Моделирование образования наледи на основе VOF‑модели для брызг от колес и накопления воды на шасси

Почему в зимний период важна влажность ВПП

Каждый коммерческий рейс полагается на прочное шасси, которое катится, рулит и поддерживает самолёт при взлёте и посадке. На мокрых или слякотных ВПП в холодную погоду вращающиеся колёса могут разбрызгивать потоки воды на соседние элементы шасси. Если эта вода замерзнет, она теоретически может заклинить подвижные узлы или повлиять на убирание/выпуск шасси — что вызывает очевидную опасность для безопасности полётов. В этом исследовании с помощью компьютерного моделирования задают вполне прикладной вопрос: при реалистичных, наихудших условиях может ли такая вода, брошенная колёсами, накопиться в виде наледи на шасси в объёмах, угрожающих безопасности полёта?

От луж до брызг и замёрзших плёнок

Авторы начинают с описания того, как вода скапливается на ВПП. Во время дождя или таяния снега вода может образовывать тонкую плёнку по поверхности или собираться в неглубоких лужах в местах неровностей покрытия. Когда самолёт рулит по такой воде, его колёса действуют как быстро вращающиеся лопасти, швыряя капли в воздух. Ранее исследования рассматривали это преимущественно как простое взаимодействие колеса и воды, но на самом деле воздушные потоки вокруг самолёта также отклоняют и замедляют эти капли. Поскольку крупномасштабные испытания с настоящими самолётами чрезвычайно дорогие и трудны для точных измерений, команда обращается к детальным численным моделям жидкостей, чтобы проследить процесс от поверхности ВПП до шасси.

Создание цифровой аэродинамической трубы для воды и льда

Чтобы воспроизвести этот процесс в компьютере, исследователи строят трёхмерную модель, включающую полосу ВПП, вращающееся колесо и упрощённую стойку шасси. Они используют метод Volume of Fluid (VOF), который отслеживает, как вода и воздух распределяются по каждой крошечной ячейке моделируемого пространства, что позволяет симуляции следить за разбрызгиванием, растеканием и слиянием водяных плёнок на металлических поверхностях. Специальная техника «скользящей сетки» позволяет колесу быстро вращаться в неподвижной среде при одновременном обмене информацией с окружающим воздухом и водой. Команда калибрует этот подход, воспроизводя отдельный эксперимент, в котором вращающийся диск отбрасывает тонкий слой масла; их симуляция улавливает наблюдаемые закономерности, что даёт уверенность в способности моделирования также адекватно описать воду, отбрасываемую колёсами самолёта.

Преобразование тонких слоёв воды в потенциальный лёд

Узнав, какой толщины водная плёнка образуется на разных частях шасси, авторы задаются вопросом, сколько этой воды может превратиться в лёд в холодном воздухе. Они рассматривают взлёт с влажной ВПП для типичного гражданского авиалайнера, делая консервативные допущения: относительно большие глубины воды на поверхности до регламентного предела, низкие температуры окружающей среды и полный 12‑секундный пробег рулёжки. Простой моделью теплового баланса затем оценивают, как быстро тепло может отводиться из воды через металлическую стенку в окружающий воздух. Важно, что они предполагают, что всё доступное охлаждение идёт на превращение воды в лёд, а не только на её охлаждение. Они также игнорируют сток воды, частичное замерзание или повторное таяние — допущения, которые намеренно смещают результаты в сторону завышенной оценки толщины льда, а не заниженной.

Где вода и лёд фактически скапливаются

Симуляции показывают, что вода, отброшенная колёсами, не покрывает шасси равномерно. Вместо этого она концентрируется на нижней половине основной стойки, особенно вблизи углов, кронштейнов и небольших ниш, где стекающая вода замедляется и скапливается. Там водяная плёнка может временно утолщаться, прежде чем воздушный поток снесёт часть её, образуя острую, меняющуюся во времени картину. Даже в самых насыщенных водой случаях образовавшийся слой льда всегда тоньше, чем первоначальная жидкая плёнка, что показывает: не вся захваченная вода успевает замёрзнуть. Когда команда суммирует вклад за каждый момент 12‑секундного пробега — опять-таки используя преднамеренно пессимистичные предположения — они обнаруживают, что лёд остаётся локальным налётом, а не сплошной коркой вокруг всего шасси.

Что это значит для безопасности полётов

Для регуляторов и конструкторов самолётов ключевой результат — не точная форма каждой капли, а максимальная толщина льда, которая теоретически может образоваться. Исследование показывает, что даже при суровых холодных условиях и глубоких водных плёнках образовавшийся лёд на критичных частях шасси тонок — порядка нескольких миллиметров в лучшем случае, и обычно значительно меньше. Полностью консервативная оценка авторов остаётся ниже уровней, при которых ожидалось бы заклинивание механизмов или опасность для выпуска/убирания шасси; на практике реальная толщина льда, вероятно, будет заметно меньшей. Проще говоря, их работа указывает на то, что для современных авиалайнеров, работающих в рамках существующих ограничений по глубине воды на ВПП, брызги от колёс во время разбега при морозной погоде в одиночку вряд ли способны накопить столько льда на шасси, чтобы поставить под угрозу безопасное убирание или выпуск.

Цитирование: Dai, J., Zhang, L., Chen, Q. et al. Simulation of icing calculation based on VOF model for wheel spray and landing gear water accumulation. Sci Rep 16, 12174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42513-z

Ключевые слова: ледообразование на самолёте, шасси, мокрая взлётно‑посадочная полоса, брызги от колёс, безопасность полётов