19. März 2020
Flug durch Wolken

Un­ter­kühl­te Was­ser­trop­fen un­ter ei­si­gen Be­din­gun­gen de­tek­tie­ren

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Luftfahrt
Partikelsonden zur SLD-Charakterisierung
Par­ti­kel­son­den zur SLD-Cha­rak­te­ri­sie­rung
Bild 1/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Partikelsonden zur SLD-Charakterisierung

Wol­ken­par­ti­kel­son­den wer­den in Flug­ver­su­chen zur Cha­rak­te­ri­sie­rung von un­ter­kühl­ten Was­ser­trop­fen und Eispar­ti­keln ver­wen­det. Hier bei  frü­he­ren Flug­ver­su­chen mit dem DLR-For­schungs­flug­zeug HA­LO.
Wolkenpartikel im Fokus
Wol­ken­par­ti­kel im Fo­kus
Bild 2/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Wolkenpartikel im Fokus

Mit Hil­fe von La­ser­strah­len misst das In­stru­ment CAPS (Cloud , Ae­ro­sol and Pre­ci­pi­ta­ti­on Spec­tro­me­ter) die Grö­ße und An­zahl der Wol­ken­par­ti­kel in ei­nem Grö­ßen­be­reich von we­ni­gen Mi­kro­me­tern hin zu ei­nem Mil­li­me­ter.
Einsatz im Windkanal
Ein­satz im Wind­ka­nal
Bild 3/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Einsatz im Windkanal

Die Wol­ken­son­de CCP (Cloud Com­bi­na­ti­on Pro­be) des In­sti­tuts für Phy­sik der At­mo­sphä­re dient der Cha­rak­te­ri­sie­rung von Eis­wind­kanä­len. Die SLD-Trop­fen­grö­ßen­ver­tei­lung  im Ver­ei­sungs­wind­ka­nal der TU Braun­schweig, wur­de im Ja­nu­ar zum ers­ten Mal mit der CCP-Son­de ver­mes­sen.
  • DLR und Partner untersuchen im Projekt SENS4ICE das Thema Vereisung durch Supercooled Large Droplets (SLD) und die Auswirkungen auf das Flugverhalten.
  • Kombination aus verschiedenen Technologien und Sensoren zur frühzeitigen Ekennung von Vereisung an Flugzeugen wird erforscht.
  • Schwerpunkt: Luftfahrt

Vereisung an Flugzeugen ist keine Frage der Jahreszeit, sondern der Wetterbedingungen. Im EU-Projekt SENS4ICE (SENSors and certifiable hybrid architectures for safer aviation in ICing Environment) erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit 18 internationalen Partnern das Thema Vereisung und die Auswirkungen auf das Flugverhalten. Im Fokus steht dabei ein besonderes Phänomen: die sogenannten Supercooled Large Droplets (SLD). Diese unterkühlten Wassertropfen mit einem Durchmesser größer als 50 Mikrometer können unter ganz bestimmten Wetterbedingungen in der Atmosphäre auftreten und zur Vereisung von Flugzeugen führen.

Für typische Vereisungsbedingungen sind größere Flugzeuge schon heute mit effektiven Enteisungssystemen ausgestattet. Ablagerungen von Eis insbesondere an Flügelvorderkanten oder Triebwerkseinläufen werden so verhindert. Für Verkehrsflugzeuge sind solche Schutzsysteme bereits seit Jahrzehnten im Zulassungsprozess vorgeschrieben. Unter besonderen Wetterbedingungen können Wassertropfen bei Minusgraden jedoch noch in flüssiger Form auftreten. Dies geschieht zum Beispiel in Inversionswetterlagen, wenn Wassertropfen aus wärmeren Luftschichten durch kältere fallen. Die dabei entstehenden großen unterkühlten Wassertropfen vereisen erst dann, wenn sie beispielsweise auf die Oberfläche eines Flugzeugflügels auftreffen – und können so zu Eisablagerungen auch hinter den Enteisungssystemen führen. "Diese SLD-Vereisung beeinflusst die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeuges ungünstig, der Luftwiderstand wird deutlich erhöht und der Treibstoffverbrauch steigt. Zudem verschlechtert sich die Auftriebscharakteristik und in sehr unwahrscheinlichen Extremfällen kann ein Strömungsabriss die Folge sein", erklärt Projektleiter Carsten Schwarz vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik. "Zu diesen speziellen Vereisungsbedingungen gibt es seit einigen Jahren zusätzliche Zulassungsvorschriften. Zuverlässige Sensoren und Methoden, die diese SLD-Bedingungen detektieren, sind daher ein wichtiger Bestandteil für Flugzeuge, die in Vereisungsbedingungen fliegen."

Warnung bei erhöhtem Luftwiderstand

Im Projekt SENS4ICE untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler deshalb einen neuen Ansatz verschiedene Detektionsmöglichkeiten miteinander zu kombinieren, um SLD-Vereisung am Flugzeug frühzeitig und zuverlässig zu erkennen. Am DLR-Institut für Flugsystemtechnik in Braunschweig wird dafür ein Überwachungsalgorithmus entwickelt, der die Flugzeugeigenschaften kontinuierlich überprüft. Ändert sich beispielsweise der Luftwiderstand deutlich, spricht das für eine potenzielle Vereisung am Flugzeug. "Einen fortgeschrittenen Vereisungsgrad würde der Pilot ab einem gewissen Punkt daran erkennen, dass in Folge des stärkeren Widerstands mehr Schub erforderlich ist. Der Vorteil des Überwachungsalgorithmus ist, dass bereits kleine Änderungen erkannt werden und den Piloten frühzeitig ein Warnhinweis gegeben werden kann", so Schwarz.

Bei der Vereisungserkennung am Flugzeug werden in einem weiteren Ansatz im Projekt SENS4ICE die Ergebnisse verschiedener, teilweise neu entwickelter, Sensoren berücksichtigt. Insgesamt zehn verschiedene Sensortechnologien nehmen die Forscherinnen und Forscher unter die Lupe. So wird unter anderem direkt detektiert, ob auf der Oberfläche des Flugzeuges Eisbildung vorliegt. Dafür entwickelt das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik eine spezielle Sensortechnologie auf Basis von Ultraschallwellen.

Weitere Sensoren, wie sogenannte Wolkenpartikelsonden, messen die atmosphärischen Bedingungen wie Wassergehalt und Tröpfchengröße. Mit Hilfe von Lasermessungen überprüfen sie wie viele Tropfen sich in der Luft befinden und wie groß deren Durchmesser ist. Das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre begleitet die Wolkenmessungen und liefert eine Referenz für die neuen Sensortechnologien.

"Wir sprechen dabei von einer sogenannten Hybrid-Lösung: Die Ergebnisse der indirekten Überwachung des Flugzustandes und der direkten Sensoren zur Beobachtung von atmosphärischen Bedingungen und Eisbildung fließen zusammen und ermöglichen es uns, einen Vereisungszustand am Flugzeug schneller und zuverlässiger zu erkennen", sagt Schwarz. Welche der Sensoren sich am besten für das Hybrid-System eignen, soll sowohl in Windkanalversuchen in Deutschland, den USA und Russland sowie später auch in Flugversuchen in Nordamerika und in Europa erprobt werden.

Das Projekt SENS4ICE

Das DLR leitet das EU-Forschungsprojekt SENS4ICE und untersucht gemeinsam mit 18 internationalen Forschungseinrichtungen und Unternehmen das Thema SLD-Vereisung. Begleitet wird das Projekt von einem Advisory Board unter Beteiligung der Europäischen Agentur für Flugsicherheit EASA, der US-amerikanischen Zulassungsbehörde FAA (Federal Aviation Administration) und weiteren internationalen Einrichtungen. Das Projekt wird über das EU-Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020 unter der Nummer 824253 gefördert.

Kontakt
  • Jasmin Begli
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Braun­schweig, Cochs­tedt, Sta­de, Trau­en
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 531 295-2108
    Lilienthalplatz 7
    38108 Braunschweig
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  • Anna Boos
    In­sti­tuts­kom­mu­ni­ka­ti­on
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  • Carsten Walter Schwarz
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    In­sti­tut für Flug­sys­tem­tech­nik
    Telefon: +49 531 295-2605
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    Lilienthalplatz 7
    38108 Braunschweig
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  • Dr. Tina Jurkat-Witschas
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Phy­sik der At­mo­sphä­re
    Telefon: +49 8153 28-1426
    Münchener Straße 20
    82234 Weßling
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  • Christian Mendig

    In­sti­tut für Fa­ser­ver­bund­leicht­bau und Ad­ap­tro­nik
    Telefon: +49 531 391-2687
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