Flugzeug-Vereisung durch unterkühlte Wassertropfen

Vereisung an Flugzeugen ist keine Frage der Jahreszeit, sondern der Wetter­bedingungen. Im EU-Projekt SENS4ICE – die Abkürzung steht für „Sensors and certi­fiable hybrid archi­tec­tures for safer aviation in icing environ­ment“ – erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt gemeinsam mit 18 inter­natio­nalen Partnern das Thema Vereisung und die Aus­wirkungen auf das Flug­ver­halten. Im Fokus steht dabei ein besonderes Phänomen: unterkühlte große Tropfen, englisch die „super­cooled large droplets“, kurz SLD. Diese unter­kühlten Wasser­tropfen mit einem Durch­messer größer als fünfzig 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. Das geschieht zum Beispiel bei Inver­sions­wetter­lagen, wenn Wasser­tropfen aus wärmeren durch kältere Luft­schichten 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 Flug­zeugs 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.“

Im Projekt SENS4ICE untersuchen die 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 die Ergebnisse verschiedener, teilweise neu entwickelter Sensoren berück­sichtigt. Insgesamt zehn verschiedene Sensor­techno­logien nehmen die Forscher unter die Lupe. So wird unter anderem direkt detektiert, ob auf der Ober­fläche des Flugzeugs Eisbildung vorliegt. Dafür entwickelt das DLR-Institut für Faser­verbund­leichtbau und Adaptronik eine spezielle Sensor­techno­logie auf Basis von Ultra­schall­wellen.

Weitere Sensoren, wie 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 Hybrid-Lösung: Die Ergebnisse der indirekten Über­wachung des Flug­zustands 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.

DLR / RK

Weitere Infos

• Projekt SENS4ICE –Sensors and certifiable hybrid architectures for safer aviation in icing environment
• Institut für Flugsystemtechnik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Braunschweig