Superhydrophobic coatings for icing mitigation on rotor blades

Flight into adverse weather conditions is a critical operational issue for helicopters. Icing environment leads to potentially dangerous ice accretion phenomena on helicopter blades, which causes a change in the airfoil shape and an increase in weight, driving the helicopter towards performances degradation due to decreased lift, increased drag, increased torque on the main rotor and blade vibration. Furthermore, ice shedding from blades due to centrifugal force poses a ballistics danger to the helicopter and creates large vibrations due to imbalanced rotors. The state of art of icing protection systems is based on de-icing systems, which either require a high power supply or operate intermittently, allowing partial ice accretion. This thesis work wants to investigate the possibility of a new coating strategy, based on the use of functionalized surfaces, characterized by low adhesion of water and ice, i.e. the so called superhydrophobic and icephobic coatings. Icing tests were performed during a period of five months at The Vertical Lift Center of Excellence at The Pennsylvania State University, in the US. Using the Adverse Environment Rotor Test Stand (AERTS) facility to perform shedding test, it was possible to test ice accretion and shedding on five different materials, including two standard metallic materials, used as baseline, and three superhydrophobic materials, with the objective of evaluating their icephobic properties. This thesis work focuses on finding correlations between ice regimes, adhesion force and adhesion strength for different materials. A preliminary test matrix, including a wide number of different environmental conditions, has been developed to define the main parameters which drive the ice shedding phenomena, demonstrating that there is a strong influence of the surface roughness on the adhesion strength: the strength increases when the roughness increases. After this preliminary analysis, the primary test matrix with more than 20 cases has been studied, developing an ice regime chart based on temperature, liquid water content and material. The chart demonstrates that the temperature needed to reach the rime ice type is different for low and high values of water content. The formation of different ice regimes has been correlated with the results obtained for adhesion strength and force, showing that there is a jump in the curve of the adhesion force in passing from glaze to rime ice and that this jump reduces in the adhesion strength graphic, due to the influence of the shedding area that is bigger for rime ice rather than for glaze ice. Additional results show that superhydrophobic surfaces are associated to a decrease in the adhesion strength respect to the baseline materials ranging from the 25% to the 42%, but this reduction may not be revealing for practical applications, since it can be obtained also on smooth metallic surfaces. Moreover, the new possibility to have an anti-icing system using superhydrophobic surfaces in combination with a low power heating system has been investigated. Nevertheless, the study was not able to define the potential of this idea for helicopter applications, due to hardware limits in the test setup (the maximum heat flux was 10W/in2). Furthermore, it seems that the intermittent electro-thermal de-icing strategy remains more convenient for rotating blades, since the presence of centrifugal forces (which are absent on fixed wings) promotes ice shedding. However, a description of these experiments has been carried out, highlighting drawbacks and advantages of the idea and completing the work with future developments suggestions.

Le avverse condizioni atmosferiche rappresentano un problema critico per gli aeromobili a decollo verticale. Il pericolo della formazione di ghiaccio sulle pale degli elicotteri porta ad una modifica sostanziale della forma e dell’aerodinamica della pala, condizioni che portano l’elicottero a una degradazione delle prestazioni: si ha una diminuzione di portanza, un aumento di resistenza e un aumento dell’intensità dei momenti che agiscono sull’albero motore. Inoltre i fenomeni di distacco del ghiaccio dalle pale, dovuti alla forza centrifuga, generano elevate vibrazioni dovute allo sbilanciamento del rotore e possono generare potenziali pericoli balistici. Queste motivazioni, insieme ad un riassunto degli obiettivi principali di questo lavoro di tesi e ad un estratto sui dati presenti in letteratura per esperimenti simili a quelli presentati, sono riportati nel capitolo 1 del presente lavoro. Le conclusioni delineate dall’analisi di articoli e saggi su test similari hanno portato alla conclusione che è molto difficile stilare considerazioni obiettive e porre validi termini di paragone. Nella maggior parte degli esperimenti svolti da autori trovati in letteratura manca un’adeguata descrizione di tutti i parametri utilizzati e, in più, il confronto tra i vari test diventa complesso nel considerare che le modalità di svolgimento degli esperimenti e il tipo di ghiaccio utilizzati sono diversi tra loro e poco rappresentativi di fenomeni reali. Il capitolo 2 illustra la fisica del fenomeno del ghiaccio e di tutti i parametri sensibili ad esso collegati, come contenuto d’acqua, diametro medio, etc., sottolineando l’importanza delle gocce sottoraffreddate ed il loro ruolo nel processo. Viene data una particolare rilevanza alla descrizione dei diversi regimi di ghiaccio, mostrandone le differenze e le caratteristiche sostanziali. Inoltre viene presentato uno studio sulle inclusioni superficiali del ghiaccio, situate nella zona d’interfaccia ghiaccio-solido, volto a determinare una differenza del numero di inclusioni tra i vari regimi di ghiaccio. Lo studio è stato conseguito con un microscopio ottico, il quale si è rivelato inefficiente per il raggiungimento degli obiettivi prefissati, la cui investigazione risulterebbe comunque interessante in sviluppi futuri del presente lavoro. In conclusione del capitolo è illustrata la normativa vigente di operabilità in condizioni di ghiaccio, utile per l’individuazione delle condizioni di test. Lo stato dell’arte degli attuali impianti antighiaccio per elicotteri, descritto nel capitolo 3, prevede l’utilizzo di sistemi termo-elettrici, che richiedono un elevato consumo di potenza oppure funzionano ciclicamente, permettendo un parziale accrescimento del ghiaccio prima di provocarne il distacco. Questo lavoro di tesi vuole invece investigare la possibilità di avere un sistema antighiaccio che non ne preveda la formazione, utilizzando una strategia basata sull’utilizzo di superfici funzionali, caratterizzate da una bassa adesione tra ghiaccio e acqua come, ad esempio, le cosiddette superfici superidrofobiche o ghiacciofobiche. Questa e altre possibili soluzioni anti-ghiaccio vengono spiegate ed illustrate lungo tutto il capitolo. Il capitolo 4 è utilizzato per la descrizione delle superfici superidrofobiche: ne sono presentate le caratteristiche, le differenze con altri tipi di superfici e le leggi fisiche che sono alla base del fenomeno. Sono riportati esempi di superfici tratti dal mondo naturale e vengono approfonditi i parametri che meglio descrivono le potenzialità e gli effetti di queste superfici su gocce o spray, come abilità di rimbalzo, isteresi, forza di adesione e angoli di contatto. Il presente lavoro di tesi è stato condotto al The Vertical Lift Center of Excellence (The Pennsylvania State University - USA), il cui laboratorio è mostrato nel capitolo 5, insieme alla descrizione della strumentazione utilizzata in tutti gli esperimenti. Vengono dunque descritte le caratteristiche della camera a ghiaccio, del rotore e delle pale di elicottero utilizzate, focalizzando l’attenzione sulle varie attrezzature che permettono il montaggio dei campioni. La descrizione delle procedure sperimentali, invece, è riportata nel capitolo 6, che include una spiegazione della modalità di ottenimento dello sforzo di adesione partendo da una misura di voltaggi ricavata dagli estensimetri montati sulla trave interna alla pala. Nella camera a ghiaccio presente nel laboratorio è stato possibile realizzare una ricerca sulla fisica del fenomeno del ghiaccio, valutandone lo sforzo di adesione sulla superficie della pala per cinque materiali diversi, tra cui due metallici usati come riferimento e tre superfici superidrofobiche, al fine di valutare le proprietà ghiacciofobiche delle varie superfici, altro obiettivo del presente lavoro di tesi. Lo studio ha previsto diversi test sperimentali di “Ice Shedding” (distaccamento di ghiaccio), con l’obiettivo di trovare correlazioni tra i diversi tipi di ghiaccio, la forza e lo sforzo di adesione. E’ stata preparata una matrice di test preliminare per analizzare differenti condizioni ambientali e identificare quali sono i parametri che maggiormente influenzano l’adesione del ghiaccio, dimostrando nel capitolo 7 che c’è una grande influenza della rugosità superficiale sullo sforzo di adesione: più la rugosità aumenta, più aumenta lo sforzo. L’analisi preliminare ha inoltre portato allo sviluppo della matrice di test principale, i cui risultati sono riportati nel capitolo 8 e dalla quale è stata ricavata una mappa dei tipi di ghiaccio in funzione del contenuto d’acqua e della temperatura. Questa mappa ha dimostrato che la temperatura necessaria per passare dallo stato di ghiaccio glaze a quello di ghiaccio rime cambia a seconda del contenuto di acqua dello spray (LWC, Liquid Water Content). In seguito, i differenti regimi di ghiaccio sono stati correlati alla forza e allo sforzo di adesione, mostrando che c’è un sostanziale aumento di forza nel passare da ghiaccio glaze a ghiaccio rime, mentre lo sforzo diminuisce per effetto di una diversa area di ghiaccio distaccato nei due casi. Ulteriori risultati mostrano che le superfici superidrofobiche possono essere associate ad una leggera diminuzione (dal 25 al 42%) dello sforzo di adesione rispetto ai materiali di baseline, ma questa riduzione potrebbe non essere determinante per applicazioni pratiche, dal momento che può essere ottenuta anche per superfici metalliche molto lisce. Inoltre, nel presente lavoro di tesi è stata investigata la possibilità di avere un sistema antighiaccio che usi superfici superidrofobiche in combinazione con un sistema di riscaldamento a bassa potenza, il cui setup sperimentale è discusso nei capitoli 5 e 6. Tuttavia lo studio non è stato in grado di definire le potenzialità dell’idea per applicazioni nel campo degli elicotteri, a causa di limitazioni fisiche dell’apparato sperimentale (il massimo flusso termico raggiungibile è stato di 10 W/in2). Sono state testate contemporaneamente superfici superidrofobiche e un comune metallo (alluminio), ma non è stata riscontrata nessuna differenza nella formazione di ghiaccio sulle due superfici per il massimo livello di potenza utilizzata. Di conseguenza sembra che la tecnologia di impianto antighiaccio elettrotermico sia più conveniente per velivoli ad ala rotante, a causa della presenza di forze centrifughe (assenti nei velivoli ad ala fissa) che favoriscono il distacco del ghiaccio. Ciò nonostante, la soglia di potenza o temperatura superficiale, necessaria al fine di mantenere la superficie di test libera dal ghiaccio, non è stata raggiunta, decretando l’impossibilità di fare discussioni quantitative su una differenza tra le due superfici. In ogni caso il presente lavoro descrive, nel capitolo 6, gli esperimenti effettuati in questa direzione e discute i risultati ottenuti nel capitolo 8, sottolineando vantaggi e svantaggi dell’idea e completando la presentazione del lavoro con suggerimenti per possibili sviluppi futuri nel capitolo 9. Nel capitolo 9 sono brevemente riportate le conclusioni appena accennate e vengono proposte future applicazioni o continuazioni del lavoro, focalizzandosi sull’investigazione di diversi livelli di temperatura e sull’adozione di apparati sperimentali opportunamente modificati.