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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System zum Berechnen einer dreidimensionalen Partikelverteilung in einem Luftraum, ein Verfahren zur Aerosolpartikelanalyse, ein Computerprogrammelement, sowie ein computerlesbares Speichermedium.
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Technologischer Hintergrund
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Zur Bestimmung von Spurengasen und Aerosolen in der Atmosphäre werden speziell ausgerüstete Messflugzeuge verwendet. Unter Aerosolen versteht man feste und/oder flüssige Teilchen in der Luft. Aerosole werden in Aitkenpartikel kleiner als 0,1 μm und den sogenannten feinen Aerosolen des Akkumulationsmodes mit Größen zwischen 0,1 μm und 2,5 μm unterschieden. Partikel größer als 2,5 μm werden als grobes Aerosol bezeichnet. Feste Staubpartikel können bei der mechanischen Zerstörung von festen Material entstehen und besitzen in der Regel Durchmesser größer 1 μm. Die wichtigste Quellen für Staubaerosole sind Wüsten- und Trockengebiete. Auch Vulkanausbrüche emittieren in die Atmosphäre jährlich etwa 33·106 Tonnen Aerosole. Die Bedeutung des Vulkanstaubes resultiert daraus, dass lokal eine große Menge Staubaerosole und Flugasche in große Höhen der Atmosphäre geschleudert werden können und somit gegebenenfalls eine Gefährdung des Flugverkehrs darstellen. Für Vulkanasche oder andere Gefahrenquellen wie Waldbrände, die für die Luftfahrt aufgrund hoher Aerosolbelastungen bestehen können, fehlt jedoch ein flächendeckendes Warnsystem.
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Zur Vermessung der Vulkanaschebelastung über Europa aufgrund des Vulkanausbruches am isländischen Eyjafella-Gletscher wurden im April und Mai 2010 Messungen mit dem Forschungsflugzeug des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt durchgeführt. Diese Messungen sind jedoch nur Stichproben für einen zeitlich und räumlich begrenzten Raum. Die Datengewinnung erfolgt mit Hilfe von Messingenieuren und nicht automatisch. Daraufhin ist eine zeitaufwändige Datenauswertung der Messergebnisse am Boden notwendig. Eine schnelle und genaue Warnung der zivilen Luftfahrt beispielsweise vor hohen Partikelkonzentrationen im Falle eines nahegelegenen Vulkanausbruches ist aufgrund des Einsatzes von einzelnen Forschungsflugzeugen nicht möglich. Ein einzelnes Forschungsflugzeug kann kaum eine sich bewegende zum Teil 1000 km lange bzw. breite Flugaschewolke und ihre genauen Grenzen vermessen, da sich die Rauchwolke ständig verändert und eine Alterung der Luftmassen stattfindet.
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Bodenstationierte Lidar-Systeme und Satelliten sind nur zuverlässig bei wolkenlosen Verhältnissen und können so häufig nicht als alleinige Datenquelle verwendet werden. Genaue Vorhersagen des Ausbreitungsgebietes einer konzentrierten Rauchwolke sind jedoch notwendig, um gezielte Luftraumsperrungen vornehmen zu können. Weiträumige Luftraumsperrungen, die sich aufgrund der Ungenauigkeit und Zeitaufwendigkeit heutiger Messverfahren ergeben, können zu erheblichen volkswirtschaftlichen Schäden (ihren. Daher besteht die Notwendigkeit ein einfaches Partikelmesssystem bereitzustellen, um eine Einschränkung des Luftverkehrs minimieren zu können.
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Die Druckschrift „Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre: Charakterisierung eines Kondensationskernzählers und in-situ-Messungen in polaren, mittleren und tropischen Breiten”, Ralf Weigel, November 2005, Dissertation Universität Mainz, beschreibt auf S. 188 einen Kondensationskernzähler für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln, der an Bord eines Forschungsflugzeuges verwendet wurde.
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Die
DE 10 2007 035 678 A1 betrifft ein Kommunikationssystem zum Datentransfer zwischen einem Flugkörper und einer Bodenstation oder zwischen zwei Flugkörpern. Dabei weist der Flugkörper zumindest eine Kommunikationseinrichtung zur Datenverbindung auf, die über eine Satellitenverbindung mit Einer Sende-/Empfangseinrichtung der Bodenstation oder des weiteren Flugkörpers kommuniziert.
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Die
DE 41 40 406 A1 betrifft ein System zur verbesserten Orientierung, Navigation, Führung und Überwachung von Flugzeugen, dem selbständig (über DataLink) Informationen des Verkehrs auf bzw. in der Nähe eines Flughafens zur Verarbeitung und Auswertung übertragen werden.
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Die
US 2005/0247868 A1 betrifft einen biologischen Alarm zum Überwachen von Schwebepartikeln. Dabei werden auf einer Sammelfläche auftreffende Schwebeteilchen analysiert. Anschließend wird die Sammelfläche regeneriert, so dass sie mehrmals verwendet werden kann. Die Analyse kann auf eine oder mehrere Eigenschaften fokussiert sein, z. B. auf die Konzentration von biologischen Schwebeteilchen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Partikelsensor für kontinuierliche Echtzeitmessungen für Flugzeuge zu verbessern. Weiterhin ist es eine Aufgabe, die Analyseergebnisse des Partikelsensors zur Erhöhung der Flugsicherheit zu nutzen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, wobei weitere Ausführungsformen der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen verkörpert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Messvorrichtung für ein Flugzeug zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln in Echtzeit bereitgestellt. Die Messvorrichtung weist eine Heizvorrichtung auf, die ausgelegt ist, flüchtige und feste Aerosolpartikel zu trennen, einen Partikelsensor zur Erfassung von Messdaten, eine Analysevorrichtung zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften der festen Aerosolpartikel auf Grundlage der erfassten Messdaten und eine Kommunikationsschnittstelle zur Weitergabe der ermittelten Analysedaten an weitere interne Flugzeugsysteme.
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Die Heizvorrichtung ist geeignet, flüssige oder gefrorene Wassertröpfchen in die Gasphase zu überführen, so dass der Partikelsensor die Massen-, Anzahlkonzentration oder Größenverteilung der Feststoffpartikel vermessen kann. Die erfassten Daten können in situ ausgewertet werden und über die Kommunikationsschnittstelle an weitere interne Flugzeugsysteme weitergegeben werden. Auf diese Weise können die Analysedaten des Partikelsensors online an die Flugzeugführer im Cockpit oder an einen zentralen Bordcomputer weitergegeben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Messvorrichtung sind die ermittelten Analysedaten ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: Partikelkonzentration, Masse, Größenverteilung, Streuung und Absorption.
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Auf diese Weise können die physikalischen und optischen Eigenschaften der Partikel erfasst werden. Insbesondere die Anzahldichte und Größenverteilung kann genutzt werden, um sie mit Grenzwerten für sicheres Fliegen vergleichen zu können. Als Indikator für Flugasche kann beispielsweise die in der Atmosphäre gemessene Licht-Absorption oder das Vorkommen von relativ großen Partikeln z. B. > 10 μm des Grobpartikelmodus herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Messvorrichtung ist die Analysevorrichtung ausgelegt, ein Warnsignal über die Kommunikationsschnittstelle auszugeben, wenn ein bestimmter vorgegebener Grenzwert in Bezug auf die Analysedaten überschritten wurde.
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Auf diese Weise kann der Flugzeugführer des mit dem Partikelsensor bestückten Flugzeuges bei einem Eintritt in ein Gebiet, das beispielsweise durch einen Vulkanausbruch oder Waldbrand partikelbelastet ist, gewarnt werden. Werden Fernerkundungsverfahren an Bord des Flugzeuges verwandt wie beispielsweise Lidar, kann eine Rauchfahne beispielsweise von oben vermessen werden und dem Piloten angegeben werden, welche Flughöhen zum Weiterflug unter den gegebenen Bedingungen geeignet sind.
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Das Warnsignal ist an einen Grenzwert gekoppelt, der gesetzlich oder von einem Flugzeugbetreiber festgelegt wird, um sicheres Fliegen zu gewährleisten. Eine Grenzüberschreitung kann auch schnell an ein sich der Rauchfahne näherndes Flugzeug übermittelt werden, um eventuelle Flugkorrekturen durchführen zu können. Dabei ist eine Kommunikation mit der Flugsicherung notwendig, um eine weiträumige Koordination der Linienflugzeuge zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst die Messvorrichtung einen Aerosoleinlass, wobei die Aerosolpartikel durch Staudruck oder eine Fördereinrichtung zum Partikelsensor transportierbar sind.
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Wird der Einlass nach vorne gerichtet, kann der Staudruck zur Probenahme verwendet werden. Bei längeren Einlasssystemen kann eine Fördereinrichtung wie eine Pumpe notwendig sein, um die Probenahme gewährleisten zu können. Das Einlasssystem selbst kann beheizt sein, um die Abtrennung von Wassertröpfchen zu gewährleisten. Dabei ist zu beachten, dass die Messkammertemperatur so hoch gewählt ist, dass keine Kondensation des Wasserdampfes erfolgt.
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Die Messvorrichtung kann einfach ab- und anmontierbar an der Unterseite von Tragflügel bzw. geeigneten Pylonen sein. Hier ist es von Vorteil, dass mittels Staudruck die Probenahme einfach erfolgen kann, wobei das Einlasssystem direkt die Partikel einsammeln kann, so dass eine Abscheidung der Partikel in langen bzw. gekrümmten Einlasssystemen ausgeschlossen werden kann.
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Für die Messvorrichtungen sind weiterhin Einlasssysteme möglich, die eine Öffnung in der Flugzeugaußenhaut benötigen. Bei Einlässen am Rumpf bzw. Decke sollte die Probenahme nicht durch die Grenzschicht des Flugzeuges oder Aerodynamik gestört werden. Das Einlasssystem kann in einen Frachtraum führen, in dem Racks eine oder mehrere Messvorrichtungen tragen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Messvorrichtung ist der Partikelsensor ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: Spektrometer, Laser-Anemometer, Massenspektrometer, Kondensationskernzähler, Absorptionsphotometer; und Elektrostatischer Sensor.
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Die laserbasierten Sensoren können das in der Aerosolprobe gemessene gestreute Licht mittels Photodetektoren vermessen. Als Messtechnik können Laserspektrometer oder Laser Doppler Anemometer (LDA) verwendet werden. Doppler-Partikelsensoren nutzen den Doppler-Effekt, um Teilchen zu vermessen. Dabei sind die Teilchengröße und Geschwindigkeit nur von der Wellenlänge des Lasers und der optischen Konfiguration abhängig. Auf diese Weise kann ohne Kalibration gemessen werden. Diese Messtechnik ist ferner geeignet für die Vermessung mit hohen Anzahldichten.
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Kondensationskernzähler arbeiten mit einer Kondensationsflüssigkeit wie beispielseise Butanol und können die Gesamtanzahlkonzentration bestimmen. Das Messprinzip basiert darauf, dass die Partikel Butanol anlagern und dadurch um ein Mehrfaches wachsen. Dadurch werden sie für Laserlicht sichtbar und können detektiert werden.
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Rußpartikel und deren Massenkonzentration können durch Messung des Absorptionskoeffizienten auf einem Filterband kontinuierlich bestimmt werden.
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Ein elektrostatischer Sensor kann die Größenverteilung und Anzahl der ionisierten Partikel mit spezifischen aerodynamischen Durchmessern entsprechend ihrer Elektromobilität erfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung einen Sensor zur Erfassung von chemischen Parametern des Messgases.
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Insbesondere bei frischen Vulkanwolken können mit Hilfe von geeigneten Spurengassensoren hohe Schwefeldioxid- oder Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen und als Indikator für eine Aschewolke verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Mineralstaubwolke aus der Sahara einfach von einer Vulkanaschewolke unterschieden werden. Diese Messgeräte können in einem Flugzeugrack mit den Partikelmessgeräten kombiniert werden. Eine Echtzeitmessung der Spurengase ist in der Regel möglich. Zum Teil ist jedoch bei einigen Spurengasmessystemen eine Kalibration notwendig, die gegebenenfalls am Boden vor dem Start bzw. nach der Landung stattfinden kann.
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Weitere Komponenten wie Kohlendioxid, Ozon oder Stickoxide können als Messparameter mittels physikalischen oder chemischen Messmethoden detektiert werden. Die Sensoren werden mit geeigneten Pumpen, Kalibrationseinheit und Steuerelektronik versehen. Die zeitliche und räumliche Variabilität kann zusammen mit den Partikelanalysedaten an eine zentrale Datenbank weitergegeben werden. Auf diese Weise können die in einer Rauchfahne ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse abgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Flugzeug mit einer Messvorrichtung bereitgestellt mit einem Navigationssystem zur Bestimmung der Positionsdaten des Flugzeuges, einem zentralen Bordrechner zur Erfassung und Weiterverarbeitung von Daten und einem Kommunikationssystem zur Datenübertragung an Bodenstationen und/oder andere Flugzeuge. Dabei ist der zentrale Bordrechner ausgelegt, die Analysedaten der Messvorrichtung in Abhängigkeit der Positionsdaten des Flugzeuges zu berechnen.
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Auf Grundlage der genauen Navigationsdaten bzw. Positionsdaten des Flugzeuges kann die räumliche Variabilität der Messungen dargestellt werden. Die zeitliche Auflösung kann beispielseweise 1 Hz betragen, um die zeitliche und räumliche Variabilität im Luftraum genau darstellen zu können. Werden die Messvorrichtungen an Bord von Linienflugzeugen eingesetzt, können gleichzeitig mehrere Messergebnisse an eine zentrale Datenbank über ein externes Kommunikationsnetz weitergegeben werden. Alternativ können die Flugzeuge auch miteinander kommunizieren, um bei Überschreitung eines Grenzwertes den nachfolgenden Flieger rechtzeitig warnen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein System mit einer flugzeuggetragenen Messvorrichtung bereitgestellt, umfassend mindestens eine weitere flugzeuggetragene Messvorrichtung. Dabei sind die mindestens zwei Messvorrichtungen ausgelegt, orts- und zeitabhängige Analysedaten an eine zentrale Bodenstation mittels einer Kommunikationsschnittstelle zu senden, wobei in einer zentralen Datenbank der Bodenstation auf Grundlage der empfangenen Analysedaten eine dreidimensionale Partikelverteilung im Luftraum berechenbar ist.
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Dadurch, dass die Messvorrichtungen in mehreren Linienflugzeugen gleichzeitig installiert sind und die erfassten Anlaysedaten von einer Bodenstation mit einer zentralen Datenbank drahtlos empfangbar sind, kann ein flächendeckendes Warnsystem entlang der Flugrouten gewährleistet werden. Die ort- und zeitabhängigen Analysedaten können als Basis einer dreidimensionalen Partikelkonzentrationskarte dienen, um diese Daten der Flugraumüberwachung oder den Piloten direkt zur Verfügung zu stellen. Da die Messungen in situ in Echtzeit erfolgen, können aktuelle Gefährdungsgebiete bzw. Sperrzonen ermittelt werden. Somit wird es möglich eine eventuelle Sperrzone des Luftraumes auf ein Minimum zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein System bereitgestellt, wobei eine Bodenstation weiterhin meteorologische Basisdaten von dem Flugzeug und/oder operationellen Diensten oder Forschungsplattformen empfängt, um Vorhersagen der dreidimensionalen Partikelverteilung stellen zu können.
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Um insbesondere die dreidimensionale Verteilung flächendeckend auch abseits der Flugrouten ermitteln zu können, ist eine Interpolation der Analysedaten unter Berücksichtigung von meteorologischen Basisdaten notwendig. Mit Hilfe von Windgeschwindigkeit und anderen Parameter kann die Luftmassenbewegung ermittelt werden. Hierzu können an Bord gemessene Daten verwendet oder auf die aktuellen Datenbanken von operationellen Diensten wie nationale Wetterdienste (beispielsweise für Deutschland: Deutscher Wetterdienst DWD) zurückgegriffen werden. Regengebiete können beispielsweise dazu führen, dass die Partikelkonzentration durch Auswaschen stark reduziert wird. Zur Bereitstellung von dreidimensionalen Karten können globale Transportmodelle, Trajektorien oder Partikeldispersionsmodelle mit einbezogen werden. Zudem können Kommunikationsverbindungen zu Forschungsinstituten oder Bodenmesssysteme wie Lidar-Systeme genutzt werden, um das gesamte Höhenprofil auch außerhalb der üblichen Flughäfen zur Verfügung stellen zu können. Als Forschungsplattformen kommen Messflugzeuge, Ballonsonden, Bodenstationen und nationale oder internationale Forschungsinstitute in Frage.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Aerosolpartikelanalyse angegeben mit den folgenden Verfahrensschritten: Heizen des Einlasses und/oder der Messkammer zur Überführung des flüssigen Wassers in die Dampfphase, Erfassen von Aerosolpartikelmessdaten, Ermitteln der physikalischen Eigenschaften der festen Aerosolpartikel auf Grundlage der erfassten Messdaten und Weitergabe der Analysedaten über eine Kommunikationsschnittstelle an weitere interne Flugzeugsysteme. Vergleichen der Analysedaten mit vorgegebenen Grenzwerten und im Falle einer Grenzwertüberschreitung Ausgabe eines Warnsignals an das Cockpit.
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Auf diese Weise kann die Messsensorik direkt und sofort genutzt werden, um das individuelle Flugzeug zu schützen, wenn ein Grenzwert von Partikelparametern überschritten wird. Insbesondere bei nicht vorhergesagten Vulkanausbrüchen kann dies die Sicherheit der Flugzeuge erhöhen. Im Mittel bricht jede Woche auf der Welt ein Vulkan aus.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Aerosolpartikelanalyse angegeben, das weiterhin folgende Schritte umfasst: Übertragung der Analysedaten von Messvorrichtungen von einer Vielzahl von Flugzeugen über eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung an eine zentrale Datenbank einer Bodenstation und Erstellen einer dreidimensionalen Partikelverteilung aufgrund der gesammelten Analysedaten und unter Berücksichtigung von meteorologischen Daten.
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Durch die Bildung eines Mess- bzw. Analysedatennetzes von mehreren Linienflugzeugen, die jeweils mit einem Partikelsensor bestückt sind, kann insbesondere entlang von Flugrouten ein genaues und aktuelles Bild der Partikelbelastung gewonnen werden. Mit Hilfe dieser umfangreichen Messdaten können weitere Berechnungen an einer zentralen Datenbank am Boden durchgeführt werden. Die in situ gemessenen Daten sind so aufbereitet dass sie mittels Telemetrie schnell und einfach übertragen werden können. Hierbei ist auch eine weltweite Erreichbarkeit wie z. B. Internet möglich oder es können Satelliten-Kommunikationswege genutzt werden. Die Bündelung der Daten in einer zentralen Datenbank erlaubt auch die Nutzung von Daten anderer Bodenstationen oder Forschungsinstitute.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das weiterhin Flugsperrzonen bei Grenzwertüberschreitungen auf Grundlage der dreidimensionalen zeit- und ortabhängigen Partikelverteilung festlegen kann.
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Die dreidimensionalen Partikelverteilungen können als Basis für Luftraumsperrungen oder -freigaben verwendet werden. Dabei können die Anweisungen bzw. Warnungen oder Umleitungen an die Piloten wie die Messergebnisse über drahtlose Kommunikation übertragen werden. Hierbei ist auch eine Zusammenarbeit mit der Flugsicherung möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogrammelement bereitgestellt, das wenn es durch einen Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die oben genannte Verfahrensschritte durchzuführen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein Computerprogrammelement gespeichert ist, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die oben genannten Verfahrensschritte auszuführen.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine schematische Darstellung einer Partikelmessvorrichtung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispielse einer Partikelmessvorrichtung.
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3 zeigt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ein System von zwei Flugzeugen mit Messvorrichtungen und einer Bodenstation mit einer zentralen Datenbank.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine Messvorrichtung 100 mit einem Einlass 102, der ausgelegt ist, die Aerosolluftprobe 101 durch Staudruck zur Messkammer 104 zu transportieren. Dies bedeutet, dass der Einlass nach vorne ausgerichtet ist. Diese Messvorrichtung kann beispielsweise einfach an einen Pylon unter dem Tragflügel befestigt werden (nicht dargestellt).
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Der Messkammer 104 ist eine Heizvorrichtung 103 vorgeschaltet, um feste von flüssigen Partikeln zu trennen. Die Verdampfung kann beispielsweise bei Temperaturen von etwa 100°C erfolgen. In größeren Höhen können auch Eispartikel vorliegen und durch den Heizschritt ebenfalls in die Dampfphase übergehen. Die Messung der Partikel wird durch ein optisches Verfahren insbesondere einem Laserstrahl 105 vorgenommen. Der Volumenfluss der Gasprobe wird durch eine geeignete Durchflussmessvorrichtung 106 vorgenommen. Das Auslasssystem 107 leitet die vermessene Luft 108 wieder nach außen ab.
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Es wäre auch möglich, die Heizvorrichtung zwischen zwei Messkammern zu installieren, um somit die Partikelkonzentration mit und ohne Flüssigkeitsabtrennung vornehmen zu können. Als typische Aerosole können neben dem festen Aschestaub auch Sulfataerosole, die insbesondere bei Vulkanausbrüchen auftreten, vermessen werden.
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Die in 1 dargestellte Messvorrichtung 100 kann in ein Gehäuse oder zusammen mit anderen Messvorrichtungen in einem sogenannten „wing pod” eingebaut werden. Diese Gehäuse bzw. „wing pods” können einfach an Flugzeugtragflächen montiert werden. Ist die Bauform für einen Flugzeugtyp zugelassen, können sie schnell bei Bedarf im Linienbetrieb eingesetzt werden. Relativ kleine Lasermessvorrichtungen können kostengünstig für in situ Partikelmessungen zur Verfügung gestellt werden.
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Falls für mehrere Messvorrichtungen Platz zur Verfügung steht, kann beispielsweise eine Messvorrichtung für die Größenverteilung der Grobpartikel verwendet werden und eine weitere Vorrichtung für die Partikel im Akkumulationsmode. Mit Hilfe der durch die Messvorrichtungen erfassten Analysedaten wie Partikelanzahl oder Größenverteilung kann in Kombination mit den Flugzeugpositionsdaten die zeitliche und räumliche Verteilung des atmosphärischen Aerosols bestimmt werden, um seine lokalen sowie globalen Gefahrenpotentiale in situ beurteilen zu können.
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2 stellt eine weitere Ausführungsform einer Messvorrichtung 200 schematisch dar. Der Einlass 202 kann beispielsweise an der Flugzeugdecke (obere Flugzeughaut 210) in einer geeigneten Öffnung installiert sein. Im dargestellten Beispiel ist der Einlass vorwärtsgerichtet, d. h. in die Flugrichtung (siehe Pfeil). Die Teilstromentnahme des Probengases 201 erfolgt durch eine Pumpe 208. Der Einlass sollte soweit über die Außenhaut herausragen, dass die Probenahme nicht durch die Flugzeuggrenzschicht beeinflusst wird. Die Heizvorrichtung 203 ist bei dieser Ausführungsform als Beheizung des Rohrsystemes ausgeführt. Mit geeigneten Temperatursensoren 204 kann die eingestellte Temperatur überwacht werden.
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Die Messvorrichtung basiert auf ein optisches System, bei dem zwei Laserstrahlen 205 von einer Vorrichtung 206 auf einen Probenahmenabschnitt gerichtet werden. Die Messungen werden an der Schnittstelle der beiden Strahlen durchgeführt. Die in der Probe enthaltenen Partikel streuen das Licht. Messdetektoren 211 erfassen die Streusignale und über geeignete Signalprozessierung wie eine Pulshöhenanalyse 212 kann die Analysevorrichtung 213 eine Partikelgrößenverteilung bzw. Anzahldichte berechnen. Die Analysedaten können über eine Kommunikationsstelle wie einen Transceiver 214 an ein weiteres Flugzeugsystem wie den Bordcomputer (nicht dargestellt) weitergegeben werden.
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Die Messdaten können entweder im Bordcomputer oder in der Analysevorrichtung 213 mit Grenzwerten verglichen werden. Bei Überschreitung eines Grenzwertes kann ein Warnsignal direkt in das Cockpit übermittelt werden.
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Die gemessene Probeluft 209 wird durch ein Auslasssystem 207 abgeleitet. Dieser Auslass kann auch in einer weiteren Öffnung der Außenhaut angeordnet sein. Auf diese Weise wird die durch die Heizvorrichtung erwärmte Luft nicht in einen Innenraum des Flugzeuges transportiert sondern an die Außenluft abgegeben.
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3 zeigt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ein System von zwei Flugzeugen 311, 304 mit Messvorrichtungen 301, 302 und einer Bodenstation 307 mit einer zentralen Datenbank. Die zwei dargestellten Flugzeuge 304, 311 sind nur beispielhaft für eine Vielzahl von Flugzeugen dargestellt. Die Messvorrichtungen 301 und 302 sind als Messsonden unter der Tragfläche ausgestaltet. Die Messvorrichtung 302 kann beispielsweise die grobe Partikelfraktion messen, während die Messvorrichtung 301 die feinen Partikel vermisst. Insbesondere die größeren Partikel können als Indikator für junge Rauchfahnen beispielsweise von Vulkanen genommen werden, da die größeren Partikel in der Regel eine geringere Verweilzeit in der Atmosphäre besitzen als feinere Partikel.
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In dem Flugzeug 304, das wie das Flugzeug 311 als normales Passagier- oder Frachtflugzeug verwendet werden kann, wird ein gleichartiger Partikelsensor 302 eingebaut. Hier findet die Probenahme über eine Deckenöffnung des Flugzeuges 304 statt. Der Einlass 303 ist in die Flugrichtung ausgerichtet, um alle Partikel zu erfassen. Die Messvorrichtung 302 ist beispielsweise in einem Frachtraum untergebracht. Die Messvorrichtung kann in einem Rack installiert sein. Dieses Rack kann noch weitere Messvorrichtungen und Komponenten enthalten, um andere Partikelfraktionen zu vermessen oder mit verschiedenen Temperaturbereichen, um volatile Fraktionen wie flüssiges Wasser oder Schwefelsäure stufenweise abzutrennen. Weiterhin können Messgrößen wie Ruß oder Spurengase wie Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Ozon, Stickoxide gemessen werden. Geeignete Massenspektrometer können auch die chemische Zusammensetzung der Aerosole bestimmen. Weiterhin kann die Messvorrichtung um diskontinuerliche Messmethoden wie die Sammlung von Partikeln auf Filtern ergänzt werden. Diese Filter können zu einem späteren Zeitpunkt chemisch untersucht werden.
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Die Analysedaten können über eine drahtlose Kommunikationseinrichtung 306 (siehe Doppelpfeile) an eine Bodenstation 307 übermittelt werden. Diese Bodenstation ist mit einer zentralen Datenbank ausgerüstet, die die Messdaten aller mit Messvorrichtungen 302 ausgestatteten Flugzeugen sammeln kann. Unter Hinzunahme von Modellierungstools wie Trajektorien oder globale Transportmodelle können auf Basis der Analysedaten dreidimensionale Partikelkonzentrationsverteilungen von beispielsweise einer Vulkanrauchfahne 308 ermittelt werden. Die Datenbank kann für Vorhersagen oder zur Abdeckung der Räume jenseits der Flugrouten auch auf andere operationelle Dienste 310 von nationalen oder internationalen Zentren zurückgreifen. Zu den operationellen Diensten zählen beispielsweise der Deutsche Wetterdienst (DWD) in Deutschland oder die internationale Organisation European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Metereologische Basisdaten können zusätzlich aktuell vom Flugzeug mitübertragen werden.
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Die ermittelten räumlichen und zeitlichen Verteilungen der Partikelbelastung können mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden und daraufhin für begrenzte Gebiete gegebenenfalls Luftraumsperren an die Flugsicherung weitergegeben werden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Aerosolpartikelanalyse. Im ersten Verfahrensschritt wird Probenahmeluft geheizt, um Wasser aus der Flüssig- oder Eisphase in Dampfform zu überführen. Im Verfahrensschritt 402 werden die Aerosolpartikelmessdaten erfasst. Dies kann beispielsweise mit einem optischen Verfahren geschehen, wobei bei einem Spektrometer die Messdaten in Form eines Spektrums dargestellt werden können. Diese Messdaten werden im Verfahrensschritt 403 so analysiert, dass die physikalischen Eigenschaften der festen Aerosolpartikel berechnet werden können. Diese Analysedaten können in Schritt 406 an ein weiteres internes Flugzeugsystem wie der Bordcomputer drahtgebunden oder drahtlos übertragen werden.
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Ergibt der Verfahrensabschnitt 404, der den ermittelten Wert x mit einem vorgegebenen Grenzwert y vergleicht, dass der Grenzwert y überschritten wurde, wird im Verfahrensschritt 405 ein Warnsignal ausgegeben. Dieses kann individuell von dem Flugzeugführer genutzt werden, nachdem es an das Cockpit wie im Schritt 406 übertragen worden ist.
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Die an Bord in Echtzeit gesammelten Daten können in ein System einfließen, das sich aus einer Bodenstation und/oder einer Vielzahl von Flugzeugen zusammensetzt. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Partikelmessdaten zentral in einer Bodenstation gesammelt werden und daraufhin räumliche und zeitliche Verteilungen berechnet werden. Diese dreidimensionalen Verteilungen können als Basis für mögliche Flugsicherungsmaßnahmen herangezogen werden. Dabei ist ein schnelles und globales Kommunikationssystem Basis für ein aktuelles Warnsystem bei Überschreitung von Grenzwerten. Aufgrund dieses Verfahrens können Extremsituationen wie Vulkanausbrüche kurzfristig und aktuell beurteilt werden. Auf diese Weise sind eine bessere Organisation von Luftraumsperrungen und möglichst geringe Schäden für die Volkswirtschaft möglich.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
