Das Eis brechen: Fortschritte bei Eisbildung verhütender Beschichtung und Gestaltung des Flugzeughecks
Die Eisbildung auf Flugzeugstrukturen stellt eine ernsthafte Gefahr dar – sie erhöht das Gewicht und den Luftwiderstand, verringert die Effizienz und beeinträchtigt die Sicherheit, besonders auf Flügen bei kaltem Wetter. Die Antwort liegt in der Weiterentwicklung von gegenüber Vereisung toleranten Konstruktionen und Eisbildung verhütenden Technologien zur Verbesserung der gesamten Flugzeugkonstruktion bei gleichzeitiger Wahrung der Flugsicherheit. In diesem Zusammenhang hat ein Konsortium aus zehn Partnern am EU-finanzierten Projekt IMPACT(öffnet in neuem Fenster) gearbeitet. Zu den Zielen gehörte es, modernste Simulationsmöglichkeiten für die Eisbildung weiterzuentwickeln, eisabweisende Beschichtungen zu erforschen und die Form des hinteren Rumpfes und des Leitwerks unter Berücksichtigung der Flugzeugstruktur-, Aeroelastik- und Vereisungsbedingungen zu optimieren, um letztendlich einen Beitrag zum Programm für große Verkehrsflugzeuge im Rahmen von Clean Sky 2(öffnet in neuem Fenster) zu leisten. „IMPACT hat eine Reihe ehrgeiziger wissenschaftlicher und technischer Ziele erreicht, die für die Entwicklung hocheffizienter Flugzeughecks der nächsten Generation von Verkehrsflugzeugen von Bedeutung sind“, erklärt Michele De Gennaro, Koordinator des Projekts IMPACT.
Eisbildung berechnen
Mithilfe von 3D-Vereisungssimulationen wurden projektintern Methoden und Instrumente auf Industrieniveau für die genaue Berechnung des Eisansatzes an gekehrten Leitwerken entwickelt. Sachverständige waren in der Lage, ein Modell zu erstellen, mit dem sich vorhersagen lässt, wie Flüssigkeitströpfchen auf die aerodynamische Oberfläche aufprallen und fließen, Rinnsale bilden und sich in Eis verwandeln, wobei komplexe multiphysikalische Wechselwirkungen berücksichtigt und die eisabweisenden Eigenschaften der Oberfläche berücksichtigt werden. Dazu wurde die Aerodynamik der Eisbildung auf den Oberflächen des Höhenleitwerks großer Verkehrsflugzeuge berechnet, wodurch diese in den gesamten Konstruktionsprozess des Flugzeugs einbezogen werden konnte. „Es wurden verschiedene Innovationen in Bezug auf die Vernetzung und den Aufbau der numerischen Strömungsmechanik erschlossen, um die Eisbildung als integralen Bestandteil der mehrkriteriellen Optimierung des Flugzeugs anzugehen“, kommentiert De Gennaro.
Innovationen bei Eisbildung verhütenden Lösungen
Das Team von IMPACT analysierte eine breite Palette von auf dem Markt erhältlichen Eis verhütenden Beschichtungen, darunter auch solche, die sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden. Ziel war es, ihre Leistung und Robustheit zu verstehen und Informationen über ihre Eis und Erosion verhütenden Eigenschaften zu sammeln. Eine Auswahl der besten Technologien wurde in einem hochmodernen, großen Klimawindkanal in Wien, Österreich, an geraden und gewellten Vorderkanten eines Referenzflügelprofils erprobt. Die Tests trugen zur Erstellung der fortgeschrittensten und vollständigsten Datenbank über Beschichtungen, die jemals erstellt wurde(öffnet in neuem Fenster) bei und gaben Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Beschichtungstechnologie für Heckanwendungen und wurden zu einer Referenz für die Validierung von 3D-Eisablagerungscodes. „Außerdem wurde bahnbrechende Arbeit bei der Implementierung von physikalischen Vereisungsmodellen auf niedriger Ebene geleistet, die reale physikalische Eigenschaften von Oberflächen in den Eisbildungssimulationen berücksichtigen, da dies ein Problem von großer industrieller Bedeutung ist“, so De Gennaro. Der Effekt der verringerten Eisbildung durch das Auftragen einer hydrophoben Beschichtung auf die Vorderkante eines geraden Pfeilflügels ist auf dem obigen Foto zu sehen.
Aerodynamische und aerostrukturelle Optimierung
Um den hinteren Rumpf und das Leitwerk leichter zu konstruieren, arbeitete das IMPACT-Team an einem innovativen Konzept, das auf einem nach vorne gebogenen Höhenleitwerk basiert. Das Ergebnis war ein optimiertes Hecklayout mit der gleichen aerodynamischen Leistung wie das Basismodell, jedoch mit einer um 5 % verringerten Fläche des Höhenleitwerk und einem eistoleranten Design. Erreicht wurde dies durch den Einbau einer Vorrichtung zur Verlängerung der Vorderkante, die speziell für die Arbeit mit einem vorwärts gepfeilten Heck entwickelt wurde. Durch den Einsatz fortgeschrittener Verfahren hat das Team die Struktur des Leitwerks weiter optimiert und das Potenzial für eine zusätzliche Gewichtsreduzierung von 6 % auf der Ebene des Höhenleitwerks aufgedeckt, was zu einer Gesamtgewichtsreduzierung von 10 % führen kann. „"Dies wiederum führt zu einer potenziellen Treibstoffeinsparung von 1 % auf Flugzeugebene im Vergleich zu einem großen Verkehrsflugzeug auf dem Stand der Technik von 2020, wie dem Airbus A320neo“, fügt De Gennaro hinzu. Die im Rahmen von IMPACT durchgeführte Forschung bringt die von der Luftfahrtindustrie benötigten Methoden voran und dürfte die erzielten Ergebnisse weiter festigen.
Schlüsselbegriffe
IMPACT, Flugzeug, Leitwerk, Eisbildung verhütende Technologien, Luftfahrt, 3D-Vereisungssimulation, hinterer Rumpf, Clean Sky 2, Aerodynamik
