Konetekniikan diplomi-insinööri ja Finnairin entinen lentokapteeni Pekka Koivisto nosti esiin uusia näkökulmia lentokoneen jäänpoisto- ja jäänestoaineiden aerodynamiikasta ja väitteli tohtoriksi Aalto-yliopistolta 19. elokuuta 2021. Suomalaiset tutkimustulokset saattavat tuoda muutoksia lentoyhtiöiden talvioperointiin.

Pekka Koivisto on työskennellyt pitkään lentokoneen jäänpoistoon liittyvän hankkeen parissa, joka on hänelle aiheena tuttu liikennelentäjän uralta. Nyt Koivisto väitteli aiheesta tohtoriksi Aalto-ylipistolla New Aerodynamic Aspects of Aircraft De/Anti-icing fluids -väitöskirjallaan.

“Olin ilmoittautunut jatko-opintoihin 1980-luvulla ja ne kiinnostivat edelleen. Aihe syntyi liikennelentäjäuran aikana, jolloin toimin myös teknisenä ohjaajana Finnairilla 2000-luvulla”, kertoi Pekka Koivisto väitöskirjan aiheita Lentoposti.fi:lle

“Tuolloin esiin nousivat tyypin IV -jäänpoistonesteen jäämät ja niiden vaikutukset aerodynamiikkaan. Perehtyessäni nesteiden hyväksyntämenettelyihin ja sen maailman auetessa huomasin asiassa olevan paljon tehtävää. Tämä sai minut kiinnostumaan asiasta erityisesti. Tämän jälkeen Finnairilla mm. mitattiin ja nauhoitettiin tietoja lentoonlähdöistä, mutta hanke jäi tuolloin kesken”, jatkoi Koivisto täsmentäen kiinnostustaan asiaan.

“Asiat jäivät siis selvitettäväksi ja ne olivat hyvä, sekä luonteva syy jatkaa opiskeluja eläkkeelle siirtymisen jälkeen. Nyt mittaushanke saataisiin maaliin ajattelin. Käytössä oli edelleen mm. aiemmin mitattujen lentojen jäänpoistohistoria ja nostovoimakertoimet. Väitöskirjan aiheet lähtivät siis jäänpoistonesteiden jäämistä ja niiden arvioinneista”, avasi Koivisto hankkeen käynnistymistä.

Vuosina 2011-2015 tutkimushanke sai rahoitusta Trafilta (nykyinen Traficom). Ilmailuviranomainen mahdollisti tuulitunnelikokeet lentoturvallisuuden tutkimiseksi. Ilmailun parissa tällaista rahoitusta ei ollut aiemmin käytössä. Vastaavia turvallisuutta parantavia hankkeita oli aiemmin rahoitettu merenkulun ja ratahallinnon puolella.

Koivisto pääsi esittelemään tutkimushankettaan kansainvälisissä SAE G-12 -komitean (Aircraft Ground Deicing Steering Group) kokouksissa sekä Yhdysvalloissa AIAA:n konferenssissa (American Institute of Aeronautics and Astronautics), jolloin myös Yhdysvaltain ilmailuviranomainen FAA kiinnostui hankkeesta. FAA tutustui Koiviston tutkimushankkeeseen Suomessa yhdessä NASA:n kanssa. Ensimmäinen vierailu johti aiesopimukseen ja toisen vierailun jälkeen oli jo sovittu tutkimuksesta sekä uudesta rahoituksesta.

 “Hanke sai merkittävää lisärahoitusta, joka mahdollisti mm. toisen siipiprofiilin rakentamisen. Ensimmäistä siipiprofiilia kannettiin tutkimuksia varten eri kerrokseen pakastimeen ja sitten takaisin tuulitunneliin. Uudessa siivessä oli sisäänrakennettu jäähdytyslaitteisto, joka mahdollisti tutkimusta uusilta kanteilta”, kertoi Koivisto.

Väitöstyössä tutkittiin pääosin tuulitunnelikokein jäänpoisto-ja jäänestonesteiden
sekä siipitankeissa olevan kylmän polttoaineen aiheuttaman huurteen haittavaikutuksia liikennelentokoneiden siiven pinnalla.  Tutkimustyö toi uusia näkökulmia lentokoneen jäänpoisto- ja jäänestonesteiden aerodynamiikkaan.

Jäänpoisto- ja jäänestoaineiden poistumista aerodynaamisilta pinnoilta tutkittiin kiihtyvässä ilmavirtauksessa Arteform Oy:n alisoonisessa tuulitunnelissa. Siipiprofiilina oli tuulitunneliin ripustettava geneerinen NASA CRM HL Toff -siipi (Hi-Lift Take Off). Sen keskiosan jäähdytysjärjestelmän avulla voitiin simuloida kylmenneitä polttoainesäiliöitä.

Siiven pintaa mitattiin Hexagon Metrology Finlandin sekä NASA:n toimittamilla laserkeilaimilla. Nestekerroksen käyttäytymistä tuulitunnelin ilmavirtauksessa seurattiin myös useilla kameroilla ja siipiprofiilin tuottamaa nostovoimaa tarkkailtiin ripustusmekanismissa olevilla antureilla.

Huurteen käyttäytymistä selvittäneissä testeissä tunnelin virtausta kiihdytettiin 60 m/s eli 216 km/h nopeuteen. Se vastaa liikennelentokoneen rotaationopeutta.

Kokeissa siipiprofiilin pinnalle siveltiin tyypin IV -jäänpoistoainetta ja seurattiin sen käyttäytymistä nopeutuvassa virtauksessa.  Geelimäinen tyypin IV -jäänpoistoaine on viskositeetiltaan ilmavirtauksessa leikkautuvaa eli se muuttuu nestemäiseksi nopeuden kasvaessa.

Vaikka jäänpoisto-ja estonesteillä pyritäänkin huurteen ja jään aiheuttaman epäpuhtauden poistoon, aiheuttavat ne itsessään uutta epäpuhtautta. Näitä kahta aerodynaamista epäpuhtautta myös vertailtiin keskenäänväitöstutkimuksessa. Aiemmissa tutkimuksissa ei ole kyetty kunnolla selittämään nesteiden poistumisen mekaniikkaa.

Kyseisten nesteiden suuren viskositeetin aiheuttamia erityispiirteitä ei aiemmin ole osattu oikealla tavalla huomioida. Nesteisiin syntyvät kinemaattiset aallot selittävät nesteen poistumisen mekaniikkaa aiempaa paremmin. Hyödyntämällä tätä uutta näkökulmaa nesteen poistumismekaniikasta kehitettiin kokonaan uusi mallilaki, jolla voidaan arvioida nestepoistumaa mittakaavasta ja tuulitunnelin kiihtyvyydestä riippumatta.

Ilmailunormit muuttuvat hitaasti eikä Koivisto odota tutkimuksensa tuovan mitään nopeita vaikutuksia alalle. Sen sijaan hän arvioi, että asioita voidaan nyt tutkia eri tavalla kuin ennen.

“Totesin väitöstilaisuudessa mm. että siiven johtoreunan solakon eli slatin muoto vaikuttaa sekundääriaaltoon. Jos ylimääräisen jäänestonesteen pyyhkisi pois siiven etureunasta poistuisi sekundääriaalto”, totesi Koivisto havainnoistaan.

Esimerkiksi huurretta olisi kyettävä määrittelemään paremmin ja nyt sitä tutkitaan tarkemmin Yhdysvalloissa. Merkittäviä ja eri asioita ovat hurteen paksuus ja huurteen karheus. USA:ssa tulee nykyisin poistaa kaikki huurre siiveltä. Euroopassa ja Kanadassa ollaan eri linjoilla, sillä huurretta saa olla, mutta se ei saa haitata suorituskykyä.

Myös Euroopan lentoturvallisuusvirasto EASA:n RMT (Rule Making Task) pohtii kokonaan uutta säännöstöä jäätymisen ja jäänestoaineiden ympärille.

Koiviston väitöskirjan aiheita on käytännössä neljä. Ensimmäinen käsittelee nostovoimavähenemää lentoonlähdossa ja siipiprofiilin sekä etureunasolakon geometrian vaikutusta sekundääriaaltoon.

Toinen osia käsittelee kylmän polttoaineen aiheuttaman huurteen (CSFF, Cold Soaked Fuel Frost) aikaansaaman aerodynaamisen epäpuhtauden olevan tilapäinen ilmiö.

“Kaksi viimeisintä osiota saattaa kiinnostaa jäänpoistonesteiden valmistajia, sillä niiden poistumista on nyt analysoitu uudella tavalla” totesi Koivisto.

Kolmas osio koskee jäänpoisto- ja  estonesteiden pinnalle kiihtyvän ilmavirran aiheuttamien aaltojen osuutta nesteen poistumiseen kinemaattisten aaltojen käsitettä hyödyntäen.

Neljäs osio on  muotoiltu skaalausmenetelmä nesteen poistumisen redusoimiseksi samalle käyrälle eri kokoisille kappaleille ja eri tavoin muuttuville tuulitunnelinopeuksille. MH

Pekka Koivisto: New Aerodynamic Aspects of Aircraft De/Anti-icing fluids (PDF)

Lue myös aiempia uutisiamme aiheesta: