DE102010045450A1 - Arrangement for deicing a surface area of an aircraft - Google Patents
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Abstract
Eine Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs (24) eines Luftfahrzeugs (10c) durch Bestrahlung des Oberflächenbereichs (24) mittels Laserstrahlung benutzt Laserstrahlung (30) einer Wellenlänge von weniger als 900 nm, die parallel zu der Einfallsebene der Strahlung (30) polarisiert (34) ist. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad der Energieumsetzung verbessern und damit können kleinere und leichtere Enteisungssysteme verwendet werden.An arrangement for deicing a surface area (24) of an aircraft (10c) by irradiation of the surface area (24) by means of laser radiation uses laser radiation (30) of a wavelength of less than 900 nm which polarizes parallel to the plane of incidence of the radiation (30) (34). is. This can improve the efficiency of energy conversion and thus smaller and lighter de-icing systems can be used.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs eines Luftfahrzeugs mit einem Laser zur Bestrahlung des Oberflächenbereichs zu dessen Erwärmung.The invention relates to an arrangement for deicing a surface area of an aircraft with a laser for irradiating the surface area for its heating.
Eis bildet sich an exponierten Stellen von Luftfahrzeugen wie Vorderkanten von Flügeln, Leitwerken und horizontalen Stabilisatoren, wenn das Luftfahrzeug, wie beispielsweise ein Flugzeug durch eine Wolke fliegt, die unterkühlte Wassertröpfchen enthält oder Tropfen/Feuchtigkeit auf eine unterkühlte Flugzeugstruktur treffen. Wenn eine Eisschicht wächst, beeinträchtigt sie die Luftströmung über der betroffenen Oberfläche. Wenn die Schicht groß genug wird, können Tragprobleme oder Handhabungsprobleme für das Luftfahrzeug entstehen. Eine Eisansammlung an der Vorderkante, insbesondere dem Lufteinlassbereich eines Triebwerkeinlasses verursacht Strömungsprobleme und kann zu einer Eisaufnahme führen. Bei Turbofan-Triebwerken wird eine laminare Luftströmung an der Vorderseite des Fans benötigt. An Staustrahlrohren, die zur Messung der Geschwindigkeit genutzt werden, kann Eisbildung den Lufteinlass blockieren und so zu falschen Messwerten führen oder sogar zum Ausfall des Messsystems.Ice forms in exposed areas of aircraft such as leading edges of wings, tail units, and horizontal stabilizers when the aircraft, such as an aircraft, is flying through a cloud containing supercooled water droplets or encountering drops / moisture on a subcooled aircraft structure. As a layer of ice grows, it affects the flow of air over the affected surface. When the layer becomes large enough, it can cause problems of handling or handling the aircraft. Ice accumulation at the leading edge, particularly the air inlet area of an engine inlet, causes flow problems and can lead to ice pick-up. Turbofan engines require a laminar flow of air at the front of the fan. On turbulence tubes, which are used to measure the speed, ice formation can block the air inlet and thus lead to incorrect readings or even failure of the measuring system.
Aufgrund dieser Probleme sind bereits Eisschutzsysteme bei Luftfahrzeugen im Einsatz, um eine solche Eisbildung zu vermeiden. Die meisten Eisschutzsysteme sind als Anti-Eissysteme zum Vermeiden einer Eisbildung ausgebildet. Hierzu sind in der Regel Struktur-integrierte Heizsysteme vorgesehen. Während des Fluges unter Vereisungsbedingungen werden Flügelkanten z. B. mit heißer Abzweigluft oder Verdichterzapfluft (sog. bleed air) oder durch elektrische Heizungen in den Flügelkanten beheizt. Zudem sind, vor allem in kleineren Flugzeugen, pneumatisch betriebene Enteisungsvorrichtungen im Einsatz, welche an der Flügelvorderkante integrierte Gummimatten bzw. Gummischläuche in regelmäßigen Abständen aufblasen, wodurch ein Ablösen von angelagertem Eis erzielt wird.Because of these problems, ice protection systems are already in use on aircraft to avoid such ice formation. Most ice protection systems are designed as anti-icing systems to prevent ice formation. For this purpose, structure-integrated heating systems are usually provided. During the flight under icing conditions wing edges z. B. with hot branch air or compressor bleed air (so-called bleed air) or heated by electric heaters in the wing edges. In addition, especially in smaller aircraft, pneumatically operated de-icers are in use, which inflate at the leading edge of the blade integrated rubber mats or rubber hoses at regular intervals, whereby a detachment of attached ice is achieved.
Dabei sind die herkömmlichen Enteisungsmaßnahmen mit einem hohen energetischen Aufwand während des Fluges verbunden. An energetischem Aufwand für das Freimachen von Oberflächen des Luftfahrzeuges von Eis fallen etwa 240 bis 260 kW an Abzweigluftleistung oder ca. 130 bis 150 kW elektrischer Heizleistung für eine zu enteisende Fläche von ca. 12 bis 15 m2 an. Diese Daten entsprechen im Falle von Abzweigluft Flächenleistungen von ca. 18,5 kW/m2 bzw. etwa 10 kW/m2 bei elektrischer Heizung.The conventional de-icing measures are associated with a high energy expenditure during the flight. At energetic cost for clearing surfaces of the aircraft of ice fall about 240 to 260 kW of branch air power or about 130 to 150 kW electrical heating power for an area to be deiced of about 12 to 15 m 2 . In the case of branch air, these data correspond to area outputs of approx. 18.5 kW / m 2 or approx. 10 kW / m 2 for electrical heating.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung dahingehend zu verbessern, dass eine Enteisung mit geringerem Energieaufwand bzw. einem größeren Gesamtwirkungsgrad möglich ist.Proceeding from this, the invention has the object to improve a generic arrangement to the extent that a de-icing with less energy or a greater overall efficiency is possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention the object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die parallel zur Einfallsebene auf den bestrahlten Oberflächenbereich polarisierte Laserlichtstrahlung zu einem größeren Anteil von dem Oberflächenbereich absorbiert wird als anders polarisierte Strahlung, was zur Folge hat, dass der Oberflächenbereich stärker erwärmt wird. Damit erfolgt eine wirksame Abschmelzung der Grenzschicht von am bestrahlten Oberflächenbereich anhaftendem Eis, wodurch das Eis die Haftung am Oberflächenbereich verliert und leicht abfallen kann. Beispielsweise bei einer mit einem größeren Einfallswinkel – der beim Bestrahlen von äußeren Tragflächenbereichen gegeben wäre – senkrecht zur Einfallsrichtung polarisierten Strahlung wäre erheblich mehr Energie erforderlich. Durch die Erfindung lässt sich der Wirkungsgrad der Energieumsetzung bei der Enteisung verbessern und damit können kleinere und leichtere Enteisungssysteme verbaut werden.The essential advantage of the invention is that the laser light radiation polarized parallel to the plane of incidence on the irradiated surface area is absorbed to a larger extent by the surface area than differently polarized radiation, with the result that the surface area is heated more strongly. Thus, an effective melting of the boundary layer of adhering to the irradiated surface area ice, whereby the ice loses adhesion to the surface area and can easily fall off. For example, in the case of a radiation that is polarized perpendicular to the direction of incidence with a larger angle of incidence-which would be present when irradiating external wing areas-significantly more energy would be required. The invention makes it possible to improve the efficiency of the energy conversion during the de-icing and thus smaller and lighter de-icing systems can be installed.
Durch die Verwendung einer Laserwellenlänge von weniger als 900 nm wird darüber hinaus erreicht, dass nur ein kleiner Anteil der Laserstrahlung vom Eis selber absorbiert wird, vielmehr die meiste Strahlung das Eis passiert und erst an dem Oberflächenbereich selber absorbiert wird. Gegenüber der herkömmlichen Enteisung lässt sich daher eine ganz wesentliche Energieeinsparung erzielen.By using a laser wavelength of less than 900 nm is achieved beyond that only a small portion of the laser radiation is absorbed by the ice itself, but most of the radiation passes through the ice and is absorbed only at the surface area itself. Compared to conventional deicing, therefore, a very substantial energy saving can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser ein Halbleiterlaser, besonders bevorzugt ein Diodenlaser. Derartige Laser haben den Vorteil einer von Haus aus polarisierten Strahlung bei einem hohen Wirkungsgrad von 60–70% und ermöglichen die Erzeugung hoher Energien bei kompaktem Bauraum, so dass sich diese insbesondere zur Anbringen an Luftfahrzeugen eignen.According to an advantageous development of the invention, the laser is a semiconductor laser, particularly preferably a diode laser. Such lasers have the advantage of inherently polarized radiation with a high efficiency of 60-70% and allow the generation of high energies at compact space, so that they are particularly suitable for attachment to aircraft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Laser eine Wellenlänge von ca. 800 nm auf. Diese Wellenlänge von den besonders bevorzugten Diodenlasern hat eine nochmals verminderte Absorptionsrate in Eis, die gegenüber einer Wellenlänge von 900 nm nochmals mehr als halbiert ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the laser has a wavelength of about 800 nm. This wavelength of the particularly preferred diode lasers has a further reduced absorption rate in ice, which is again more than halved compared to a wavelength of 900 nm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Anordnung eine Verzögerungsplatte, welche von der Strahlung des Lasers passiert wird, wodurch deren Polarisationsrichtung änderbar ist. Somit lässt sich der Laser baulich optimal montieren und durch die entsprechend angepasste Verzögerungsplatte wird die Laserstrahlung in die gewünschte Polarisationsrichtung gebracht. Die Verzögerungsplatte ist vorzugsweise eine λ/2-Platte.According to a further advantageous embodiment of the invention, the arrangement comprises a retardation plate, which is passed by the radiation of the laser, whereby their polarization direction is changeable. Thus, the laser can be structurally optimally mounted and the laser radiation is brought into the desired polarization direction by the appropriately adapted retardation plate. The retardation plate is preferably a λ / 2 plate.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Verzögerungsplatte in Abhängigkeit von einer Strahlungsrichtung des Lasers verstellbar. Durch ein Verdrehen der Verzögerungsplatte in Umfangsrichtung um die Strahlmittelachse lässt sich die Polarisation des Laserstrahles stufenlos verändern. Damit lässt sich erreichen, dass auch bei Bestrahlung von Oberflächenbereichen, die durch deren Formgebung eine gegenüber der Umgebung abweichende Einfallsebene aufweisen, die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung entsprechend verändert werden kann. Diese Anordnung ist insbesondere von Vorteil, um die Einlaufbereiche von Triebwerken zu bestrahlen. Dazu ist vorzugsweise eine Verstelleinrichtung für die Verzögerungsplatte vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Strahlungsrichtung die Verzögerungsplatte verstellt und damit den Polarisationswinkel so einstellt, dass dieser stets parallel zur Einfallsebene liegt.According to a further advantageous development of the invention, the retardation plate is adjustable as a function of a radiation direction of the laser. By rotating the retardation plate in the circumferential direction about the beam center axis, the polarization of the laser beam can be varied steplessly. This makes it possible to achieve a corresponding change in the polarization direction of the laser radiation even when surface areas are irradiated, which have a plane of incidence deviating from the surroundings due to their shape. This arrangement is particularly advantageous for irradiating the inlet areas of engines. For this purpose, an adjusting device for the retardation plate is preferably provided, which adjusts the retardation plate as a function of the direction of radiation and thus adjusts the polarization angle such that it is always parallel to the plane of incidence.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der laserbestrahlte Oberflächenbereich eine Oberflächenbeschaffenheit auf, bei der mindestens 50% der auftreffenden Laserstrahlung absorbierbar und in Wärme umwandelbar ist. Durch eine entsprechende Oberflächengestaltung kann erreicht werden, dass bei der gewählten Laserwellenlänge möglichst ein Absorptionsmaximum vorliegt und ein entsprechend hoher Strahlungsanteil in nutzbare Wärme umgewandelt wird.According to a further advantageous development of the invention, the laser-irradiated surface area has a surface condition in which at least 50% of the incident laser radiation is absorbable and convertible into heat. By an appropriate surface design can be achieved that at the selected laser wavelength as possible, an absorption maximum is present and a correspondingly high proportion of radiation is converted into usable heat.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Oberflächenbereich mit einer Beschichtung versehen. Das ermöglicht eine baulich einfache Anpassung der bestrahlten Oberflächenbereiche an die Laserstrahlung. Hierfür eignen sich insbesondere Beschichtungen mit organischen Molekülen oder kohlenstoff-basierte Beschichtungen. Die Beschichtung kann dabei direkt auf die Oberflächenbereiche aufgetragen oder in Trägermatrices wie organischen Lacken, Sol-Gel-Schichten oder porösen Trägern (z. B. Anodisierschichten) eingearbeitet oder eingebaut sein. Besonders geeignet sind Schichten mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, um ein Abfließen der Wärme durch Wärmeleitung in die Struktur zu vermeiden und möglichst vollständig in der Grenzfläche zum Aufschmelzen von Eis bzw. zur Verhinderung eines Eisaufbaues zur Verfügung zu stehen.According to a further advantageous development, the surface area is provided with a coating. This allows a structurally simple adaptation of the irradiated surface areas to the laser radiation. For this purpose, in particular coatings with organic molecules or carbon-based coatings are suitable. The coating can be applied directly to the surface regions or incorporated or incorporated into carrier matrices such as organic paints, sol-gel coatings or porous supports (eg anodization coatings). Particularly suitable are layers having a low thermal conductivity, in order to prevent the heat from flowing away into the structure by heat conduction and to be available as completely as possible in the interface for melting ice or preventing ice build-up.
Die Beschichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als Folie ausgebildet sein, die auf den Oberflächenbereichen angebracht wird. Das vereinfacht die Anbringung der Oberflächenbeschichtung.The coating may be formed according to an advantageous development as a film which is attached to the surface areas. This simplifies the attachment of the surface coating.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser am Luftfahrzeug angebracht. Dies ermöglicht eine Eisschichtentfernung während des Fluges und am Boden unabhängig von örtlichen Gegebenheiten. Es ist allerdings im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Laser an einer bodengestützten Vorrichtung anzubringen um beliebige Luftfahrzeuge am Boden enteisen zu können. In diesem Fall wird man vorzugsweise die Enteisungsanordnung mit einer Druckluftvorrichtung koppeln, welche die mittels Laserstrahl gelockerte Eisschicht aufbricht und entfernt.According to an advantageous embodiment of the invention, the laser is mounted on the aircraft. This allows ice-layer removal during flight and on the ground, regardless of local conditions. However, it is within the scope of the invention also possible to attach the laser to a ground-based device to be able to deice any aircraft on the ground. In this case, it is preferable to couple the de-icing arrangement with a compressed air device which breaks up and removes the ice layer loosened by the laser beam.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer separaten oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, optionally also independent of the claims, per se or in any meaningful combination, and in particular can additionally also be the subject of a separate or several separate application (s). The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
Das in
Am Flugzeugrumpf
Im Heckbereich ist oben am Flugzeugrumpf eine dritte Laseranordnung
Die fünf Laseranordnungen
In
In
Bei dem in
In
Die Laseranordnung
In Betrieb wird durch manuelles Einschalten durch den Piloten die Laseranordnung
Auf gleiche Weise wie hier beschrieben, werden die anderen Laseranordnungen
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Laseranordnungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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