Авиационное противообледенительное покрытие Российский патент 2025 года по МПК C09K3/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к авиационному транспорту и предназначено для предотвращения образования льда на внешних поверхностях летательных аппаратов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устойчивое к обледенению покрытие, состоящие из одного или нескольких слоев, обеспечивающих термоизоляцию и супергидрофобную поверхность [1].

Недостаток этого покрытия заключается в том, что супергидрофобные поверхности демонстрируют ограниченные возможности по защите от обледенения изза следующих природных явлений. Во-первых, охлаждённая супергидрофобная поверхность может покрыться инеем из-за конденсации водяного пара и его замерзания [2]. К образовавшемуся инею будут более охотно приставать падающие капли, а сцепление льда с поверхностью будет повышено из-за наличия его в текстуре поверхности. Во-вторых, во время удара капель воды о поверхность часть её может проникнуть в текстуру поверхности [3,4] и там замерзнуть. Это также приведет к дальнейшему росту наледи и повышенному сцеплению льда с супергидрофобной поверхностью. Наличие теплоизолирующего слоя под супергидрофобной поверхностью, как предлагает упомянутое изобретение, не может предотвратить вышеописанные явления.

Известно также противообледенительное покрытие, содержащие множество резервуаров противообледенительной жидкости, заключенных в полимерную матрицу, отверждаемую ультрафиолетовым излучением [5].

Недостаток этого покрытия заключается в том, что после вымывания противообледенительной жидкости падающими каплями из отвержденной полимерной матрицы остается пористая структура. За счёт пористости, сцепление льда с такой поверхностью будет высоким. Из-за отверждаемой ультрафиолетом полимерной матрицы усложняется процедура его нанесения и удаления. Помимо этого, в покрытии отсутствуют красители, облегчающие оценку качества его нанесения или удаления.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание противообледенительного покрытия без вышеупомянутых в п.2 недостатков. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении противообледенительных свойств покрытия и расширении диапазона защищаемых поверхностей летательного аппарата.

Указанный технический результат достигается тем, что противообледенительное покрытие, содержит водорастворимый адгезионный слой и вещество, понижающее точку замерзания водного раствора, в виде твердых частиц с линейным размером не более 0,2 миллиметра.

Существует вариант, в котором твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, распределены по толщине адгезионного слоя.

Существует вариант, в котором твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, находятся на поверхности адгезионного слоя.

Возможен вариант, в котором объемная доля твердых частиц вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, не превышает 75 %.

Возможен вариант, где окрашены твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора.

Существует также вариант, в котором адгезионный слой содержит краситель.

На основе нанесения предлагаемого покрытия, выдвинут способ минимизации или предотвращения обледенения защищаемой поверхности.

Существует вариант, в котором на защищаемую поверхность наносится смесь вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой, с твердыми частицами вещества, понижающего точку замерзания водного раствора.

Существует также вариант, в котором сначала на защищаемую поверхность наносится вещество, формирующего водорастворимый адгезионный слой, а затем в поверхность этого слоя втираются твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора.

Возможен вариант, в котором перед нанесением противообледенительного покрытия защищаемую поверхность очищают и обезжиривают.

Также на основе противообледенительного покрытия предложено средство для предотвращения или минимизации обледенения поверхности. Средство содержит вещество, формирующее водорастворимый слой, и твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора.

Существует вариант средства, в котором данные компоненты смешаны.

Возможен вариант, где компоненты идут отдельно.

Существует вариант, в котором добавлен краситель в вещество, формирующее водорастворимый адгезионный слой.

Возможен вариант, в котором твердые частицы вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, окрашены.

Существует вариант, в котором идут отдельно компоненты для очистки и обезжиривания защищаемой поверхности с протирочным материалом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 схематично изображено авиационное противообледенительное покрытие, когда вещество, понижающее точку замерзания водного раствора, распределено по толщине адгезионного слоя – вид сбоку.

На фиг. 2 показан другой вариант авиационного противообледенительного покрытия, когда вещество, понижающее точку замерзания водного раствора, находится на поверхности адгезионного слоя – вид сбоку.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авиационное противообледенительное покрытие на защищаемой поверхности (1) (фиг. 1,2) содержит водорастворимый адгезионный слой (2) и вещество, понижающее точку замерзания водного раствора в форме твердых частиц (3) с линейным размером не более 0,2 миллиметра.

Существует вариант (фиг. 1), в котором твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, распределены по толщине адгезионного слоя (2).

Существует вариант (фиг. 2), когда твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, находятся на поверхности адгезионного слоя (2).

Авиационное противообледенительное покрытие работает следующим образом. В условиях обледенения, переохлажденные капли воды, находящиеся в атмосфере при температурах ниже 0°С, ударяются о поверхность противообледенительного покрытия при движении летательного аппарата и/или его части. В результате удара капли воды растекаются и растворяют твердые частицы (3) вещества, понижающего точку её замерзания. После растворения твердых частиц (3) вода уже не замерзает на поверхности и сдувается воздушным потоком, возникающим из-за движения летательного аппарата и/или его части. Капли воды не только растворяют твердые частицы (3), но и водорастворимый адгезионный слой (2) тем самым снижая шероховатость, возникающей поверхности, и обнажая не тронутый защитный слой покрытия.

В качестве водорастворимого адгезионного слоя (2) можно взять, например водорастворимый клей, а твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, - например, хлористый натрий. Для равномерного распределения в адгезионном слое (2) частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора (фиг. 1), их предварительно перемешивают, а затем наносят полученную смесь на защищаемую поверхность (1), например кисточкой. Для получения второго варианта покрытия (фиг. 2), наносится адгезионный слой (2), а затем на поверхность этого слоя насыпаются твердые частицы (3) и втираются. Если перед нанесением покрытия защищаемая поверхность (1) загрязнена, то она предварительно очищается и обезжиривается с использованием, например изопропилового спирта и бумажного полотенца.

Соответствие размера используемых твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, требуемому критерию можно найти с помощью, например микроскопических исследований (детали см. в [6]). В результате анализа микрофотографий частиц определяется их максимальный линейный размер, который должен быть не больше 0,2 миллиметра. Такой размер частиц позволяет получить поверхность противообледенительного покрытия с минимальным уровнем дополнительного аэродинамического сопротивления. Это основано на общих требованиях к качеству внешней поверхности дозвуковых самолетов, согласно которым выступы должны быть не более 0,2 миллиметра [7].

Объемная доля частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, в покрытии рассчитывается по формуле ϕ=V_p/(V_p+V_a )×100% , где V_p и V_a – оценка объемной доли частиц и адгезионного слоя, соответственно. Она должна быть не больше 75%. Оценка максимальной доли частиц строится на двух соображениях. С одной стороны, чем выше доля твердых частиц (3), тем сильнее противообледенительные свойства покрытия. С другой стороны, максимальная доля частиц ограничена тем фактом, что частицы должны хорошо удерживаться на поверхности адгезионного слоя (2). Поэтому максимальная доля частиц (3) в покрытии получено из рассмотрения наитончайшего покрытия в толщину с диаметр твердых частиц (3), в котором адгезионный слой (2) составляет ½ диаметра частиц и частиц находятся в плотной упаковке.

Адгезионный слой (2) может быть окрашен за счет добавления в него, например пищевого красителя. А твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, могут быть окрашены путем добавления в них водного раствора акварельной краски с последующим их высушиванием и измельчением.

Предлагаемое противообледенительное покрытие обеспечивает защиту летательных аппаратов, например таких как БПЛА (беспилотный летательный аппарат), а также оно может быть использовано в иных сферах, например для защиты антенн.

На основе формирования предлагаемого противообледенительного покрытия, предложен метод минимизации и предотвращения обледенения защищаемой поверхности (1). Как было описано выше, метод создания предлагаемого противообледенительного покрытия может состоять из нанесения смеси вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2) с твердыми частицами (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора (фиг. 1). Либо метод состоит из нанесения на поверхность (1) сначала вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2), затем насыпание и втирание твердых частиц (3) в него (фиг. 2). В зависимости от степени загрязнения, перед формированием противообледенительного покрытия защищаемая поверхность (1) может быть очищена и обезжирена, например изопропиловым спиртом.

Соответственно, средство для создания предлагаемого покрытия содержит два основных компонента: вещество, формирующее водорастворимый адгезионный слой (2) и твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, с линейными размерами не более 0,2 миллиметра – поставляемых либо в смеси, либо отдельно (примеры, см. выше). Эти компоненты могут содержать краситель для обеспечения контроля нанесения (примеры, см. выше). Также, средство может содержать отдельно компоненты для очистки и обезжиривания (например, изопропиловый спирт) и протирочный материал (например, бумажные полотенца).

Использование водорастворимого адгезионного слоя снижает шероховатость поверхности, образующейся при столкновении и растекании капель воды, за счет растворения и уноса обоих компонентов покрытия. Снижение шероховатости приводит к уменьшению адгезии льда с образующейся поверхностью, а значит облегчается его унос набегающим воздушным потоком, возникающим при движении летательного аппарата и/или его части. Удаление обоих компонентов покрытия каплями воды обнажает новый слой с противообледенительными свойствами, что также препятствует образованию льда на поверхности. Помимо этого, растворимость обоих компонентов покрытия водой позволяет легко очищать поверхность от его остатков и повторно его наносить.

Применение твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, с линейным размером не больше 0,2 миллиметра позволяет получить поверхность противообледенительного покрытия с минимальным уровнем дополнительного аэродинамического сопротивления. Также, малый размер твердых частиц (3) обеспечивает равномерные противообледенительные свойства по поверхности.

Распределение твердых частиц (3) по толщине адгезионного слоя (2) (фиг.1) дает возможность получать толстые покрытия с максимальной защитой элементов летательного аппарата, для которых не критичен дополнительный вес.

Нахождение твердых частиц (3) на поверхности адгезионного слоя (2) (фиг. 2) наоборот дает возможность получать тонкие покрытия для элементов летательного аппарата, чувствительных к дополнительному весу.

Использование объемной доли твердых частиц (3) не более 75% предотвращает их унос набегающим воздушным потоком благодаря достаточности адгезионного слоя (2) для их скрепления. Соответственно, это повышает эффективность противообледенительного покрытия.

Применение красителей либо в твердых частицах (3) либо в адгезионном слое (2) увеличивает визуальный контраст покрытия и тем самым облегчает проверку качества его нанесения или удаления. Соответственно, это повышает эффективность противообледенительного покрытия.

Нанесение на защищаемую поверхность (1) смеси вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2) с твердыми частицами (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, позволяет получить толстый защитный слой для элементов летательного аппарата не критичных к дополнительному весу. Тем самым, это повышает эффективность противообледенительной защиты.

Нанесение на защитную поверхность (1) сначала вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2), а затем втирание твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, позволяет получать тонкие защитные слои для элементов летательного аппарата критичных к дополнительному весу. Соответственно, это расширяет диапазон деталей летательного аппарата, защищаемых покрытием.

Очистка защищаемой поверхности (1) и её обезжиривание перед нанесением противообледенительного покрытия улучшает равномерность её нанесения по поверхности и сцепление адгезионного слоя (2) с ней.

Средство для предотвращения или минимизации обледенения защищаемой поверхности (1) в виде смеси вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2) с твердыми частицами (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, позволяет создавать толстые защитные слои для элементов летательного аппарата, для которых не критичен дополнительный вес.

Средство для предотвращения или минимизации обледенения защищаемой поверхности (1) в форме отдельных вышеописанных компонент, позволяет формировать тонкие защитные слои на элементах летательного аппарата, для которых критичен дополнительный вес.

Краситель в средстве для предотвращения или минимизации обледенения защищаемой поверхности (1) облегчает контроль качества его нанесения или удаления.

Наличие в средстве отдельных компонентов для очистки и обезжиривания с протирочным материалом позволяет улучшить качество нанесения и сцепление адгезионного слоя (2) с защищаемой поверхности (1) и соответственно, противообледенительную защиту покрытия.

Таким образом, признаки предлагаемого изобретения заключается в повышении противообледенительных свойств покрытия и расширении диапазона защищаемых поверхностей летательного аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент EP 3676178 B1 Европейское патентное ведомство, МПК B64D 15/00 (2006.01), C09K 3/18 (2006.01). Non-icing surfaces: N 18852340.1 : заявлено : 09.08.2018 : опубл. 29.06.2022 / Amsalem J., Breuer O., Marmur A.; заявитель Rafael Advanced Defense Systems Ltd – 16 с.: ил. – Текст: непосредственный.

2. Varanasi K.K., Deng T., Smith J.D., Hsu M., Bhate N.; Frost formation and ice adhesion on superhydrophobic surfaces. Appl. Phys. Lett. – 2010. – 97 (23): с. 234102-1 – 234102-3: ил. – Текст: непосредственный.

3. Deng T., Varanasi K.K., Hsu M., Bhate N., Keimel C., Stein J., Blohm M.; Nonwetting of impinging droplets on textured surfaces. Appl. Phys. Lett. – 2009. – 94 (13): с. 133109-1 – 133109-3: ил. – Текст: непосредственный.

4. Kwon H.-M., Paxson A. T., Varanasi K.K., and Patankar N. A. Rapid Deceleration-Driven Wetting Transition during Pendant Drop Deposition on Superhydrophobic Surfaces. Phys. Rev. Lett. – 2011. – 106: с. 036102-1 – 036102-4: ил. – Текст: непосредственный.

5. Патент EP 3115421 B1 Европейское патентное ведомство, МПК C09D 5/00 (2006.01), Active anti-ice coating, coating material and production method for producing the same: N 15175504.8 : заявлено : 06.07.2015 : опубл. 03.03.2021 / Strobl T., Raps D., Zahouily K., Riess G.; заявитель Airbus Helicopters Deutschland GmbH, Airbus Defence and Space GmbH – 17 с.: ил. – Текст: непосредственный.

6. Гаврилова Н. Н. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов: учеб. пособие / Н. Н. Гаврилова, В. В. Назаров, О. В. Яровая. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. – 52 с. – ISBN 978-5-7237-1055-9. – Текст: непосредственный.

7. ОСТ 1 02507-92. Самолеты дозвуковые. Общие требования к качеству внешней поверхности: отраслевой стандарт Российской Федерации: издание официальное : утвержден и зарегистрирован ТК по стандартизации №323 за № 874 от 23.08.92 : введен взамен : введен 1993-01-01. – Текст: непосредственный.

Изобретение может быть использовано для предотвращения образования льда на внешних поверхностях летательных аппаратов. Авиационное противообледенительное покрытие содержит водорастворимый адгезионный слой (2), вещество, понижающее точку замерзания водного раствора, в виде твердых частиц (3) с линейным размером не более 0,2 мм. Предложены также способ минимизации или предотвращения обледенения защищаемой поверхности и средство для предотвращения или минимизации обледенения защищаемой поверхности. Группа изобретений позволяет повысить противообледенительные свойства покрытия и расширить диапазон защищаемых поверхностей летательных аппаратов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Авиационное противообледенительное покрытие, наносимое на защищаемую поверхность (1) и содержащее:

водорастворимый адгезионный слой (2),

вещество, понижающее точку замерзания водного раствора, в виде твердых частиц (3) с линейным размером не более 0,2 миллиметра.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, распределены по толщине водорастворимого адгезионного слоя (2).

3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, находятся на поверхности водорастворимого адгезионного слоя (2).

4. Покрытие по п.2, отличающееся тем, что объемная доля твердых частиц (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, не превышает 75%.

5. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, окрашены.

6. Покрытие по п.1, отличающееся тем, адгезионный слой (2) содержит краситель.

7. Способ минимизации или предотвращения обледенения защищаемой поверхности (1), заключающийся в формировании на ней покрытия по п.1.

8. Способ по п.7, в котором на защищаемую поверхность (1) наносится смесь вещества, формирующего водорастворимый адгезионный слой (2), с твердыми частицами (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, при этом линейный размер частиц не более 0,2 мм и их объемная доля не более 75%.

9. Способ по п.7, в котором на защищаемую поверхность (1) наносится вещество, формирующее водорастворимый адгезионный слой (2), а затем в поверхность этого слоя втираются твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, при этом линейный размер частиц не более 0,2 мм.

10. Способ по п.7, в котором перед нанесением противообледенительного покрытия защищаемую поверхность (1) очищают и обезжиривают.

11. Средство для предотвращения или минимизации обледенения защищаемой поверхности (1), содержащее компоненты для формирования на ней противообледенительного покрытия по п.1.

12. Средство по п.11, в котором компонент, формирующий на защищаемой поверхности (1) водорастворимый адгезионный слой (2), смешан с твердыми частицами (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, причем линейный размер частиц не более 0,2 мм и их объемная доля не более 75%.

13. Средство по п.11, в котором идут отдельно компонент, формирующий на защищаемой поверхности (1) водорастворимый адгезионный слой (2), и твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, причем линейный размер частиц не более 0,2 мм.

14. Средство по п.11, в котором добавлен краситель в компонент, формирующий водорастворимый адгезионный слой (2).

15. Средство по п.11, в котором твердые частицы (3) вещества, понижающего точку замерзания водного раствора, окрашены.

16. Средство по п.11, в котором идут отдельно компоненты для очистки и обезжиривания поверхности с протирочным материалом.