротилась, разработки заморожены. Как бороться с этим обледенением, Ламберт Фехер не знает. Между тем, в ходе лабораторных испытаний система работала отлично. Под обшивкой носка вдоль всей передней кромки крыла инженеры Центра смонтировали ряд алюминиевых трубок прямоугольного сечения. Эти пустотелые проводники транспортируют микроволновое излучение к носку, что позволяет пилоту в случае обледенения крыла одним нажатием кнопки быстро его прогреть, – поясняет Ламберт Фехер:
Отдельные волноводы здесь имеют очень малые габариты и, соответственно, массу. За ними расположены магнетроны, то есть источники микроволнового излучения размером с кулак. Главные достоинства такой системы состоит в том, что она, во-первых, позволяет снизить вес воздушного судна, а во-вторых, обладает очень высоким коэффициентом полезного действия, то есть потери энергии в ней минимальны, практически вся мощность микроволнового излучения эффективно транспортируется на поверхность обшивки носка и используется для устранения обледенения.
Микроволновое излучение преодолевает пустое пространство между волноводом и обшивкой без потерь и отдаёт энергию именно там, где она требуется. Принцип действия здесь тот же, что и во всем нам хорошо знакомой кухонной микроволновой печи. И именно это обстоятельство, возможно, станет главным козырем разработчиков в борьбе за внедрение своей системы:
Ведь в будущем инженеры намерены отказаться от использования для крыльев металлических конструкций. И тогда со всей остротой снова встанет вопрос: как быть с проблемой обледенения? Какую систему устранения обледенения следует использовать, если мы от металла перейдём к углеродоволокнистым синтетическим материалам?
До сих пор несущие поверхности крупных пассажирских и транспортных самолётов изготовляются из лёгких металлических сплавов на основе алюминия. Для борьбы с их обледенением в воздухе наиболее широко используется – наряду со специальными электроотапливаемыми матами и антифризными растворами – тепло выхлопных газов, направляемое в критические участки крыльев по системе отопительных трубопроводов. Однако для несущих поверхностей, выполненных из композиционных материалов на основе углеродного волокна, подобная система борьбы с обледенением не годится, поскольку теплопроводность таких материалов недостаточно высока. Чтобы лёд на наружной поверхности такого крыла начал таять, внутреннюю поверхность крыла следовало бы разогреть до гораздо более высокой температуры, чем в случае алюминиевых сплавов. Это привело бы к существенному повышению энергопотребления и значительному ускорению усталостного износа материала. Система микроволнового обогрева крыльев лишена обоих этих недостатков, – подчёркивает Ламберт Фехер:
40 процентов тепла выхлопных газов мы можем доставить в носок, используя замкнутую систему трубопроводов с циркулирующей по ней жидкостью, и тем самым обеспечиваем постоянный нагрев этих сегментов крыла. Собственно говоря, тут ничего нового нет, разве только то, что это техническое решение применяется в сочетании с микроволновым нагревом. Этот микроволновый нагрев осуществляется в циклическом режиме лишь в определённых участках крыла. В результате ледяная корка подтаивает, разламывается и уносится прочь аэродинамическим потоком. В целом такая система очень эффективна с точки зрения расхода энергии, что особенно важно для небольших воздушных судов, для которых проблема борьбы с обледенением стоит наиболее остро.
Ламберт Фехер уверен, что время микроволнового обогрева крыльев рано или поздно наступит – по крайней мере, тогда, когда крупнейшие производители авиационной техники – концерны «Airbus» и «Boeing» – откажутся, наконец, от металлических сплавов в пользу синтетических композиционных материалов. А пока группа инженеров во главе с Фехером вынуждена заниматься побочными проектами. На промышленной ярмарке в Париже они продемонстрировали недавно установку, способную произвести революцию в технологии спекания композиционных материалов, поскольку она позволяет осуществлять более быстрый и более равномерный объёмный нагрев смеси из эпоксидной смолы и синтетических волокон. Но идея об использования микроволнового излучения для борьбы с обледенением самолётов в воздухе по-прежнему жива:
Мы намерены в самое ближайшее время обязательно выйти с предложениями о сотрудничестве на руководство «Airbus» и других европейских производителей авиационной техники.
Но если идея микроволнового устранения обледенения пока не вышла за рамки прототипа, то другая разработка, также родившаяся в Карлсруэ в том же 1998-м году, уже успела получить полное признание и широкое распространение. Речь идёт о своего рода авиационном парковочном ассистенте. Как известно, посадив самолёт, пилот должен быстро подрулить к указанным воротам пассажирского терминала и занять там строго определённое парковочное место, и при решении этой задачи ему без посторонней помощи не обойтись, тем более что требования к точности парковки самолёта чрезвычайно высоки, а условия видимости могут быть весьма неблагоприятными. Памятуя об этом, Фолькер Генгенбах (Volker Gengenbach), в то время – сотрудник Института информатики и обработки данных имени Фраунхофера в Карлсруэ, – создал электронного лоцмана – автоматизированную компьютерную систему, в память которой заложена информация обо всех типах и моделях летательных аппаратов, хотя бы изредка совершающих посадку в данном аэропорту.
Ещё до того, как самолёт прибывает, авиадиспетчеры задают в систему тип воздушного судна и ожидаемое время посадки, –
поясняет автор изобретения. Идея Генгенбаха оказалась востребованной: основанная им небольшая фирма «Gevitec» поставила уже более 500 комплектов такого оборудования в аэропорты самых разных стран мира.
Затем в системе запускается процесс слежения. На основе полученных данных поставляемое видеокамерами изображение лётного поля анализируется на предмет идентификации указанного самолёта. Обнаружив его, система определяет координаты его местоположения, просчитывает оптимальный маршрут следования и выдаёт эти данные на табло.
Табло – это большие электронные щиты, установленные над причалами терминала с таким расчётом, чтобы пилотам было их хорошо видно. Такие шиты уже имеются в аэропортах Лейпцига и Дрездена, Брюсселя и Мадрида, Пекина и Сеула. Последние 100 метров пилота ведёт к цели электронное табло. Фолькер Генгенбах говорит:
Эти табло высвечивают пилоту расстояние до расчётной точки парковки. Когда до цели остаётся 35 метров, расстояние указывается с интервалами в 5 метров, потом этот шаг постепенно уменьшается. Светящимися стрелками на табло указываются отклонения самолёта от идеальной траектории, так что пилот всегда знает, взять ему немного левее или правее, чтобы вырулить точно на нужную позицию.
Но главным элементом этой системы является всё-таки не электронные табло и не установленная тут же специальные видеокамеры, а компьютер, вернее, его программное обеспечение, позволяющее с высокой эффективностью анализировать изображение. Эта программа основана на алгоритмах, которые совершенствовались годами. С частотой от 10-ти до 20-ти раз в секунду система сравнивает очертания приближающегося реального воздушного судна с его трёхмерной моделью, заложенной в память компьютера, что и обеспечивает точное целенаведение, – поясняет Фолькер Генгенбах:
Когда парковочная позиция достигнута, на табло загорается сигнал «стоп». Одновременно соответствующий сигнал поступает в центральную базу данных аэропорта, после чего начинается отсчёт времени стоянки.
Такая система аэродромной навигации позволила существенно сократить как количество, так и продолжительность задержек при причаливании к рукаву или при подаче трапа. Пассажиры экономят время, администрация аэропорта – деньги и персонал:
Если иметь в виду, что в крупном аэропорту количество прибывающих рейсов может достигать нескольких тысяч в неделю, а наша система обеспечивает 100-процентную надёжность, то понятно, о каком масштабе экономии тут может идти речь. Наши системы установлены в разных странах и в разных климатических зонах, включая и зоны муссонных дождей. Конечно, это создаёт дополнительные проблемы, но каждую рано или поздно нам удаётся решить.
По сравнению с используемыми сегодня во многих аэропортах альтернативными парковочными ассистентами на основе лазеров система Генгенбаха имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, она почти не требует ухода, во-вторых, обходится без лазерного излучения, а в-третьих, надёжно функционирует в любую погоду:
Бывает туман такой консистенции, что капельки влаги сильно рассеивают лазерный луч, и это, конечно, создаёт проблемы для лазерных систем. Мы же имеем дело с обычными видеокамерами, так что этот эффект у нас выражен гораздо слабее. То есть до тех пор, пока человек ещё что-то видит, аэропорт по погодным условиям не закрыт и полёты продолжаются, работает и наша система.
Сегодня сбыт систем навигации, выпускаемых небольшой фирмой Генгенбаха, осуществляет крупный поставщик оборудования для аэропортов – компания «Honeywell». Сам же разработчик занят тем, что адаптирует свои стандартные системы к индивидуальным запросам того или иного заказчика. По оценке Генгенбаха, на долю его систем приходится примерно 30 процентов рынка:
За счёт того, что мы используем базу данных, содержащую трёхмерные модели всех типов воздушных судов, вероятность того, что система примет один самолёт за другой или, скажем, автомобиль за самолёт, равна нулю. Но это ещё не всё: благодаря тому, что система способна точно просчитать очертания самолёта, мы можем отслеживать и самолёты, которые видны не полностью, частично заслонены аэродромными сооружениями или другими самолётами,. Этим обеспечивается высокая надёжность системы. Даже в туман или сильный дождь, когда еле-еле просматривается лишь небольшая часть самолёта, мы всё же можем проводить его к месту стоянки.
А тот факт, что недавно на рынок с аналогичной видеосистемой аэродромной навигации вышел концерн «Siemens», служит подтверждением правильности сделанного некогда Генгенбахом выбора технологии.
И в заключении передачи – несколько слов о новых методах неразрушающего контроля за состоянием конструкционных элементов самолётов. Та эпоха, о скорейшем наступлении которой мечтают разработчики микроволновой системы борьбы с обледенением, – эпоха, когда самолёты будут изготовляться не из алюминиевых сплавов, а из синтетических композиционных материалов, – чревата и определёнными проблемами для эксплуатационников. Дело в том, что скрытые дефекты в таких конструкциях практически неразличимы простым глазом. Поэтому самолётостроители разрабатывают новые концепции и новую аппаратуру для техосмотров и диагностики дефектов. Так, уже сегодня на вооружении британских военно-воздушных сил имеются истребители-перехватчики, в конструкции которых использованы композиционные материалы. Поэтому для предполётной подготовки этой боевой техники создан и проходит испытания специальный прибор-«дятел», – поясняет Стэн Элуорти (Stan Elworthy) и засовывает устройство, напоминающее слегка увеличенную компьютерную мышь, в прорезь обшивки фюзеляжа:
Это цифровой прибор, генерирующий и воспринимающий ударные волны. Он состоит из электромагнитного ударного механизма и акселерометра, то есть сенсора, измеряющего ускорение. Такое постукивание позволяет определить внутреннее состояние материала и выявить скрытые дефекты. Прибор регистрирует продолжительность каждого удара, и на этой основе компьютер вычисляет жёсткость материала. На экране монитора контролируемая конструкция предстаёт расчерченной на клеточки, которые постепенно помечаются тем или иным цветом – зелёным, если всё в порядке, жёлтым – если требуется дополнительная проверка. Наш метод позволяет даже довольно точно определить размеры возможного дефекта.
Немецкие инженеры пошли иным путём: Мартин Леман (Martin Lehmann) из Института проблем прочности и надёжности систем имени Фраунхофера в Дармштадте работает с сенсорами, интегрированными в обшивку самолёта из композиционных материалов. Эти сенсоры регистрируют силу и координаты, например, ударов градин или камешков по крыльям при взлёте и посадке:
Эти сенсоры превращают распространяющиеся в твёрдой среде звуковые волны в электрические сигналы. Разница во времени прохождения сигналов от разных сенсоров позволяет определить точку, на которую пришёлся удар, так что потом мы можем более тщательно изучить это место.
Более того:
Эти сенсоры функционируют не только как пассивные элементы, но могут и сами активно генерировать звуковые волны. Мы подаём электрический сигнал, на который сенсоры отвечают ударной волной. По тому, как она проходит внутри материала и где отражается, можно выявить дефект в структуре материала.