Гибкие сенсоры на поверхности самолета уменьшат расход топлива в полете

Гражданская авиация не осталась в стороне от движения к климатически нейтральному будущему. Чтобы сделать самолеты более энергоэффективными и использовать меньше реактивного топлива, отрасли нужны надежные данные о долговечности материалов и аэродинамике в реальном полете. Исследователи из немецкого института Фраунгофера (Fraunhofer IZM) работают по заказу Airbus Central C&T над вопросом интеграции датчиков во внешнюю оболочку фюзеляжа самолета для обеспечения надежных измерений даже в тяжелых условиях в воздухе.

В эпоху глобализации мир не может функционировать без авиации, но авиаперевозки оказывают значительное воздействие на мировой климат. Чтобы примирить необходимости путешествовать и перевозить товары с видением экологически устойчивого будущего, необходимо стремиться к уменьшению расхода топлива самолетами и повышению энергоэффективности. Инновационные технологии играют здесь ключевую роль: более легкие, прочные материалы и оптимизированная аэродинамика — это всего лишь два возможных примера использования «зеленого» потенциала.

Но для реализации этого потенциала необходимы надежные измерения, которые могут дать представление о том, как ведут себя различные материалы и как на них влияют напряжения вплоть до нанометрового масштаба. С этой целью исследователи из Института надежности и микроинтеграции Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM) в Берлине разработали новую сенсорную оболочку для сбора и обработки данных в режиме реального времени, которую можно просто натянуть на крылья самолета.

В своих исследованиях они сосредоточились на материале, который уже используется для покрытия фюзеляжа большинства самолетов: термопластичный полиуретан или ТПУ. Команда работала над интеграцией электронных компонентов (сенсорных систем) в полоски ТПУ и их тестированием в различных условиях. Задача таких датчиков - измерять температуру, давление воздуха или вибрацию крыльев во время полета.

Одним из важных факторов было то, насколько устойчивыми будут эти полосы к воздействию различных химических веществ (противогололедный реагент, реактивное топливо). Полная сенсорная оболочка может предоставить производителям самолетов важный набор данных о том, как материал деградирует с течением времени. Отслеживая параметры окружающей среды и аэродинамическое сопротивление в режиме реального времени во время полета, они также смогут оптимизировать расход топлива своего самолета.

Команда Фраунгофера использовала накопленный опыт Института в сборке и соединении растягиваемой электроники, однако, подготовить миниатюрные датчики, встроенные в ТПУ, для использования в авиации было непростой задачей. ТПУ изначально представляет собой мягкую гибкую пленку, что при использовании в жестких условиях полета создает риск повреждения чувствительных компонентов или самой оболочки. Так как в авиации предъявляются жесткие требования к весу любого компонента самолета, вся сенсорная оболочка должна быть чрезвычайно тонкой, около 200 мкм, но при этом оставаться функциональной, работающей системой.

Сначала необходимо было сформулировать характеристики материала, его эластичность и расширение при воздействии тепла. Затем эти данные использовались для моделирования, чтобы определить конкретные слабые места и спрогнозировать долговечность материала при воздействии механических или термомеханических нагрузок. Благодаря этому анализу были установлены идеальные параметры обработки (тепло, давление) для ламинирования оболочек и пайки компонентов.

Электронные схемы на растягиваемых сенсорных модулях были созданы с помощью технологий литографии и травления, которые используются при производстве печатных плат. После монтажа и пайки компонентов, команда доктора Стефана Вагнера и Жоао Алвеса Маркеса использовала два специальных процесса для защиты системы от внешних сил: для герметизации микроэлектронных компонентов их закрывают специальными заглушками из полиуретана, которые затем закаляются.

Метод сборки «флип-чип» также использовался для встраивания очень тонких чипов прямо в материал подложки. Одним из несомненных преимуществ выбранных технологий и материалов является гибкость ТПУ в качестве подложки со встроенными сенсорными модулями, что важно для использования в авиации. Податливая подложка плавно ложится на крылья и одновременно защищает электронику.

После того, как промышленный партнер Airbus Central C&T успешно протестировал сенсорные полосы на устойчивость к различным механическим и химическим воздействиям, открылся потенциал для последующих проектов. Среди планов – использовать технологию сборки и соединения для интеграции датчиков не только в отдельные полосы, но и в модули с площадью поверхности до 60х60 см.

Включение всей электроники для обработки данных в такие модули из ТПУ было бы привлекательным вариантом, чтобы сохранить автономность бортовой электроники. Это позволит собирать данные независимо от собственных ресурсов самолета и передавать их по беспроводной сети (радио или Bluetooth).

Фото и текст предоставлены официальным сайтом Института Фраунгофера.

Специалисты АКТИАС Тек работают на авиационных проектах Инженерного центра ИКАР с 2012 года. В настоящий момент мы ищем в команду инженеров по периметру шасси.