Enhancing winter runway safety: development of a tool for friction measurement in laboratory

During winter, aircraft operations become challenging due to the inconveniences that extreme cold weather conditions cause. Runway excursions are first on the list when we talk about incidents in ground operations. Aircraft braking performance decreases due to winter contaminants making the aircraft exit the designated runway surface during takeoff or landing, which poses a significant safety risk in aviation. Although these incidents persist throughout the year, their frequency increases during winter. The statistics indicate that 2019 runway excursions contributed to global financial losses of $4 billion. Yet, the aviation industry faces challenges due to the various devices and methodologies, resulting in inconsistent and often incomparable results. Addressing these inconsistencies requires reliable and standardized measurement tools to better assess runway conditions and mitigate safety risks. This dissertation introduces the Multi-Tool Apparatus (MTA), initially used to measure ice adhesion This device, with its new frictional modality, is designed to simulate the interaction between aircraft wheels and icy runways. The MTA measured friction under dry and icy scenarios using a rubber attachment and concrete samples that replicated Canadian runway conditions. The results meet the regulations and friction values detailed by the Canadian Runway Friction Index (CRFI) and theoretical models, validating the device's effectiveness and performance. The response from multiple friction tests at different normal forces and velocities determined the ideal operational settings for the MTA to obtain consistent and precise friction measurements. The results indicated that a normal force of 226 N and velocity of 0,025 km/h are optimal for operating the MTA during the friction tests. Also, in addition to testing on different winter conditions, we introduced Runway De-icing Product (RDP) in its de-icing and anti-icing mode to test the ability of this device to perform friction tests with fluids commonly used for winter maintenance. As a key objective of this study, we developed a mathematical model to simulate the friction coefficient between sliding surfaces using the MTA’s results. This model improved our understanding of the experimental dynamics and confirms the reliability of the MTA as a friction tester in accordance with established theories. The model, built on Amontons' first law and Dowson's adhesive and ploughing framework, provides predictions with error margins of less than 8% for ice, dry and wet concrete, achieving higher accuracy than the linear model. The MTA device fills the gaps found in the literature review, where the most used laboratory device that fits better the regulations delivers data in the form of British Pendulum Number (BPN), which can be difficult to correlate with friction coefficients, the MTA offers a more practical approach, enabling the direct measurement of the coefficient of friction under various environmental and surface conditions. This device can measure any flat surface, interchange attachments to simulate more than one scenario, and has a simple testing procedure and a promising path in the testing laboratory of friction, RDPs and other significant scenarios that imply aviation safety during winter. En hiver, les opérations aériennes deviennent difficiles en raison des désagréments causés par les conditions météorologiques. Les sorties de piste d'aéronefs sont en tête de liste des incidents liés aux opérations au sol. Les performances de freinage des avions diminuent en raison des contaminants hivernaux, ce qui peut entraîner la sortie de l'avion de la piste désignée lors du décollage ou de l'atterrissage, représentant ainsi un risque de sécurité important dans l'aviation. Bien que ces incidents se produisent tout au long de l'année, leur fréquence augmente en hiver. Les statistiques montrent que les sorties de piste en 2019 ont entraîné des pertes financières mondiales de 4 milliards de dollars. Toutefois, la diversité des dispositifs et des méthodologies utilisées dans l'industrie aéronautique engendre une variabilité des résultats, rendant leur comparaison complexe et parfois incohérente. Dans ce contexte, il est essentiel de développer des outils de mesure fiables et standardisés pour mieux évaluer l’adhérence des pistes en conditions hivernales. Cette thèse présente le dispositif Multi-Tool Apparatus (MTA), utilisée pour la mesure de l’adhérence de la glace. Sa nouvelle fonctionnalité de mesure de la friction est élaborée pour simuler l'interaction entre les roues d'avion et les pistes contaminées. Le MTA a mesuré la friction dans des scénarios de surface secs et glacés à l'aide d'une fixation en caoutchouc et d'échantillons de béton représentatives des conditions des pistes canadiennes. Les résultats respectent les réglementations et les valeurs de friction détaillées par l'Indice Canadien de Friction des Pistes ainsi que les modèles théoriques, validant ainsi l'efficacité et les performances de l'appareil. Les résultats de multiples tests de friction effectués à différentes charges et vitesses ont permis de déterminer les réglages opérationnels idéaux pour le MTA afin d'obtenir des mesures de friction cohérentes et précises. Les résultats ont montré qu'une charge de 226 N et une vitesse de 0,025 km/h sont optimales pour faire fonctionner le MTA lors des tests de friction. De plus, en addition aux tests sur des surfaces sèches et glacées, nous avons introduit un produit de dégivrage de piste afin de tester la capacité de cet appareil à évaluer l'impact de ces fluides couramment utilisés pour la maintenance hivernale. Autre objectif clé de cette étude a été de développer un modèle mathématique pour décrire le coefficient de frottement entre des surfaces glissantes en utilisant les résultats du MTA. Ce modèle a amélioré notre compréhension des dynamiques expérimentales et confirme la fiabilité du MTA en tant que testeur de frottement, conformément aux théories établies. Basé sur la première loi d'Amontons et le modèle d'adhésion et de labourage de Dowson, ce modèle fournit des prédictions avec des marges d'erreur inférieures à 8 % pour la glace, le béton sec et humide, atteignant une précision supérieure à celle du modèle linéaire. Le dispositif MTA comble les lacunes identifiées lors de la revue de la littérature, où l'appareil de laboratoire le plus utilisé, qui correspond le mieux aux réglementations, fournit des données sous forme de British Pendulum Number (BPN), lesquels peuvent être difficiles à corréler avec les coefficients de friction. Le MTA offre une approche plus pratique, en mesurant directement le coefficient de friction dans diverses conditions environnementales et de surface. Cet appareil modulaire peut mesurer toute surface plane, interchanger des accessoires pour simuler plusieurs scénarios et propose une procédure de test simple. Il offre une voie prometteuse pour les laboratoires de tests de friction, les RDPs et d'autres scénarios importants impliquant la sécurité aérienne en hiver.

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