Evaluation of frozen sand descaling on operational airport surfaces

Abstract

This report is a modified (UNCLASSIFIED) version of the original FFI-report 22/01432 (EXEMPT FROM PUBLIC DISCLOSURE). The Norwegian Defence Materiel Agency (NDMA) has observed significant wear on internal jet engine components in the Norwegian fleet of F-16A/B "Fighting Falcon" (F-16) combat aircraft related to the use of cover sand on ice covered operational airport surfaces. Deployed as frozen sand (a sand-water mixture freezing onto the ice), cover sand provides good traction for traversing aircraft, but the sand may still descale and be ingested into the jet engine inlet, causing wear over time. The recent deployment of the F-35A "Lightning II" (F-35) and P-8A "Poseidon" (P-8) at Evenes Air Station necessitated an investigation into the use of cover sand to avoid similar increased maintenance costs related to jet engine wear. The Norwegian Defence Research Establishment (FFI) was tasked to develop and execute low-cost tests in order to quantify descaling potential from various types of cover sand. A method using an industrial vacuum cleaner was developed as a proxy to a jet engine. A main descaling test event at Evenes Air Station was executed with success. Additional lab tests on the cover sand types were performed at FFI to further understand jet engine wear potential. Frozen sand descaling was generally found to increase linearly with deployed amount, and using sweeper trucks on frozen sand removed nearly all descaling potential. One cover sand type (Crushed Rock) showed significantly more descaling, causing increased ingestion, and slightly larger abrasivity than the other (Natural Evenes). Based purely on descaling and lab tests, FFI recommends that the use of Crushed Rock cover sand is halted where possible, due to its larger wear potential, and is replaced by a natural sand with a particle size distribution that is more even (containing significant amount of stone particles of different sizes) and includes fine matter (dust). Also, cover sand deliveries should be periodically sieved to ensure the particle size distribution is correct. These recommendations should be viewed in conjunction with friction studies and practical concerns.

Denne rapporten er en modifisert (UGRADERT) versjon av den originale FFI-rapporten 22/01432 (UNNTATT OFFENTLIGHET). Forsvarsmateriell (FMA) observerte betydelig slitasje på interne jetmotorkomponenter i den norske kampflyflåten av F-16A/B "Fighting Falcon" (F-16) relatert til bruk av strøsand på isdekkede flyoperative overflater. Strøsand som legges ut som fastsand (en blanding av sand og vann som fryser på isen), gir god friksjon, men strøsanden kan fremdeles skalle av og bli sugd inn i motorinntaket. Dette fører til slitasje over tid. Den nylige utplasseringen av F-35A "Lightning II" (F-35) og P-8A "Poseidon" (P-8) på Evenes flystasjon førte til et behov for å undersøke bruken av strøsand og unngå liknende økte vedlikeholdskostnader relatert til slitasje på jetmotorer. Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) fikk i oppgave å utvikle og gjennomføre en lavkostnads-test for å kvantifisere avskallingspotensial for ulike typer strøsand. En metode sentrert rundt en industriell støvsuger ble utviklet som en proxy til en jetmotor, og en hovedtest på Evenes flystasjon ble gjennomført. Ytterligere labtester ble gjort for å videre forstå slitasjepotensialet i en jetmotor. Avskalling av fastsand ble funnet å øke lineært med utlagt mengde, og effekten av feiebiler på fastsand fjernet omtrent alt avskallingspotensial. Den ene typen strøsand (Crushed Rock) ble påvist å avskalle betydelig mer (og dermed forårsake økt inntak) og utvise litt større abrasjonsevne enn den andre (Natural Evenes). Basert kun på avskalling og labtester, anbefaler FFI å stanse bruken av Crushed Rock strøsand der det er mulig, på grunn av dens høyere slitasjepotensial, og erstatte den med en natursand med en jevnere distribusjon i størrelse (med betydelige mengder av steinpartikler i alle størrelser) som også inkluderer finstoff (støv). I tillegg bør strøsandleveranser siktes jevnlig for å sikre at partikkelstørrelsesdistribusjonen er korrekt. Disse anbefalingene bør ses i sammenheng med friksjonsstudier og praktiske hensyn.