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FLUG REVUE 02/2016

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Technik Enteisung in der

Technik Enteisung in der Luft Bei Testflügen untersucht Airbus das Verhalten der A350 XWB mit vereisten Tragflächen. Eiskratzen im Flug Der Copilot zeigt aus dem Fenster auf die linke Tragfläche. Auf den Vorflügeln der A350 XWB hat sich beim Flug durch die Wolken eine weiße Schicht gebildet – Eis. Dieser Anblick dürfte bei Piloten normalerweise einen ordentlichen Adrenalinschub auslösen. Doch für die Airbus-Testpiloten ist die Eisbildung das Ziel der Übung. Flüge unter natürlichen Vereisungsbedingungen, wie sie Airbus in einem Video über die Testkampagnen der A350 XWB zeigt, geben Aufschluss darüber, wie sich das Flugverhalten verändert und ob die eingebauten Vereisungsschutzsysteme funktionieren. Denn anders als am Boden ist Eis im Flug ganzjährig eine Gefahr. „Eis erhöht den aerodynamischen Widerstand und damit den Kraftstoffverbrauch erheblich, und dazu sinkt die Stallgrenze stark ab“, sagt Per Ohme. Der Forscher des Instituts für Flugsystemtechnik beim Deutschen Zentrum für Luft- und Am Boden befreien Spezialfahrzeuge mit chemischen Mitteln Flugzeuge von Eis. Doch auch in der Luft müssen die Maschinen vor der frostigen Gefahr geschützt werden. Raumfahrt (DLR) in Braunschweig beschäftigt sich mit Vereisung und ihren Auswirkungen auf das Flugverhalten. In wasserreichen Wolken sind Tropfen auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt noch flüssig, man spricht von unterkühltem Wasser. Sie gefrieren erst, wenn sie mit einer Oberfläche in Berührung kommen. „Vor allem Flügelvorderkanten, Leitwerke und Triebwerkseinläufe sind von Eisbildung betroffen“, erklärt Ohme. Neben der unmittelbaren Gefahr eines Strömungsabrisses kann es je nach Flugzeugtyp und Art der Vereisung zu Roll- oder Gierschwingungsbewegungen kommen, die für Piloten schwer zu handhaben sind. Nicht immer lassen sich Gebiete umfliegen, in denen mit Vereisung gerechnet werden muss. Um Propeller, Rotoren, Triebwerkseinlässe, Flügel und Leitwerke vor Eis zu schützen, wurden daher seit den 1930er Jahren verschiedene Systeme entwickelt, die je nach Flugzeuggröße und Antriebsart zum Einsatz kommen. Die Ausrüstung mit einem Enteisungssystem ist für eine Zulassung für Flüge in bekannte Vereisungsbedingungen nötig. Hersteller testen Luftfahrzeuge und ihr Verhalten unter Vereisung sowie Schutzsysteme daher ausgiebig – sowohl beim Flug durch Wolken bei Minusgraden als auch mit künstlichen Eisformen aus Plastik, die auf Tragflächen und Leitwerken angebracht werden. Flugzeuge mit Strahltriebwerken sind klassischerweise mit thermischen Enteisungs- und Eisverhütungssystemen 64 FLUG REVUE Februar 2016 www.flugrevue.de

ausgestattet. Erstere entfernen bereits vorhandenes Eis periodisch, letztere verhindern die Eisentstehung. „Anti-Vereisung wird an den Flügelvorderkanten und Enteisung – zum Beispiel bei der A400M – am Triebwerk eines Flugzeugs eingesetzt”, erklärt Nicolas Bonleux, Managing Director und Chief Sales Officer bei Liebherr-Aerospace and Transportation. Dabei wird Zapfluft aus einer der Verdichterstufen durch Hohlräume im Triebwerkseinlass und hinter der Flügelvorderkante geblasen. Mit bis zu 250 Grad Celsius ist Zapfluft heißer als nötig, deshalb passiert sie zunächst einen Vorkühler. Jedes Triebwerk versorgt einen Flügel, gesteuert wird die Heißluft über Ventile. HOHER ENERGIEVERBRAUCH Der Airbus A350 XWB beispielsweise ist an den drei äußeren Vorflügeln mit einem Zapfluft-Evaporationssystem ausgerüstet. Es liefert so viel Wärme, dass die auftreffenden Wassertropfen verdampfen. Über ein Teleskoprohr ist der Luftkanal in der festen Flügelstruktur mit den beweglichen Vorflügeln verbunden. Entlang der Vorflügel wird die Heißluft durch ein spezielles Rohr geführt. Dieses „Piccolo Tube“ sorgt dafür, dass die Zapfluft trotz abnehmenden Drucks zur Flügelspitze hin gleichmäßig verteilt wird. Durch Öffnungen an der Unterseite der Vorflügel gelangt die heiße Luft am Ende ins Freie. Diese Systeme seien sehr wirksam, sagt Ohme, hätten aber den Nachteil, dass sie viel Energie verbrauchen und die Leistung der Triebwerke schmälern. „Die pneumatischen ‚Bleed-Air-Systeme‘ können, bei gewissen größeren Flugzeugen und abhängig von den Technologien der anderen Flugzeugsysteme an Bord, mehr Energie als elektrische Systeme verbrauchen”, bestätigt Bonleux. Deshalb arbeitet Liebherr-Aerospace zusammen mit dem belgischen Unternehmen Sonaca an einem elektrischen Flügel-Vereisungsschutzsystem, bei dem die gefährdeten Flächen mit Strom beheizt werden. Ein elektrisches System von GKN Aerospace ist bereits in Boeings 787 Dreamliner im Einsatz. Dort sind acht Heizmatten in die Flügelvorderkanten integriert, für jeden Vorflügel eine. „Die Heizelemente sind aus einer flammgespritzten Metallmatrix hergestellt, die über die zu schützende Fläche gelegt wird“, erklärt Ian Hubbard von GKN Aerospace. Sie könnten sowohl auf einfachen 2D- als auch auf komplexen 3D- Wann sich Eis bildet und wie es beschaffen ist Klareis ist durchsichtig, sehr fest und lässt sich nur schwer von der Flugzeughaut entfernen. Es entsteht bei Temperaturen zwischen 0 und -10 Grad Celsius aus großen unterkühlten Wassertropfen, die vor dem Gefrieren noch auseinanderlaufen. Raueis ist weiß, bildet eine unregelmäßige Oberfläche und ist relativ leicht zu entfernen. Wenn kleine unterkühlte Wassertropfen auf eine Oberfläche auftreffen, gefrieren sie sofort unter Einschluss der im Tröpfchen enthaltenen Luft. Raueis tritt hauptsächlich bei Temperaturen unter -10 Grad Celsius auf. Mischeis besteht aus Klar- und Raueis und bildet sich in der Regel bei Temperaturen zwischen -10 und -15 Grad Celsius. Leitwerk im Vereisungswindkanal: NASA-Forscher messen die Eisdicke. Fotos: Airbus, NASA Oberflächen angebracht werden. Die Heizmatten werden nacheinander zur Enteisung oder simultan zur Eisverhinderung mit Strom erwärmt. „Elektrische Enteisungssysteme haben den Vorteil, dass sie sehr individuell steuerbar sind”, sagt DLR-Forscher Ohme. „Weil keine Überschussenergie verbraucht wird, ist das System der 787 deutlich effizienter und spart annähernd die Hälfte der Energie, die ein Zapfluftsystem benötigt“, erklärt Richard Horigan, Systemdirektor des 787-Programms bei Boeing. Nach Angaben von Boeing verbraucht der elektrothermische Eisschutz zwischen 15,5 und 27,9 Kilowatt pro Quadratmeter. Zwar sinkt bei diesem System der Treibstoffverbrauch, allerdings muss der dadurch steigende Strombedarf durch zusätzliche Generatoren oder große Batterien gespeist werden, die wiederum zusätzliches Gewicht bedeuten. Die 787 ist der erste und bisher einzige Passagierjet, dessen Flügelvorderkanten elektrothermisch vor Eis geschützt werden. Solche Systeme mit auf- FLUG REVUE Februar 2016 65

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