30. Januar 2019

Eis­schutz für Flug­zeu­ge: Neu­es Heiz­sys­tem bringt Eis ins Schwit­zen

Vorderansicht des Enteisungsprüfstands
Vor­der­an­sicht des Ent­ei­sungs­prüf­stands
Bild 1/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Vorderansicht des Enteisungsprüfstands

Die Vor­der­kan­te im Ent­glei­sungs­prüf­stand am Part­ner-In­sti­tut für Ad­ap­tro­nik und Funk­ti­ons­in­te­gra­ti­on der TU Braun­schweig
Seitenansicht des Einteisungsprüfstands
Sei­ten­an­sicht des Eint­ei­sungs­prüf­stands
Bild 2/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Seitenansicht des Einteisungsprüfstands

Die Flü­gel­vor­der­kan­te mit Eis­an­satz
Nahaufnahme des Heizsystems
Nah­auf­nah­me des Heiz­sys­tems
Bild 3/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Nahaufnahme des Heizsystems

An­schluss­be­reich: Die ein­zel­nen Heiz­zo­nen kön­nen se­pa­rat an­ge­steu­ert wer­den
Die Flügelvorderkante mit Eisansatz
Die Flü­gel­vor­der­kan­te mit Eis­an­satz
Bild 4/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Die Flügelvorderkante mit Eisansatz

Die Flü­gel­vor­der­kan­te mit Eis­an­satz
Durch die Heizung abgeschmolzene Eisstücke
Durch die Hei­zung ab­ge­schmol­ze­ne Eis­stücke
Bild 5/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Durch die Heizung abgeschmolzene Eisstücke

Durch die Hei­zung ab­ge­schmol­ze­ne Eis­stücke
  • Neue elektrische Enteisungstechnologie mittels Carbonfasern kann Eis an Vorderflügelkanten effizient abschmelzen und Eisbildung vorbeugen
  • Heizstruktur wird integral gefertigt und ist damit fester Bestandteil der Tragfläche
  • Erprobung erfolgte im Enteisungsprüfstand der TU Braunschweig
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Faserverbundleichtbau

Der Winter ist da; klirrende Kälte macht Flugzeugen zu schaffen. Wie beim Auto können beim Flugzeug zum Beispiel Cockpitscheiben oder Messinstrumente vereisen. Und auch die Flügel zählen bei Flugzeugen zu den besonders kritischen Stellen, bei denen Vereisungen zu erheblichen aerodynamischen Nachteilen führen können. Hierfür hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Lösung gefunden. Eine neue elektrische Enteisungstechnologie mittels Carbonfasern kann das Eis effizient abschmelzen oder sogar von vornherein verhindern.

Integral gefertigtes, lasttragendes Heizsystem

Zukünftige treibstoffsparende und widerstandsarme Flugzeuge sollen mit laminar umströmten ultraglatten Tragflächen abheben. Da hierbei bereits geringe Eisansammlungen einen negativen Einfluss auf die Flügelumströmung und die Energieeffizienz haben, ist ein innovatives Enteisungssystem nötig. "Grundsätzlich kann man sich dieses elektrische Widerstandsheizsystem wie eine Scheibenheizung im Auto vorstellen", erklärt Alexander Pototzky vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. "In der Flügelstruktur werden elektrische Leiter mit einem großen Widerstand platziert, die mit Strom beaufschlagt werden und sich dadurch erwärmen. Im vorliegenden Fall besteht die Flügelstruktur aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), der sich durch sein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit auszeichnet." Der Unterschied zu bereits bestehenden Enteisungssystemen: Da die Heizstruktur ebenfalls aus Carbonfasern besteht und mit der Flügelvorderkante in einem Schritt, also integral, gefertigt wird, können die an der Vorderkante auftretenden Lasten durch das Heizsystem mitabgetragen werden. Die Heizstruktur wird in einzelne beheizbare Zonen aufgeteilt, die separat angesteuert werden können und somit eine große Flexibilität bei der Enteisung bieten.

Erprobung im Enteisungsprüfstand

Das neuartige Heizsystem wurde durch Versuche im Enteisungsprüfstand der Technischen Universität Braunschweig (TU BS) im Hinblick auf seine Funktionalität und die Energieeffizienz erprobt. Der Enteisungsprüfstand der TU BS ist ein Windkanal in einer Tiefkühlkammer mit einer Wassereinspritzanlage. "Wir konnten also realistische Versuchsbedingungen wie bei einem Flug durch eine Wolke mit den Effekten der Anströmung, der niedrigen Temperatur und den in der Luft befindlichen Tropfen schaffen", so Pototzky. Dabei kamen verschiedene Heizstrategien zum Einsatz. Das auftreffende Wasser, das sofort zu Eis gefriert, kann entweder geschmolzen oder mit mehr Energieeinsatz verdampft werden. Diese Strategie nennt sich Anti-Icing (Eisverhütung), da zu keiner Zeit Eis auf der beheizten Flügelvorderkantenfläche zugelassen wird. Um Energie zu sparen, gibt es eine alternative Strategie, das De-Icing (Enteisung), bei der ein Eisansatz auf der Flügelvorderkante erlaubt ist, solange er sich in bestimmten Grenzen befindet. Das Eis wird hier mit einem periodischen Zyklus abgeschmolzen. Während der Versuche konnte die Funktionalität dieser Heizstrategien nachgewiesen und die Energieeffizienz optimiert werden.

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