Ice Protection

Das Fraunhofer LBF hat ein neuartiges Ice-Protection-System für Flugzeuge basierend auf Carbon Nano Tubes (CNT) entwicklelt, gebaut und getestet. Die Tests wurden in einem Klimawindkanal bei Temperaturen bis zu -18° C durchgeführt. Insgesamt drei Tragflächen- Vorderkantensegmente wurden dabei untersucht. Zwei enthielten das nichtmetallische Heizsystem in mehreren Heizzonen in verschiedenen Konfigurationen, und ein Segment diente als Referenz ohne ein Heizsystem. Die Tests waren der Höhepunkt mehrerer Jahre von Entwicklung und Verbesserung und basierten u. a. auf der Simulation der thermischen, elektrischen und aerodynamischen Rahmenbedingungen. Die Erprobung im Windkanal zeigte eine vielversprechende Leistung sowohl im De-Icing-Modus (ausgehend von einem künstlich vereisten Flügel) als auch im Anti-Icing-Modus (Verhinderung von Eisablagerung beim simulierten Flug durch Wolken bei niedrigen Temperaturen).

Ice Protection mit strukturiertem Nanomaterial

Enteisung der Flügelvorderkante im Windkanal

Simulation, Auslegung, Fertigung und Erprobung des Ice-Protection-Systems

Die Arbeiten an dem Ice-Protection-System basierend auf CNT begannen vor rund sechs Jahren. Damals wurde am Fraunhofer LBF erstmals eine Schicht CNT in eine Faserverbundstruktur integriert und als elektrische Widerstandsheizung verwendet. Im Lauf der Jahre wurde das Ausgangsmaterial mit immer kleinerem Widerstand kommerziell verfügbar, und die erreichbare Heiztemperatur erreicht aktuell bis zu 120° C bei Raumtemperatur. Die Kontaktierung und thermische sowie elektrische Isolierung der Heizzonen wurde immer weiter verbessert. Nachdem Parameter für die Simulation experimentell ermittelt wurden, konnte die Beheizung für eine Flügelvorderkante am Rechner optimiert werden. Da die erforderliche Heizleistung je nach Position an der Flügelvorderkante unterschiedlich ist,
gibt es energetische Vorteile, wenn verschiedene Heizzonen eingesetzt werden. Diese klassische Optimierung wurde mit Hilfe der Simulation am Rechner umgesetzt. Hierbei wurden Parameter berücksichtigt, die die Vereisung betreffen, wie Oberflächentemperaturen, Tröpfchengröße und Wassergehalt, Parameter aus den Flugbedingungen, wie Geschwindigkeiten
und Lufttemperaturen sowie Materialparameter, wie Wärmekapazitäten
und Wärmedurchgangskoeffizienten. Die optimale Heizzonenanzahl und -verteilung wurde dann für die Windkanalversuche umgesetzt. Die beiden experimentell untersuchten Varianten unterschieden sich im Detailaufbau. Bei
einem Modell werden unterschiedliche Spannungen an den Heizzonen verwendet, um eine gleichmäßige Oberflächentemperatur einzustellen. Im anderen Fall haben die Heizzonen unterschiedliche Größen und Widerstände und erlauben den Betrieb mit einer Spannung, um eine nahezu homogene
Oberflächentemperatur zu erreichen, was den Aufwand auf der elektrischen Seite des Systems reduziert.

DEICING-SYSTEM im Windkanal