Energieeffizienz durch Enteisungssystem für Flugzeuge
Eine Vereisung während des Fluges tritt auf, wenn Wassertröpfchen in Wolken oder Niesel bei Kontakt mit dem Flugzeug gefrieren. Daher ist es essentiell, dass die Flugzeugzelle – insbesondere die Tragflächen und Triebwerkseinlässe – vor Eisbildung geschützt sind. „Dafür gibt es üblicherweise zwei Möglichkeiten“, erklärt der Projektkoordinator von InSPIRe Helmut Kühnelt vom AIT Austrian Institute of Technology. „Mit Anti-Vereisungssystemen wird die Eisbildung verhindert, mit Enteisungssystemen wird es nach der Eisbildung entfernt.“ Bei großen Passagierflugzeugen werden meist thermische Anti-Vereisungssysteme eingesetzt, die heiße Luft aus den Triebwerken blasen, um die Eisbildung zu verhindern. Doch solche Systeme müssen durchgängig betrieben werden und sind somit höchst energieintensiv.
Herausforderungen für Anti-Vereisungstechnologien
Bei kleineren Regionalflugzeugen ist durch die begrenze elektrische Energie an Bord die thermische Anti-Vereisung also nicht möglich. „Wir erkannten die Notwendigkeit eines Enteisungssystems mit minimalem Energieverbrauch, das besonders für Regionalflugzeuge geeignet ist und auch einen geringen Wartungsaufwand vorweist“, sagt Kühnelt. Somit hat InSPIRe sich das Ziel gesetzt, ein integriertes elektrothermisches System zum Vereisungsschutz für Tragflächen mit geringem Energieverbrauch zu konzipieren. Dieses sollte dann in voller Größe in einem iwt (Windkanal mit vereisenden Bedingungen) getestet werden. „Wir wollten nachweisen, dass ein elektrothermisches Enteisungssystem wirksamen Schutz bieten kann, indem mehrere Zonen wiederholt geheizt werden, ohne dass einzelne Zonen dauerhaft betrieben werden“, erklärt Kühnelt.
Demonstration des Enteisungskonzepts mit geringem Energieverbrauch
Daher wurde das neue Konzept für den elektrothermischen Vereisungsschutz von Grund auf neu entwickelt. Das bedeutete zunächst tiefgreifende numerische Analysen des Luftstroms, des Eiszuwachses und eines Enteisungskonzepts. Dann wurde eine Flügelvorderkante – der Teil der Tragfläche, der zuerst mit Luft in Kontakt kommt – speziell für die Anwendung eines Prototyps einer Wärme-Schicht-Technologie gebaut. So konnte das Team die Wärmezonen so nah wie möglich aneinander anordnen, um ungeheizte Lücken zu minimieren. Die Integration der Heizung wurde durch zahlreiche Tests validiert. Auch die Elektronik-Hardware zur Stromversorgung und Steuerung des elektrothermischen Systems wurde gestaltet. „Dennoch war die Fertigung der Prototyp-Vorderkante mit integrierter Stromversorgung und thermischen Miniatursensoren eine echte Herausforderung“, berichtet Kühnelt. „Nach einem gescheiterten ersten Versuch mussten neue Fertigungswerkzeuge und -verfahren entwickelt werden.“ Doch das Projektteam gab nicht auf, und letztendlich wurde der Ansatz von InSPIRE Ende 2022 erfolgreich im Windkanal des CIRA demonstriert. „Die Ergebnisse mit dem InSPIRe-Konzept zeigten eine Energieeinsparung von 25 % gegenüber herkömmlichen Enteisungssystemen und von etwa 70 % verglichen mit einem herkömmlichen Anti-Vereisungssystem“, ergänzt Kühnelt. „Das wird sich auch auf den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen des Flugzeugs insgesamt auswirken.“
Operative Kraftstoffeinsparungen
Durch eine kommerzielle Anwendung dieser Enteisungstechnologie mit geringem Energieverbrauch könnten Regionalflugzeuge deutliche Kraftstoffeinsparungen erreichen. Der Prototyp der Flügelvorderkante hat sich als höchst robust erwiesen, und es hat sich gezeigt, dass das Team erste Rückschläge überwinden kann, um seine Ziele zu erreichen. „Wir hoffen, dass diese Ergebnisse in Zukunft zu energieeffizienteren und somit saubereren Flugzeugen beitragen werden“, ergänzt Kühnelt. „Einige Aspekte des Projekts müssen natürlich überarbeitet werden, um die Technologie weiter auszureifen und das System für Flugzeuge zu optimieren.“ Das elektrothermische System von InSPIRe könnte auch für die Raumfahrt von Interesse sein, sowie für andere Zubringerflugzeuge und größere Drohnen. „Es könnte vielfältige Möglichkeiten zur Verarbeitung dieser Ergebnisse geben“, fügt Kühnelt hinzu.
Schlüsselbegriffe
InSPIRe, Flugzeug, Enteisung, thermisch, elektrothermisches System zum Vereisungsschutz für Tragflächen, Aeronautik, Luftstrom, elektrothermisch
