B2B CM » Światło w tunelu

Źródło: PolskaSky.pl

20 stycznia 2020 r samolot DeHavilland-8 (DHC-8-300) podczas podejścia do lądowania na lotnisko Bergen-Flesland stracił moc w obu silnikach po tym, jak lód oderwał się od wlotu powietrza i dostał się do ich wnętrza. Silniki udało się ponownie uruchomić i samolot bezpiecznie wylądował.

Najbardziej prawdopodobną przyczyną zdarzenia było nagromadzenie się lodu podczas lotu, niedługo po tym jak maszyna wleciała w obszar silnego oblodzenia z występującymi najgroźniejszymi dla tego zjawiska dużymi przechłodzonymi kroplami (tzw. Supercooled Large Droplet / SLD) o średnicy większej niż 50 mikrometrów (0,05 mm).

W Raporcie końcowym Norweska instytucja ds. badania zdarzeń lotniczych (Norwegian Safety Investigation Authority / NSAI) domaga się od producenta samolotu, firmy De Havilland, wydania ostrzeżenia, że silniki samolotu mogą się zatrzymać w przypadku wystąpienia poważnego oblodzenia. Jednocześnie, NSAI rekomenduje norweskiej Władzy lotniczej wdrożenie rozwiązań umożliwiających dostarczanie załogom informacji o pogodzie w czasie rzeczywistym, co w istotny sposób ma przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa operacji lotniczych.

Co ciekawe, NSAI kieruje także rekomendację do EASA i wskazuje na potrzebę zweryfikowania powodów braku definicji pojęć umiarkowanego i silnego oblodzenia. Amerykańska FAA wprowadziła takie definicje do użytku przez załogi samolotów oraz służby meteorologiczne już w 2015 roku.

Okazuje się, że lotnictwo nie poradziło sobie jeszcze ze zjawiskiem oblodzenia, ale jest „światło w tunelu” …

Samoloty „nie lubią” zimna

Niejednokrotnie pogoda była czynnikiem sprzyjającym występowaniu incydentów i wypadków lotniczych. Producenci samolotów oraz instytucje zapewniające służby ruchu lotniczego jak również zarządzający portami lotniczymi stale poszukują rozwiązań podnoszących bezpieczeństwo operacji ze względu na warunki atmosferyczne.

Niektóre warunki pogodowe, szczególnie te, którym towarzyszy występowanie przechłodzonych dużych kropli (SLD), były już przyczyną poważnych wypadków w ciągu ostatnich trzech dekad. Dlatego ważnym dla podniesienia ogólnego bezpieczeństwa wykonywania operacji lotniczej jest wczesne i niezawodne wykrywanie warunków oblodzenia, aby umożliwić załodze samolotu podjęcie niezbędnych działań, tj. uruchomienie odpowiednich systemów przeciwoblodzeniowych i ominięcie lub opuszczenie rejonu po wykryciu zagrożenia silnego oblodzenia.

Właściwe zaplanowanie trasy lotu może zmniejszyć ryzyko wlotu statku powietrznego w rejon silnego oblodzenia, ale nie wykluczy go całkowicie. Niedoskonałość prognoz oraz nieplanowane zdarzenia takie jak awaria sprzętu czy potrzeba oczekiwania w warunkach „lodzenia” muszą być brane pod uwagę.

Zaskakującym jest to, że oblodzenie stanowi problem, który nie został całkowicie rozwiązany w lotnictwie. Kwestia ta jest od wielu lat przedmiotem prac badawczo-rozwojowych.

Innowacyjne rozwiązanie

Na przestrzeni lat czujniki i systemy antyoblodzeniowe poddawane były modernizacji, podobnie jak inne elementy i systemy statku powietrznego. Wiele z tych czujników może tylko ostrzegać załogę o wystąpieniu oblodzenia, ale nie może ocenić jego stanu oraz miejsca występowania. Większość z systemów przeciwoblodzeniowych polega na wykorzystaniu ciepła do odparowania ciekłej wody, gdy znajduje się ona w obszarach chronionych statku powietrznego. Wszystkie systemy przeciwoblodzeniowe wymagają od załogi proaktywności, gdy warunki sprzyjają występowaniu oblodzenia.

Istotnym jest kwestia ustalenia w jakim miejscu statku powietrznego doszło do nagromadzenia lodu – obecnie systemy nie przekazują załodze takich danych. Dostarczanie załodze w czasie rzeczywistym informacji o stopniu oblodzenia, pozwoliłoby systemowi ochrony przeciwoblodzeniowej na zastosowanie dokładnej mocy potrzebnej do utrzymania wolnych od lodu krytycznych powierzchni, zamiast stosowania "pełnej mocy" za każdym razem, co przełoży się na oszczędność paliwa.

Odpowiedzią na te problemy jest między innymi projekt SENS4ICE, rozpoczęty w 2019 roku w ramach programu ramowego RIA (ang. Research and Innovation) Horizon 2020. Celem projektu było opracowanie nowych systemów wykrywania tworzenia się lodu, zanim stanie się on niebezpieczny dla statku powietrznego. W pracach wykorzystano kombinację technik bezpośrednich i pośrednich detekcji oblodzenia, w tym monitorowanie zarówno tworzenia się lodu na płatowcu, jak i warunków atmosferycznych.

To co zasługuje na szczególną uwagę, to fakt, iż w jednym z badanych rozwiązań wykorzystano technologię światłowodową, która kojarzy się przede wszystkim z telekomunikacją i przesyłem danych. W badaniach zastosowano dwa włókna światłowodowe, które zintegrowane z dolną i górną powierzchnią płata służyły jako czujnik temperatury. Testy wykonano w lodowym tunelu aerodynamicznym, w tym w warunkach zawierających przechłodzone duże krople (SLD). Wyniki odczytu z czujników światłowodowych porównywano z modelem matematycznym bilansu ciepła i masy, a zmianę parametrów propagacji światła zainstalowanych światłowodów w symulowanych warunkach wykorzystano do przewidzenia zawartości ciekłej wody i szybkości narastania lodu na powierzchni płatu. Rezultaty okazały się bardzo obiecujące. Odnotowano dobrą korelację pomiędzy obliczeniami teoretycznymi, a uzyskanymi wynikami badań. Światłowód okazał się wykrywać początek i koniec akrecji lodu, szybko i z dobrą precyzją.

Wyniki są obiecujące.

Wszechstronny sensor w lotnictwie?

Według InPhoTech, cenionej w Polsce i na świecie firmy zaawansowanych technologii tworzącej dla przemysłu nowoczesne rozwiązania oparte na fotonice światłowodowej, światłowód może służyć jako sensor bardzo wielu różnorodnych zjawisk i zdarzeń fizycznych, tj. zmiany temperatury, ciśnienia, naprężeń, kształtu, deformacji, wilgotności, drgań, ruchu etc. To w jakim celu będzie wykorzystywany pomiar determinuje sposób przetwarzania, interpretacji odczytu oraz rodzaju światłowodu użytego do pomiaru. Wydaje się więc, iż wachlarz możliwego wykorzystania technologii światłowodów w lotnictwie, prócz „tradycyjnego” zastosowania jakim jest przesył informacji i danych, mógłby być jeszcze szerszy niż tylko przytoczona powyżej detekcja oblodzenia.

Przy tak szerokich właściwościach, możliwym byłoby wykorzystanie światłowodu do detekcji fizycznego naruszenia granic obszaru chronionego lotniska, zarówno przez człowieka, jak i zwierzęta. Obecnie powszechnie stosowane do tych celów systemy to dziesiątki urządzeń, w tym także czujniki perymetryczne, zainstalowanych wzdłuż ogrodzenia okalającego teren chroniony. Każde z tych urządzeń wymaga własnego źródła zasilania, okresowych testów i przeglądów oraz monitorowania stanu technicznego. Tego typu rozwiązania są narażone na akty wandalizmu, a także na warunki atmosferyczne. Zakup i instalacja, ale również utrzymanie sprawności i skuteczności takich systemów wymaga wysokich kosztów.

Wykorzystanie fotoniki światłowodowej do zabezpieczenia obszarów chronionych lotniska może okazać się w najbliżej przyszłości jednym z dostępnych i nowoczesnych oraz, co ważne, tańszych rozwiązań, które przy wykorzystaniu algorytmów sztucznej inteligencji mogą poprawnie rozpoznawać wskazane zdarzenia w ekstremalnych warunkach atmosferycznych czy przemysłowych. Jednocześnie nie potrzebują żadnych źródeł zasilania w miejscach pomiaru oraz są całkowicie odporne na wszelkie pole elektromagnetyczne.

Innym potencjalnym wykorzystaniem tej technologii, mając na uwadze wstępne rezultaty wspomnianego projektu SENS4ICE, może być wykrywanie rodzaju i pomiar grubości zanieczyszczenia pasa startowego np. zalegającej wody, śniegu czy lodu na jego powierzchni. Te dane służą do określania tzw. RCC (ang. Runway Condition Code). Kod RCC to bariera bezpieczeństwa na lotnisku mająca na celu poprawę świadomości załogi o stanie powierzchni pasa startowego i przez to ograniczanie zagrożenia wypadnięcia samolotu z pasa startowego na skutek występowania trudnych warunków pogodowych. Zgodnie z przepisami ICAO kod ustalany jest dla każdej 1/3 długości pasa. Obecnie do tych pomiarów wykorzystuje się pojedyncze sensory ulokowane w wybranych punktach każdego z tych odcinków. Światłowód rozciągnięty wzdłuż pasa startowego mógłby zapewnić możliwość dokonywania tego typu pomiarów na całej jego długości, w dowolnie wybranych odstępach, w sposób ciągły lub ze wskazaną rozdzielczością. Większa liczba danych, większa wiarygodność informacji o stanie powierzchni pasa startowego.

Polski światłowód w przemyśle

Wizją Spółki InPhoTech jest tworzenie rozwiązań spełniających najtrudniejsze wymagania przemysłu, nieosiągalne dla tradycyjnych technologii. Światłowód okazuje się być obecnie jednym z zaawansowanych produktów polskiej nauki i biznesu. Ogromnym osiągnięciem zespołu InPhoTech jest stworzenie wielordzeniowego światłowodu, który posiada siedmiokrotnie większą przepustowość niż standardowe światłowodowy telekomunikacyjne, umożliwia transfer w setkach Tb/s, a dzięki zastosowaniu komponentu Fan-Out jest kompatybilny z istniejącymi sieciami telekomunikacyjnymi. Ponadto jest to rozwiązanie zapewniające bezpieczny transfer danych uniemożliwiając ich podsłuch.

Zastosowanie światłowodu do podnoszenia bezpieczeństwa w przemyśle górniczym czy transporcie kolejowym staje się realne. Fakt, że za jednym z najbardziej nowoczesnych rozwiązań dla przemysłu stoją polscy naukowcy i polski podmiot gospodarczy jest jeszcze bardziej ekscytujący.

Potrzeba opracowania czujników, które mogą wykrywać nie tylko standardowe warunki oblodzenia z typowo małymi kroplami, ale także warunki „SLD”, jest jednym z najważniejszych celów w minimalizowaniu zagrożeń oblodzenia. InPhoTech posiadając w swojej ofercie wielordzeniowy światłowód ma ogromny potencjał do rozwoju w tym zakresie.

Systemy czujnikowe wykorzystujące technologię fotoniki światłowodowej mogą okazać się w najbliższej przyszłości, jak pokazuje projekt SENS4ICE, przełomowe również w transporcie lotniczym. Innowacją byłoby wykorzystanie sensorów światłowodowych do określania nie tylko stanu oblodzenia statku powietrznego, zapewniania bezpieczeństwa obszarów chronionych lotniska czy monitorowania stanu drogi startowej na całej jej długości, ale być może także do zabezpieczenia przed wtargnięciami na drogę startową (ludzi i zwierząt), zajętości pasa lub znajdujących się na nim przeszkodach. InPhoTech już rozpoczął analizy możliwych w lotnictwie pól eksploatacji dla tej technologii.

Wdrażanie innowacyjnych rozwiązań dla lotnictwa na polskim „podwórku” może okazać się w wielu przypadkach wykonalnym bez potrzeby sięgania po „niepolskie”. Idąc za wzorem innych krajów rozwój polskiej nauki, przedsiębiorczości i tworzenie przestrzeni na ich wykorzystanie jest zadaniem dla wszystkich podmiotów w tym szczególnie Państwa jako odpowiedzialnego za zrównoważony rozwój oraz wspieranie przedsiębiorczości.

Źródła:

https://cordis.europa.eu/project/id/326006/reporting

https://inphotech.pl/

https://www.nsia.no/Aviation/Published-reports/2023-01

https://cordis.europa.eu/article/id/182791-smarter-ice-detection/pl

https://cordis.europa.eu/project/id/824253

https://www.sens4ice-project.eu/

https://www.mdpi.com/1424-8220/21/18/6053

https://tc.canada.ca/en/aviation/publications/aviation-safety-letter/issue-4-2021/cracking-code-understanding-runway-condition-codes

https://inphotech.pl/

https://www.emerald.com/insight/content/doi/10.1108/aeat.2007.12779fad.007/full/html