Jäänpoisto lentokonemateriaaleista lämmityksen avulla: Alumiini, teräs ja termisesti ruiskutetut pinnoitteet

Abstract

Ilmailualalla turvallisuus on merkittävä tekijä, minkä parantamisen eteen tehdään jatkuvasti töitä. Ilma-alukseen kertyvä jää on merkittävä turvallisuusriski ja jää on aiheuttanut useita ihmishenkiä vaatineita onnettomuuksia. Jään muodostuminen on voitava estää ja kertynyttä jäätä täytyy voida poistaa kriittisiltä pinnoilta. Tässä työssä käsittelen tällä hetkellä käytössä olevia jäänesto- ja jäänpoistomenetelmiä sekä niiden käyttökohteita. Lisäksi vertailen eri materiaaleja lämmityksen avulla tapahtuvassa jäänpoistossa. Jäänestoa käytetään kohteissa, joihin jäätä ei haluta muodostuvan lainkaan. Näitä kohteita ovat esimerkiksi moottorin ilmanottoaukot ja erilaiset mittarit ja sensorit. Jäänpoistoa käytetään kohteissa, joista kertynyt jää on kyettävä poistamaan. Tällaisia ovat esimerkiksi siiven ja vakaimien johtoreunat, tuulilasi ja ohjaamon sivuikkunat sekä potkurit. Jäänpoistoon ja -estoon käytetään paineilmalla toimivia poistokumeja, moottorien vuodatusilmaa, sähkövastuksia ja jäänpoistonesteittä. Lämmitys moottorin vuodatusilmalla tai sähkövastuksilla on yleinen jäänpoisto- ja jäänestomenetelmä, mitä käytetään useissa kriittisissä kohteissa. Tämän vuoksi kokeellisessa osassa tutkin alumiinin 2017A-T4, ruostumattoman teräksen 304L sekä termisesti ruiskutettujen polyeteenipinnoitteiden jäänpoistokyvyn eroja lämmityksen avulla. Kokeet suoritettiin Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen jäälaboratoriossa. Näytteille kerrytettiin jääkerros, joka sulatettiin irti testattavasta pinnasta lämmityslevyn avulla. Sulamiseen kulunut aika suhteutettiin jään massaan ja eri materiaalien tuloksia verrattiin keskenään. Kokeiden aikana jäälaboratorion kylmähuoneen lämpötila oli –10 ℃ ja mittauksissa käytetyt lämmityslevyn sulatuslämpötilat olivat 20 ℃ ja 10 ℃. Jää irtosi parhaiten alumiinin pinnalta, koska alumiinilla on teräkseen verrattuna huomattavasti korkeampi lämmönjohtavuus. Pinnoittamattomien ja pinnoitettujen näytteiden välillä pinnoitettujen tulokset olivat heikompia. Polyeteenin lämmönjohtavuus on selkeästi metalleja huonompi, mutta pinnoitteen alhaisempi jäänadheesio vaikuttaa positiivisesti sen jäänpoisto-ominaisuuksiin. Eri lämpötiloissa materiaalien järjestys pysyi samana, mutta erot tasaantuivat. Näytteen ja lämmityslevyn välinen lämpötilaero on pienempi matalammalla mittauslämpötilalla. Tällöin näytteet saavuttavat nopeammin tavoitelämpötilan ja sulattavat jäätä pidemmän aikaa samalla lämpötilalla.

In the aviation industry safety is a major factor and it is constantly improved. Icing is a significant safety risk and therefore ice protection systems are important. From the critical surfaces ice accretion must be prevented or the already accreted ice must be removed. This work focuses on the most common anti-icing and deicing methods that are used on aircrafts, and the different material performances in thermal deicing are compared. Anti-icing is used on areas where icing is not allowed whereas deicing is used on areas where accreted ice must be removable. Anti-icing can be done thermally on for example engine air inlets and different sensors. Pneumatic boots can be used as deicing method on leading edges, windshields, and propellers. One of the most common ice protection methods is thermal ice protection. It is used on many critical areas of the aircraft and was therefore chosen to be used as the deicing method of this work. Deicing abilities of aluminum 2017A-T4, stainless steel 304L and thermally sprayed polyethylene coatings were studied and compared in this work. Ice layer was accreted on the sample and then melted with a heating plate. Ice detaching time was measured and later set to proportion with the mass of the accreted ice and the results between materials were compared. The experiments were conducted in Tampere University’s ice laboratory in Hervanta campus. The temperature of the ice laboratory was –10 ℃ and the temperature of the heating plate was either 20 ℃ or 10 ℃. Aluminum had the best deicing results due to its high thermal conductivity. Between bulk and coated samples, coated samples had lower performance in these tests. Polyethylene has considerably lower thermal conductivity than metals, but it has better icephobic properties. The latter affects positively to the results. Between 20 ℃ and 10 ℃ temperatures the order of the materials remained the same, but the differences decreased. When the temperature difference between the heating plate and the samples was smaller, all the materials reached the target temperature faster and the ice melted longer in that temperature.