DE10016261A1 - Kompaktes mikrowellentechnisches System zum Enteisen und/oder Vorbeugen einer Vereisung der äußeren Oberfläche von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen - Google Patents

Kompaktes mikrowellentechnisches System zum Enteisen und/oder Vorbeugen einer Vereisung der äußeren Oberfläche von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen

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Abstract

Ein mikrowellentechnisches Enteisungssystem, das monochromatisch im Bereich von 900 MHz bis 20 GHz abstrahlt, eignet sich für die Enteisung und/oder dem Vorbeugen der Vereisung an äußeren Oberflächen von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen aus Faserverbundmaterial wie GFK und CFK. Das System ist kompakt in seinem Aufbau und wird unmittelbar in solchen Strukturen/Kammern untergebracht. Durch die volumetrische Erwärmung wird einerseits genügend Wärmeleistung an die Strukturoberfläche gebracht, durch die Ummantelung der äußeren Oberfläche der Struktur ist es sicher mikrowellendicht. Da man von der Effizienz her weit unter der Delaminationstemperatur bleibt, besteht kein Problem hinsichtlich der Formstabilität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellensystem zum Enteisen von vereisungsgefährdeten Fronten an hohlraumbildenden Strukturen, die durch Luftanströmung meteorologischen Einflüssen ausgesetzt sind.
Der Ansatz von Eis an solchen Strukturen beeinträchtigt das Um­ strömungsverhalten der Luft empfindlich, was insbesondere in der Luftfahrt zu aerodynamisch problematischem Fehlverhalten führen kann.
Die Anstrengungen, die vereisungsgefährdete Fronten an solchen Strukturen eisfrei zu halten, sind mannigfaltig. Sie reichen vom Besprühen oder Bespülen der exponierten Oberflächen solcher Fronten mit einer die Eisbildung hemmenden Flüssigkeit, über das Anströmen der Innenflächen mit Warmluft bis zum ohmschen Behei­ zen solcher Zonen, elektrische Enteisungssysteme. Flüssigkeits­ enteisung ist durch sein Reservoir an Flüssigkeit begrenzt und gilt zudem als unzuverlässig.
Die Bedingungen zur Eisbildung müssen unterdrückt werden. Das gelingt beim Enteisen mittels Flüssigkeit nur vorübergehend, insbesondere beim Verwenden von Enteisungsflüssigkeit am Boden vor dem Start. Der anhaftende Film reißt schon während der Startphase ab und lässt beim Durchgang des Flugzeugs durch ver­ eisungsgefährdete Wolkenformationen ein nur zeitlich kurzes Si­ cherheitsfenster zu. Regen z. B. spült ein solches Mittel je nach Stärke am Boden früher oder später schon ab.
In der Luftfahrt ist gängige Technik im Flug, Tragflächen bzw. die aerodynamisch wichtigen Vorflügel (engl.: slat), bzw. die exponierten Fronten, Flügelnasen, dieser Bereiche mit von den Triebwerken entnommener Warmluft, in der Fachsprache Zapfluft, aus dem Inneren der Struktur her anzublasen. Der Temperaturübergang auf die Vorflügel ist von den thermodynamischen Strömungs­ verhältnissen und meterologischen Bedingungen in Abhängigkeit der Flughöhe, Außentemperatur, Fluggeschwindigkeit, Tröpfchen­ größe, lateralen Wolkenausdehnung, Wassergehalt etc. gegeben. Unter Berücksichtigung dieser Parameter wird die Effizienz eines Warmluftenteisungssystems auf ca. 30%-40% abgeschätzt. Diese Technik zeichnet sich durch eine hohe Leistungsentnahme und hohe Verluste in der Verrohrung auf dem Weg zum gefährdeten Bereich aus. In der Luftfahrttechnik, insbesondere in der modernen Triebwerkstechnologie ergeben sich Einschränkungen in der Ent­ nahme von ausreichend heißer Warmluft aus den Mantelstromtrieb­ werken, so dass Warmluft nicht mehr beliebig entnommen werden kann.
Eine andere Technik ist das Verlegen von metallischen Net­ zen/Heizmatten in der Wand oder auf der Innenwand solcher Struk­ turen, in denen mit elektrischem Strom, also ohmsches Beheizen, solche Flächen nach Bedarf erwärmt oder warmgehalten werden. Das verlangt aufgrund des hohen Leitungsbedarfs das Verlegen von elektrischen Zuleitungen großen Querschnitts vom Bordgenerator bis zu den Anschlussleisten der Netze. Eine homogene Erwärmung, d. h. das Vermeiden lokaler Überhitzungen insbesondere in der Nähe der Kontaktleisten ist bei einer flächigen Bestromung stets ein Problem, dem sehr sorgfältige Aufmerksamkeit geschenkt wer­ den muss, abgesehen vom erfahrungsgemäß schlechten Wärmetrans­ port zur Problemfläche.
In der DE 197 45 621 C1 wird ein Enteisungsverfahren beschrie­ ben, bei dem zu enteisende Flächen eine Dünnschicht mit hydro­ phoben Eigenschaften aus diamantartigem Kohlenstoff/amorphem Kohlenwasserstoff haben, die bei Auftritt einer Eisbildung mit einer äußeren Infrarotstrahlungsquelle bestrahlt oder durch eine in der Fläche liegenden Heizmatte aufgeheizt und dadurch ange­ regt und erwärmt werden.
In der DE 197 50 198 C2 wird eine Technik zur Enteisung von Flugzeugen mit Mikrowellen beschrieben, die von einer zentralen, vom Enteisungsbereich weit entfernten Quelle im Flugzeugrumpf gespeist wird. Vereisungsgefährdete, strömungstechnisch bedeut­ same Zonen am Flugzeug bestehen aus Verbundwerkstoffen deren dielektrische Bereiche für Mikrowellen oberhalb 20 GHz gut durchlässig sind. Zur Führung der Mikrowellen taugliche Hohllei­ ter, vergleichbar der heutigen Warmluftverrohrung, werden von einer Mikrowellenquelle im Flugzeugrumpf bis an diese Zonen ml Innern herangeführt, wo dann die Mikrowelle auskoppelt und diese Zone durch Aufwärmung des Dielektrikums eisfrei hält oder durch Erwärmung der Grenzschicht der eventuell schon anliegenden Eis­ schicht diese rasch davon wieder befreit.
Im Leichtkörperbau setzt sich mehr und mehr der Aufbau von Hohl­ körper- oder Schalenstrukturen durch Prepreg, CFK- und GFK-Kom­ positteile durch. Allerdings besitzen solche Verbundwerkstoffe, wenn auch sehr formstabil/-steif und damit mit hoher mechani­ scher Festigkeit/und Zähigkeit versehen, bei eine im Vergleich zu Metall sehr schlechte, anisotrope thermische Leitfähigkeit mit der Gefahr der Bildung von Wärmestaus und Überhitzung und damit der Gefahr der lokalen Delamination beim Anblasen mit hei­ ßer Luft, bzw. die Flugsicherheit betreffende starke Beschrän­ kung der Möglichkeit, ausreichende Flächenleistungsdichten an der strömungszugewandten, potentiell eisbehafteten Fläche ein­ bringen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, dezen­ trales Enteisungssystem für Hohl- oder Schalenkörperstrukturen, die der äußeren Luftanströmung in der Atmosphäre ausgesetzt und damit vereisungsgefährdet sind, zu entwickeln.
Die Aufgabe wird durch ein mikrowellentechnisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dessen kennzeichnenden Merk­ malen gelöst. Hierzu wird eine über Puls-Breiten-Regelung in ihrer Leistungsabgabe steuerbare Mikrowellenquelle im Innern der Hohl-/Schalenkörperstruktur unter Berücksichtigung der am Mikro­ wellenausgang angeflanschten Auskoppeleinrichtung unmittelbar oder in nächster möglicher Nähe hinter der vereisungsgefährdeten oder eisfrei zu haltenden Außenfront aufgestellt. Die mechanisch stabilen Hohl-/Schalenkörperstrukturen bestehen einerseits aus CFK-Material oder andrerseits aus GFK-Material oder Prepreg-Ver­ bundmaterial sind eine Zusammensetzung aus beiden. Die äußere Oberfläche der Struktur besteht aus einem Metallfilm bzw. einer Metallhaut, zumindest ist die strömungstechnisch exponierte Au­ ßenfläche mit einer solchen überzogen, die dann mit angrenzenden metallischen Strukturen/Flächen an ihrem Rand durchgehend ver­ bunden ist, so dass diese Hohl- oder Schalenkörper Mikrowellen- bzw. hochfrequenzdicht ist und keine elektromagnetische Abstrah­ lung in den Außenraum ermöglicht.
Über die Auskoppelstruktur strahlt die Mikrowelle entlang der zu erwärmenden Front ein und erwärmt das angestrahlte Verbundmate­ rialvolumen. In diesem richtet sich nach Inbetriebnahme ein ab­ fallender Temperaturgradient zur Außenhaut ein. Die Mikrowelle strahlt regelbar bis zu einer solchen Leistung ein, dass einer­ seits an jedem Ort des bestrahlten Verbundwerkstoffvolumens ein temperaturmäßiger Sicherheitsabstand zwischen 35 und 75°C zur Delaminationstemperatur von TDL ≈ 130°C des Verbundwerkstoffs aufrechterhalten werden kann und andrerseits an der Schnittflä­ che zur Metallhaut eine thermische Flächenleistungsdichte bis zu 46 kW/m2 besteht, mit der anhaftendes Eis an seiner Grenzschicht zur Struktur hin aufgetaut werden kann und sich damit ablöst oder von der Luftströmung vollends abgerissen wird.
Die Auskoppelstruktur der Auskoppeleinrichtung ist ein an die Mikrowellenquelle/n angeflanschter Hohlleiter, der zur Bildung der erforderlichen Mikrowellenfront entsprechende Auskoppelöff­ nungen in unterschiedlich der Größe und Abstand hat, um entlang des Hohlleiters eine gleichbleibende Leistungsauskoppelung zu ermöglichen. Die Abstrahlungscharakteristik ist derart beschaf­ fen, dass entlang der Flügelkontur möglichst weitgehend gleiche Phasenfronten anliegen, deren Amplitudenbelag die lokale erfor­ derliche Enteisungsflächenleistung bereitstellt. So können in der, Flügelnase weitaus höhere (bis 60 kW/m2) Flächenleistungsdich­ ten wünschenswert sein, in den rückwärtigen Bereichen liegen die Anforderungen bis zum Faktor 10 niedriger (Anspruch 2).
Zum Schutz der Mikrowellenquelle ist dieselbe in Ihrer Durch­ gangs- und Sperrdämpfung über Zirkulatoren abgeschlossen (An­ spruch 3).
Je nach maximal geforderter Mikrowellenleistung ist die Mikro­ wellenquelle ein Klystron oder Magnetron oder ein "Extended In­ teraction Oscillator", EIO, (Anspruch 4).
Die Mikrowellenleistung tritt dämpfungsarm an der Auskoppelein­ richtung aus und erwärmt die umgebende Schalenstruktur, die als dissipativer Resonator sehr niedriger Güte wirkt, selektiv. Da­ her ist der Hohl- oder Wellenleiter mit Auskoppeleinrichtung aus einem elektrisch gut leitenden Metall oder aber, falls Ge­ wichtseinsparungen das erfordern aus Verbundwerkstoff, der von einem mikrowellendichten Metallnetz ummantelt oder damit ausge­ legt ist (Ansprüche 5 und 6).
Ein solches mikrowellentechnisches Enteisungssystem kann sich in eisfrei zu haltenden Einrichtungen/Aufbauten eines Schiffes oder eines Zuges oder eines Straßenverkehrsmittel oder sonstigen, mit allen meteorologischen Bedingungen fertig zu werdenden Hohlkör­ perstruktur befinden (Anspruch 7).
Sicherheitstechnisch springt die Bedeutung eines solchen Entei­ sungssystems in der Luftfahrttechnik ins Auge. Flugzeuge und He­ likopter benötigen unbedingt aerodynamisch geeignete Gestalt, insbesondere für den Auftrieb und die Steuerung verantwortliche Strukturen wie Tragflächen, Seiten- und Höhenruder und der Rand des Triebwerkseinlasses (Ansprüche 8 bis 11).
Bei größeren Flugzeugen, die im auftriebsrelevanten Bereich der angeströmten Tragfügelfronten sogenannte Vorflügel aufweisen, ist ein zuverlässig wirkendes Enteisungssystem für die stete Flugsicherheit unerlässlich (Anspruch 12).
Ein weiter wichtiges Einsatzfeld ist die Energieerzeugung mit Windkraftanlagen, die riesige Rotorblätter haben und sich stän­ dig Bodenwetterlagen ausgesetzt sind. Um an den Rotorblättern Vereisung zu verhindern, sitzt die Mikrowellenquelle im Zentrum des Flügelrades, von der aus dann je ein Hohlleiter mit Auskop­ pelstruktur in den Flügel zu den vereisungsgefährdeten Fronten hineinreicht (Anspruch 13).
Die mikrowellentechnischen Baukomponenten sind unmittelbar am Wirkungsort. Es ist lediglich eine Netzzuleitung mit Steuerlei­ tungen für ein solches Enteisungssystem notwendig. Lange Hohl- bzw. Wellenleiterführungen entfallen.
Mit dem mikrowellentechnischen Enteisungssystem wird eine Stei­ gerung der Flugsicherheit durch hohe Geschwindigkeit des De- /Anti-Icing Systems erreicht. Im sog. Routine Anti-Icing Betrieb ist ein niedriger Leistungsbedarf erforderlich. Zudem sind auf­ tretende Vereisungsbedingungen beherrschbar, die konventionell nicht angegangen werden können.
Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen für den Vorflügel werden substantielle Gewichtseinsparungen von über 30% gegen­ über der heutigen Metallbauweise erreicht. Neben der prioritären Sicherheit wird dadurch die Wirtschaftlichkeit durch Ge­ wichtseinsparung, bzw. Treibstoffeinsparung erheblich gestei­ gert. Zudem kann am Boden der Einsatz der mit Unsicherheiten behafteten und die Umwelt stark belastenden Enteisungsflüssigkeit reduziert, eigentlich vermieden werden.
Die Mikrowellentechnologie senkt signifikant die auftretenden Temperaturen in der laminierten Struktur im Vergleich zur kon­ ventionellen Enteisung mit Warmluftanblasen, daher sind weitaus höhere Flächenleistungen für bestimmte Enteisungssituationen an der Außenhaut ermöglicht, bzw. in jedem Fall ein das Verbundma­ terial und die Struktur thermisch nicht belastender Betrieb die Regel. Selbst heute von den bestehenden Systemen nicht bewältig­ bare anhaftende Klareissituationen werden ohne Gefahr der Über­ hitzung/Delamination des Verbundwerkstoffes beherrscht.
Im Falle der Vorflügelenteisung beispielsweise entfallen geführ­ te Metallrohrleitungen in der Tragfläche sowie Piccolorohrsyste­ me, wie sie heute für das Warmluftanblasen installiert sind. Das bringt weitere erhebliche Gewichtseinsparungen. Darüber hinaus ist der Vorflügel als Modul für technische Wartung am Flughafen leicht austauschbar - ein Vorteil im zeitlichen Reparaturablauf.
Der Ausfall eines Enteisungsvorflügels führt alles in allem nur zu einer geringen Einbuße in der Leistungsfähigkeit, da die au­ tarken, übrigen Vorflügelsysteme von dem Ausfall eines Systems nicht betroffen sind und unabhängig weiterarbeiten - Redundanz. Beim konventionellen System muss über eine Notversorgungsleitung Warmluft von der anderen Tragfläche abgezogen werden, was zu ei­ ner erheblichen Leistungsbeeinträchtigung des Gesamtenteisungs­ systemes führt.
Es ist hier hervorzuheben, dass die gesamte elektrische Leistung zu 100% in wirkende Enteisungsleistung umgesetzt und an die me­ tallische Vorflügelaußenhaut abgeführt wird.
Entlang der Vorflügelkontur sind stark unterschiedliche Flächen­ leistungsdichten erforderlich; der höchste Bedarf liegt an der Flügelnase selber. Um, wie in der Fliegersprache ausgedrückt wird, Runback Vereisung: von der Vordernase nach hinten rut­ schende und wieder anfrierende Eismassen, zu verhindern, muss auch der rückwärtige Teil des Vorflügels erwärmt werden. Der er­ forderlichen Verteilung entsprechend wird ein Feldbelag entlang der Vorflügelkontur durch eine mikrowellentechnisch optimierte Hohlleiterauskopplung mit entsprechender Abstrahlcharakteristik erzeugt (optimale Leistungsanpassung an die Vorflügelgeometrie, siehe Fig. 4).
Das gesamte System ist, mikrowellentechnisch gesehen, geschlos­ sen und elektromagnetisch versiegelt. Das CFK/Kompositmaterial ist von einer schirmenden metallischen Haut, die primär ihre Be­ deutung als Blitzschutz aufweist, umgeben. Es dringt keine Feld­ wirkung aus dem Vorflügelsystem nach außen. Die Geschlossenheit des Vorflügels - Warmluft benötigt Austrittskanäle - hat aerody­ namisch insbesondere noch den Vorteil, weitgehende laminare Strömungsverhältnisse an der Grenzschicht einstellen zu können und störende Wirbelbildung zu vermeiden.
Das Mikrowellenenteisungssystem ist Puls-Breiten-geregelt betreibbar, so dass Vereisung profilaktisch von kleiner Wärme­ leistungsanforderung bis hin zur Klareisentfernung mit höchster Wärmeleistungsanforderung beherrscht wird.
Das mikrowellentechnische Enteisungssystem arbeitet verlustfrei, die dem Netz entnommene Leistung und in der Auskoppeleinrichtung geführten Mikrowelle wird vollständig zur Enteisung bzw. Eis­ freihaltung umsetzt. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Sys­ tems tritt noch deutlicher hervor, weil bei eingetretener Verei­ sung in kurzer Zeit das Eis von der exponierten Oberfläche durch Antauen der Grenzschicht abgelöst werden kann.
Das mikrowellentechnische Enteisungssystem, das aus mindestens einer der im folgenden dargestellten Einheit besteht, wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus fünf Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 den schematischen Aufbau der Enteisungseinrichtung,
Fig. 2 den Schnitt einer Momentaufnahme der Feldverteilung im Vorflügel,
Fig. 3 den Situationsausschnitt,
Fig. 4 die Einrichtung an der Tragfläche,
Fig. 5 Temperaturverteilung
Das mikrowellentechnische Enteisungssystem ist vielfältig und weitläufig verwendbar. Neben dem Einsatz zu Lande und auf dem Wasser wird seine Bedeutung in der Luftfahrt am eindrücklichs­ ten. Es wird daher jetzt am Beispiel des Einbaus in den Vorflü­ gel einer Flugzeugtragfläche weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen der Vorflügelab­ schnitte, wie sie in Fig. 4 durch die graue Unterteilung der Anströmkante einer Flugzeugtragfläche angedeutet sind. Im Vor­ flügelinnern ist parallel zur Anströmkante des Vorflügels aus CFK-Material (Prepreg Slat) die rohrförmige Auskoppeleinrich­ tung/Hohlleiter für die Mikrowelle montiert. Die resultierende Wellenfront wird durch die aus den Auskoppelöffnungen entlang des Hohlleiters ausgekoppelten Einzelwellen durch Überlagerung erzeugt. Hier sind Hohlleiter und Auskoppeleinrichtung eins und direkt an die Mikrowellenquelle, die ein Klystron ist, angebaut. Die Querschnittssituation zeigt Fig. 2. Darin ist nur der Vor­ flügel samt Auskoppeleinrichtung teilweise gezeigt. Die in Fig. 1 noch angedeutete Tragfläche ist nicht mehr mit eingezeichnet, wie auch das Klystron samt Netzteil.
Fig. 2 zeigt deutlich die dunkelgraueren Bereiche der Feldver­ teilung im Innern des Vorflügels im Bereich der aerodynamisch wichtigen Anströmkante, die zurückweichend heller werden. Damit wird angedeutet, wo die Bereiche starker und weniger starker Wärmeerzeugung im laminierten Material sind. Da der Vorflügel insgesamt einen geschlossenen Innenraumraum und auch abgeschot­ tete Innenräume hat, in denen jeweils mindestens ein Enteisungs­ system sitzt, herrscht im Bereich der Anströmfront große Wärme­ einwirkung, die in Strömungsrichtung abnimmt und in der erfor­ derlichen Form vorhanden ist. Zusammen mit der Wärmeentwicklung durch die Wärmeerzeugung im CFK-Material selber und durch den Betrieb der Mikrowellenquelle wird der gesamte Vorflügel derar­ tig auf Temperatur gehalten, dass sich ein Eisansatz auf der Au­ ßenfläche auch nicht bei Anwesenheit extrem unterkühlter Wasser­ tropfen, sog. super cooled droplets, ausbilden kann.
In Fig. 5 sind zwei Betriebsarten mit Ihrer thermischen Auswir­ kung in der Wand des Vorflügels in der Anströmfront dargestellt, und zwar oben vorliegender Klarelsenteisung mit hoher Abtauge­ schwindigkeit und unten bei vergleichbarer Abtaubedingung, aber bei niedrigerer Abtaugeschwindigkeit, nur 35°C Außenhauttempera­ tur. Verglichen wird jeweils bei gleicher Vorflügelgeometrie die konventionelle Heizung, Wärmeeinbringung mit Warmluftanblasen der Innenwand, - gerade Linie im jeweiligen Schaubild "CFK kon­ ventionell geheizt" - und die CFK-Aufwärmung mit Mikrowelle "CFK mikrowellenbeheizt". Die Wand der Vorflügel-Hohlkörperstruktur ist im Bereich der Anströmung 3 mm dick. Die Wand besteht im we­ sentlichen aus dem CFK-Material und der dünnen, aufliegenden me­ tallisierten Außenhaut (siehe Schnitt Fig. 1). In beiden Dia­ grammen ist die Delaminationstemperatur von 130°C des CFK-Mate­ rials als strichpunktierte Linie eingetragen, die die Erwär­ mungsproblematik mit konventioneller Erwärmung vergleichend her­ vorhebt. Bei einer beispielhaften Aufwärmung der Außenhaut auf 60 bis 70°C, schnelles Abtauen - oberes Diagramm - und einer Flächenleistungsdichte von 46 kW/m2 muss mit einer Warmlufttempe­ ratur von mindestens 150° bis 160°C die CFK-Innenwand des Vor­ flügels angeblasen werden, um bei gleicher erforderlicher Flä­ chenenteisungsleistung an der Außenhaut eine vergleichbare Über­ gangstemperatur Eis/Luft, Abtaugeschwindigkeit zu erzeugen. Im Vergleich wird bei der Mikrowellenerwärmung an der Innenwand lediglich eine maximale Temperatur von 95°C erreicht. Im konven­ tionellen Fall wird die Delaminationstemperatur TDL ganz deutlich und nahezu bis in 1 mm Tiefe überschritten, d. h. der Vorflügel beginnt sich strukturell an der Innenoberfläche aufzuweichen und bei fortschreitendem Betrieb zu zerstören. Die Mikrowellenerwär­ mung bleibt bei diesem Fall immer noch 35°C unterhalb der kriti­ schen Delaminationstemperatur, d. h. hier treten keine struktu­ rellen Beeinträchtigungen auf.
Das untere Diagramm stellt den Betrieb bei geringerer Abtauge­ schwindigkeit, Außenhaut auf 35°C, dar. Die Vorflügelaußenhaut wird auf einer Temperatur von 35°C gehalten. Zwar wird jetzt beim konventionellen Heizen die Delaminationstemperatur nicht mehr überschritten, die Temperatur an der inneren Oberfläche be­ trägt jetzt 110°C, kommt aber damit der Zerstörungstemperatur sehr nahe. Mit der Mikrowellenerwärmung wird gerade eine Maxi­ maltemperatur an der Innenwand von nur 60°C erreicht. Es liegt damit keinerlei thermische Belastung des laminierten Vorflügels durch die Erwärmung mit Mikrowelle vor.
Die signifikanten Temperaturerniedrigungen bei Verwendung von Mikrowellen im Vergleich zur konventionellen Erwärmung bei sonst gleichen Betriebs- und Leistungsanforderungen sind darauf zu­ rückzuführen, dass ein instantaner volumetrischer Leistungsein­ trag durch die Beaufschlagung im ersten Drittel des Laminates durch Penetration der Welle erfolgt, und die Leistung dort ohne die Notwendigkeit eines wärmeleitungsabhängigen Gradientriebes eingebracht wird. Von dort fließt die eingebrachte Leistung über Wärmeleitung zur Außenhaut. Durch die Volumenheizung sind zudem sehr hohe Heizraten möglich, um die Vorflügelaußenhaut auf die entsprechende Abtautemperatur und erforderliche Flächenleis­ tungsdichte zu bringen. Das zeigt eine hohe Dynamik für alle eventuellen Situationen.

Claims (13)

1. Kompaktes mikrowellentechnisches System zum Enteisen und/oder Vorbeugen einer Vereisung der äußeren Oberfläche von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen, bestehend aus:
  • - formstabilen Hohlraum- oder schalenartigen Struktu­ ren, bestehend aus mit thermoplastischen oder du­ roplastischen Kunststoffsystemen ausgehärteten Ver­ bundwerkstoffen mit dielektrischen Eigenschaften, ggf. in Kombination mit anderen Werkstoffen wie Schäumen, deren Fasergebilde aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Polymerfasern, Polyamidfasern, Polyethy­ lenfasern oder Aramidfasern sind,
  • - mindestens einer Mikrowellenquelle, die in ihrer Leistung steuerbar, gepulst oder kontinuierlich be­ trieben, über ein angeflanschtes Hohlleiter- und Aus­ koppelsystem im Frequenzbereich von 900 MHz bis 20 GHz vorgegeben monochromatisch abstrahlt,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vereisungsgefähr­ dete Front der jeweiligen Struktur einen laminierten Aufbau haben, der aus einem Formkörper als Trägerstruktur aus di­ elektrischem Verbundmaterial einer der Beanspruchung ange­ passten Schub-, Druck und Biegefestigkeit besteht, und an den erforderlichen Stellen mit einer metallischen Haut als Blitzschutz überzogen ist, die der anströmenden Luft unmit­ telbar ausgesetzt ist und die in Verbindung mit anderen an­ stoßenden oder unmittelbar angrenzenden Baustrukturen mit metallischer Oberfläche elektrisch leitend verbunden ist, so dass darüber hinaus ein metallisch umschlossener Hohlraum besteht,
im Hohlraum oder in Kammern eines jeden solchen Formkörpers mindestens ein für sich alleine betreibbares Mikrowellensys­ tem, bestehend aus einer Mikrowellenquelle mit Netzteil und Auskoppeleinrichtung aus Hohlleiter und Auskoppelstruktur, eingebaut ist, und
die Auskoppelstruktur im Innern des Formkörpers entlang zur äußeren Anströmfront derart aufgestellt ist, dass die ausge­ koppelte Mikrowelle innen entlang dieser mit einer Wellen­ front oder nahezu mit einer Wellenfront auf die freie innere Oberfläche des Verbundmaterials auftrifft, in es penetriert und den dortigen Frontbereich des Verbundmaterialvolumens durch die Mikrowelleneinwirkung über Volumenheizung derartig erwärmt, daß das Verbundmaterial einerseits unter der Ein­ wirkung der Mikrowelle an jeder Stelle weit unterhalb der Delaminationstemperatur von etwa 130°C des Verbundmaterials bleibt und andererseits an der Schnittfläche Formkör­ per/Metallhaut eine vorgegebene Flächenleistungsdichte bis über 60 kW/m2 bei anhaftendem Klareis gefahrlos bestehen kann, die die Metallhaut auf einer vorgebbaren, den meteoro­ logischen Anforderungen entsprechenden Temperatur von +10°C bis +70°C und Abtaugeschwindigkeit hält, bei der es auf der luftangeströmten Front bei eingeschaltetem Mikrowellensystem mit Sicherheit zu keiner Eisbildung kommt oder angesetztes Eis an der Anströmfront an der Berührfläche mit Einschalten des Mikrowellensystem an-/abgetaut.
2. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auskoppelstruktur aus dem an die Mikrowellenquelle oder die Mikrowellenquellen angeflansch­ ten Hohlleiter besteht, der entlang seiner Mantelfläche, zur Anströmkante gerichtete Auskoppelöffnungen hat, aus de­ nen jeweils Wellen auskoppeln, die sich zu der geforderten Wellenfront überlagern.
3. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle über Zirkulatoren in ihrer Durchgangs- und Sperrdämpfung mit der mikrowellen­ ankoppelnden Verbundstruktur als Verbraucher angepaßt abge­ schlossen ist.
4. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die monochromatisch abstrahlende Mikro­ wellenquelle, orientiert an der abzugebenden Leistung im vorgesehenen Frequenzbereich, ein Klystron oder ein Magnetron oder ein Extended Interaction Oscillator, EIO, ist.
5. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Hohlleiter und Auskoppelstrukturen elektrisch gut leitende, metallische Wände haben.
6. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Hohlleiter und Auskoppelstrukturen aus leichtem Aluminium oder auch gewichtsoptimiert aus CFK- Kompositmaterial sind, die jeweils mit einem dünnen Netz aus elektrisch gut leitenden, metallischen Material der Ma­ schenweite ummantelt sind, durch die hindurch die zu lei­ tende Mikrowelle nicht unerwünscht entfleucht.
7. Mikrowellentechnisches System nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches in den Strukturen von vereisungsgefährdeten, von der Luft angeströmten und von Gischt besprühten Fronten eins Schiffes befindet.
8. Mikrowellentechnisches System nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches in wenigstens ei­ ner der aerodynamisch wichtigen Strukturen von von der Luft angeströmten, eisfrei zu haltenden Fronten eines Fluggerä­ tes, wie eines Flugzeugs oder eines Helikopters, befindet.
9. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sich ein solches in den für den Auftrieb relevanten Bereichen in den Tragflächen hinter den ange­ strömten Fronten befindet.
10. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, dass sich ein solches in den für die Lenkung des Flugzeugs relevanten Bereichen im Höhen- und/oder Seitenruder hinter den angeströmten Fronten befin­ det.
11. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, dass sich ein solches hinter der von Luft angeströmten ringförmigen Front des Triebwerkmantels am Triebwerkseingang befindet.
12. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein solches im jeweiligen Vorflügel der Tragflächen eingebaut ist.
13. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein solches in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage eingebaut ist.
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