Случвало ли Ви се е някога да погалите акула? На допир тя е доста грапава. Причината е, че кожата ѝ е покрита с микроскопични люспи със силно набраздена повърхност, наподобяващи пайети. Това може и да не изглежда особено впечатляващо, но от гледна точка на хидродинамиката осигурява на акулата ясни предимства. Каналчетата по люспите създават върху кожата на акулата микроструктура, която значително намалява енергоемките водни завихряния по дължината на тялото ѝ. Тя позволява на хищната риба да се движи стремително през водата със скорост над 70 километра в час: по-малко съпротивление, по-малко консумирана мощност, по-висока скорост.
Директно в лаковото покритие
Самият Михиел Топ никога досега не е докосвал кожа на акула. Въпреки това съвсем скоро той иска да оформи върху самолетни детайли подобна повърхностна структура. Заедно с девет свои колеги той работи като продуктов разработчик в компанията 4Jet, производител на лазерни системи, по така наречения проект LEAF. Целта: Повърхността на самолета да придобие текстурата на кожата на акула. Защото това, което работи във водата, работи и във въздуха. И там консумираната мощност – тоест керосинът – може да се намали с помощта на микроструктури. Затова някои авиокомпании вече използват залепени върху повърхността структури. 4Jet също разработва такова фолио, но в дългосрочен план вижда по-добър подход. Михиел Топ обяснява: „Ние вграждаме малките V-образни надлъжни каналчета, наречени риблети, директно в лаковото покритие. По този начин можем да намалим съпротивлението от триене с до десет процента. При самолета то представлява около 50 процента от общото съпротивление. Това означава, че ако структурираме повърхността на целия самолет, при всеки полет можем да постигнем икономия на гориво от три до четири процента. Средно един самолет се експлоатира около 20 години, а обикновено на всеки седем години се пребоядисва. Изчислено за целия експлоатационен живот , икономиите на гориво и намаляването на CO₂ емисиите са значителни.
Два лазерни лъча взаимодействат чрез интерференция, при което върху повърхността се създават малки V-образни канали, почти невидими с невъоръжено око.
За да може надеждно да се структурират дори не напълно равни повърхности на самолетите, 4Jet избира изключително голяма дълбочина на фокуса.
V-образните канали, наречени риблети, се вграждат директно в лаковото покритие. Те намаляват общото аеродинамично съпротивление с 50 процента, което води до значителна икономия на гориво.
Малки риблети на ивици
Тогава защо изобщо да се използва фолио, след като то добавя допълнително тегло към самолета и накрая се превръща в отпадък? Тъй като и до днес няма начин стотици квадратни метри самолетно лаково покритие да бъдат снабдени с функционално перфектно оптимизирана микроструктура за разумно кратко време. Невъзможно. Няма такова нещо. Точка. Екипът LEAF на 4Jet е на друго мнение: Невъзможно? Няма такова нещо! Удивителен знак. LEAF е съкращение от Laser Enhanced Air Flow (лазерно подобрен въздушен поток). Проектът съществува от десет години и развива една амбициозна идея. Технологията използва физичния феномен на лазерната интерференция за структуриране на повърхности. Чрез специална оптична система 4Jet разделя лазерния лъч и след това отново го обединява така, че двата лъча да се наслагват и по този начин да взаимодействат помежду си. Това взаимодействие създава характерен модел с различен интензитет. Това позволява модифициране на повърхности в микроскопичен мащаб.
Лукас Май отговаря за LEAF-комплекса в 4Jet. Той обяснява: „Създаваме повърхностна текстура от риблети с ширина 100 микрометра и дълбочина 50 микрометра. Тази изключително фина микроструктура вграждаме равномерно в самолетно крило с площ над 400 квадратни метра.“ Обработката на лаковото покритие не се извършва точка по точка, а на по-големи ивици: с помощта на лазера комплексът структурира ивици с ширина около 15 до 20 сантиметра. Във всяка от тези т.нар. работни ивици се създава напълно еднородна риблетна структура.
При преходите се получават измествания от порядъка на милиметри, които обаче, разгледани спрямо голямата площ, не оказват функционално влияние, обяснява Май: „В противен случай би се наложило да структурираме дадена риблетна област два пъти, което крие риск от прекалено дълбоко проникване в материала. Затова залагаме на сигурния подход. Въпреки това можем ефективно да позиционираме почти 2 000 риблети един до друг, но тогава се получава съединителна зона, която не е напълно перфектна. Много голямата дълбочина на фокуса, около 20 милиметра, в сравнение с класическото лазерно структуриране гарантира, че структурирането работи надеждно и със скорост до един квадратен метър в минута дори върху не напълно равни самолетни повърхности.
CO₂ лазер срещу CO₂ емисии
За да може този процес да се прилага и върху големи самолети в хангар, е необходима гъвкав комплекс, който придвижва лазерите по корпуса на самолета. За тази цел 4Jet е разработила и изградила т.нар. портал. Размерите му са впечатляващи: демонстрационният модел, разположен в производственото хале на централата на компанията в Алсдорф, е висок 10 метра и широк 20 метра. Той е проектиран за обработка на крилата на самолети като Airbus A330 или Boeing 777. Комплексът включва система за позициониране, лазер, огледала, интерферентна оптична система, както и сензорна система и софтуер. Източник на лъча е CO₂ лазерът TruFlow 5000. Той най-добре отговаря на физическите изисквания на процеса.
Михиел Топ обяснява: „Дължината на вълната е от решаващо значение – CO₂ лазерът се абсорбира особено добре от лаковото покритие на самолета и по този начин позволява прецизно и щадящо материала структуриране.“ Същевременно лазерът трябва да притежава висока кохерентност, за да може необходимият интерферентен модел, който възниква при наслагването на лазерните лъчи, да се формира стабилно. Поради това TRUMPF адаптира TruFlow за приложение при 4Jet, като наред с други мерки извърши спектрално стесняване на лъча посредством специална решетка. „При CO₂ лазера обаче не можем да използваме оптичен кабел“, обяснява Май.
Поради големите размери на портала пътят на лазерния лъч до повърхността на самолета е дълъг. Специално разработена система от огледала го отвежда дотам. „Самият комплекс се измества, затова работим с активно следене на позицията. Това са подвижни огледала, които се донастройват.“ Въпреки големите си размери, системата може свободно да се придвижва. Лазерно сканиращо устройство разпознава точното положение на самолета и комплекса.
По принцип риблетната структура може да бъде приложена и върху цялата повърхност на самолета. На практика обаче 4Jet се фокусира върху зоните с особено значение за аеродинамиката. Изчисленията показват, че ефектът е най-голям именно при крилата – там, където триенето с въздуха оказва най-съществено влияние. Потенциалните клиенти, като например авиокомпаниите, са възхитени от тази технология, разказва Топ. Но вероятно ще мине още известно време, докато екипът на LEAF създаде върху повърхността на техните самолети текстура, подобна на тази на кожата на акула. В момента търсим партньори в авиационния сектор, които биха искали да предлагат тази услуга съвместно с нас“, обяснява Май. След това ще е необходимо и получаването на съответните сертификати от компетентните авиационни власти. Това е продължителен процес. Въпреки това Май и Топ са уверени: Наясно сме, че ще са необходими още три до четири години, преди технологията да намери комерсиално приложение в авиацията. Но ние показахме, че нашата технология работи. Сега сме готови за следващата стъпка.“
