UP-Wing - Energieeffiziente schwingungsbasierte Enteisung für Flugzeugflügel

Vereisung als Herausforderung der klimafreundlichen Luftfahrt

Eisablagerungen an der Flügelvorderkante verändern die Aerodynamik, erhöhen den Widerstand und gefährden die Flugsicherheit. Klassische Zapfluft-Anti-Eis-Systeme (Bleed-Air) nutzen heiße Triebwerksabluft, arbeiten zuverlässig, sind aber einer der größten Energieverbraucher an Bord und erschweren effiziente oder emissionsfreie Antriebskonzepte. Mit der Elektrifizierung der Luftfahrt rücken neue, deutlich energieeffizientere Enteisungssysteme in den Fokus – sie gelten als entscheidender Enabler, um eine wirklich emissionsarme, grüne Luftfahrt überhaupt zu ermöglichen.

VIDS: Enteisung durch strukturdynamische Schwingungen

Im Clean-Aviation-Projekt »UP-Wing« entwickelnt wir das Vibration Induced De-Icing System (VIDS), ein elektromechanisches Enteisungssystem, das direkt die tragende Flügelstruktur in Schwingung versetzt. Hochdynamische piezoelektrische Aktoren sind in die Flügelvorderkante integriert und regen die Struktur im Kilohertz-Bereich an. Die erzeugten Oberflächenschwingungen erzeugen im Eis Zug- und Schubspannungen, die Risse initiieren und die Eisschicht von der Oberfläche ablösen.

Das System wurde an einer Flügelvorderkante aus Faserverstärkten Kunststoff (CfK) erfolgreich getestet und ist grundsätzlich für alle relevanten Flügelmaterialien geeignet. Damit lässt sich VIDS perspektivisch in allen wesentlichen Flugzeugklassen einsetzen – von Regionalflugzeugen bis zu Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen (z. B. A320 Klasse) – und adressiert insbesondere zukünftige, energieeffiziente Antriebskonzepte.

Adaptiver Closed-Loop-Ansatz für minimalen Energieeinsatz

Eine Besonderheit von VIDS ist der adaptronische Closed-Loop-Ansatz. Sensoren erfassen kontinuierlich die strukturdynamischen Eigenschaften des Flügels, ermitteln die aktuellen Resonanzfrequenzen und geben diese Information an eine Steuereinheit weiter. Diese passt damit das Anregungssignal an, sodass die Anregung stets in der Resonanz erfolgt und das Eis mit minimalem Energieeinsatz gelöst wird. Durch die Änderung der Resonanzfrequenzen bei Eisansatz kann die Eisbildung gleichzeitig detektiert und für die Regelung genutzt werden.

Experimenteller Nachweis im Vereisungswindkanal

Für die experimentelle Validierung baute das Fraunhofer LBF ein 75 cm langes Flügelmodell mit NACA-Profil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit integrierten piezoelektrischen Aktoren. Im Vereisungswindkanal der Cranfield University wurde das System unter realistischen CS-25-Appendix-C-Bedingungen getestet. In Temperaturbereichen von etwa −7 °C bis −20 °C konnte der Bereich um den Stagnationspunkt vollständig enteist werden; Eisschichten bis zu 3 cm Dicke wurden zuverlässig entfernt. Gleichzeitig wurden vielversprechende Ergebnisse sowohl im De-Icing- als auch im Anti-Icing-Modus erzielt und der Reifegrad des Systems auf TRL 4 erhöht.

Energieeffizienz und Potenzial für neue Leitmärkte

Durch die gezielte Resonanzanregung reduziert VIDS den Energiebedarf gegenüber herkömmlicher Heißluft-Enteisung um etwa 80 % und gegenüber elektrothermischen Systemen um rund 25 %. Damit adressiert das System direkt das Leitmarktthema klimafreundliche Mobilität und ist insbesondere für elektrisch oder hybrid angetriebene Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge interessant, bei denen nur begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung steht.

Als Retrofit-Lösung mit lediglich kleiner mechanischer Schnittstelle an der Innenseite des Flügels ist VIDS auch für bestehende Flugzeugmuster attraktiv, um Treibstoffverbrauch und Emissionen zu senken. Darüber hinaus eröffnen sich Anwendungsfelder in der Windenergie, an Hochspannungsleitungen oder in der maritimen Schifffahrt, überall dort, wo Eisbildung die Betriebssicherheit beeinträchtigt, und Energieeffizienz entscheidend ist.

Wir bringen unsere Expertise in Strukturdynamik, adaptronischen Systemen und mechatronischer Aktor-Sensor-Integration ein. Von der numerischen Auslegung der Schwingformen über die Aktor- und Leistungselektronik-Auswahl bis hin zu Versuchen im Vereisungswindkanal verantworten wir den kompletten Systementwurf der strukturdynamischen Enteisung. Damit leisten wir einen zentralen Beitrag zur Entwicklung zukunftsfähiger, energieeffizienter und sicherer Enteisungssysteme für die Luftfahrt von morgen.