Не стройте свою модель на песке

Вулканический пепел может повреждать реактивные двигатели, и вулканологи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) разработали новую эмпирическую модель для оценки этого риска. Их результаты показывают, что испытания с использованием песка не отражают поведение пепла в данном контексте.

Вулканический пепел опасен для коммерческих самолетов, потому что, попадая в реактивные двигатели, он может серьезно повредить турбины, а также нарушить работу других компонентов. Извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль в Исландии в 2010 году привело к масштабным сбоям в воздушном сообщении над Европой и значительным экономическим потерям. «Повреждение двигателей в первую очередь связано с осаждением расплавленного пепла на лопатках турбин, — говорит профессор Дональд Дингвелл, директор департамента наук о Земле и окружающей среде LMU. — И одной из причин масштабного закрытия воздушного пространства в 2010 году было то, что ничего не было известно о поведении вулканического пепла при плавлении в условиях, характерных для реактивных двигателей». Он и его исследовательская группа изучили этот вопрос и показали, что химический состав пепла, который варьируется в зависимости от его источника, играет решающую роль в определении степени возможного ущерба. Более того, новое исследование показывает, что стандартные испытания, использующие в качестве аналога частицы песка или пыли, не воспроизводят воздействие вулканического пепла на двигатели. На основе этих результатов команда LMU разработала модель, позволяющую давать более реалистичные оценки риска для авиации, создаваемого вулканическим пеплом. Их выводы опубликованы в журнале Nature Communications.

Температуры в работающих реактивных двигателях находятся в диапазоне от 1200°C до 2000°C. В таких условиях частицы вулканического пепла плавятся, и расплавленный материал осаждается на горячих поверхностях турбин. Это, в свою очередь, может привести к засорению топливных форсунок, охлаждающих каналов и других частей двигателя. Кроме того, частицы пепла могут проникать в защитные керамические покрытия турбин, снижая их эффективность в качестве тепловых барьеров и усугубляя повреждения. «Единственные доступные данные о влиянии частиц в воздухе на турбины получены в устаревших испытаниях, основанных на использовании песка, — отмечает Дингвелл. — Однако по химическому составу вулканический пепел существенно отличается от песка. Более того, состав пепла сильно различается в зависимости от того, из какого вулкана он происходит».

Исследователи LMU провели первый систематический анализ поведения при плавлении вулканического пепла из различных источников. Они нагревали образцы пепла от девяти разных вулканов с различной скоростью до максимальной температуры 1650°C, моделируя диапазон температур в разных частях коммерческих реактивных двигателей. Было обнаружено, что температуры плавления сильно зависят от химического состава пепла: чем выше доля основных оксидов в образце, тем ниже температура плавления. «С помощью наших данных мы смогли разработать эмпирическую модель, которая описывает поведение вулканического пепла при плавлении в зависимости от его химического состава и скорости нагрева, — объясняет Дингвелл. — Мы также подтвердили более ранние сообщения о том, что пепел в целом плавится при значительно более низких температурах, чем частицы пыли или песка, и, следовательно, будет осаждаться на горячих деталях двигателя с гораздо более высокой скоростью». Поэтому он и его коллеги убеждены, что испытания с использованием песка непригодны для оценки воздействия вулканического пепла на турбины, поскольку они сильно недооценивают степень ущерба, который могут нанести последние.

«С этой моделью мы закладываем основу для более точной оценки последствий осаждения вулканического пепла в турбинных двигателях», — говорит Дингвелл. Исследователи теперь планируют расширить свою базу данных, чтобы расширить применимость модели. Они также намерены изучить, как можно сделать реактивные двигатели менее восприимчивыми к повреждению вулканическим пеплом — путем разработки устойчивых к осаждению покрытий для поверхностей компонентов.