DE102010045450B4

DE102010045450B4 - Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010045450B4
Application number: DE102010045450A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Peuser Peter; Dr. Wolff Christian; Dr. Gammel Franz; Dr. Dalle Donne Claudio
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: WO2012048675A2; DE102010045450A1; WO2012048675A3

Abstract

Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs (24) eines Luftfahrzeugs (10) durch Bestrahlung des Oberflächenbereichs (24) mit einem Laser (40) einer Wellenlänge von weniger als 900 nm, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Verzögerungsplatte (42) umfasst, welche von der Strahlung (30) des Lasers (40) passierbar ist und die in Abhängigkeit von einem Auftreffpunkt (32) auf dem Oberflächenbereich (24) verstellbar ist, so dass die Strahlung des Lasers parallel zur Einfallsebene polarisiert (34) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs eines Luftfahrzeugs durch Bestrahlung des Oberflächenbereichs mit einem Laser einer Wellenlänge von weniger als 900 nm.
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.
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.
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.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der DE 10 2008 033 025 A1 bekannt, die einen Laser zur Bestrahlung des Oberflächenbereichs mit einer Wellenlänge umfasst, bei der sowohl der Oberflächenbereich selber als auch daran anhaftendes Eis oder Wasser zur Vermeidung einer Eisbildung erwärmt wird. Nachteilig dabei ist, dass der zur Erwärmung des Eises bzw. des Wassers erforderliche Energiebedarf erheblich ist, so dass insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder aufgrund besonderer Umweltbedingungen einer erhöhten Vereisungsneigung nicht ausreichend oder nur bei Verwendung leistungsfähiger und damit baulich und hinsichtlich des Energiebedarfs großer Laser entgegengewirkt werden kann.
Aus der Druckschrift „J. Wagner: „Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Heidelberg-Praktikum für Chemiker, Versuch 231 Polasisieres Licht; V. 0.1. Stand 08/2005” beispielsweise ist es bekannt, die Strahlung eines Lasers parallel zu der Einfallsebene zu polarisieren, um den Reflexionskoeffizenten unter Berückichtigung eines veriierenden Einfallswinkels so klein wie möglich zu halten.
Aus „Laser Components GmbH: Verzögerungsplatten; 05/10/IF/V1” ist es bekannt, Verzögerungsplatten zur Phasenverschiebung von Laserlicht zu verwenden.
Aus der US 6 206 325 B1 ist eine gattungsgemäße Anordnung zur Eisentfernung von Tragflächen mittels Laserstrahlung bekannt.
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.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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. Dabei 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. Dabei 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.
Die erfindungsgemäße 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.
Die Verzögerungsplatte ist vorzugsweise eine λ/2-Platte.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Beschichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als Folie ausgebildet sein, die auf den Oberflächenbereichen angebracht wird. Das vereinfacht die Anbringung der Oberflächenbeschichtung.
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.
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. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: eine schematische Teilfrontalansicht eines Luftfahrzeuges;
2: eine schematische Teildraufsicht des anderen Luftfahrzeuges,
3: eine schematische Draufsicht eines dritten Luftfahrzeugs,
4: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung gemäß der Erfindung.
Das in 1 teilweise dargestellte Luftfahrzeug 10a umfasst einen Rumpf 12, zwei Tragflächen 14, von denen nur eine – die backbordseitige – vollständig dargestellt ist, ein Höhenleitwert 16, von dem ebenfalls nur das backbordseitige dargestellt ist und ein Seitenruder 18. An der Tragfläche 14 ist ein Triebwerk 20 befestigt.
Am Flugzeugrumpf 12 ist vor der Tragfläche 14 eine Laseranordnung 22a angebracht, deren Laserstrahl auf die Vorderkante 24 der Tragfläche 14 sowie des ringförmigen Einlaufbereichs des Triebwerks 22 gerichtet werden kann. Achsensymmetrisch bezüglich der Flugzeugmittelachse ist auf der anderen Seite, der Steuerbordseite, eine nicht dargestellte zweite Laseranordnung vorgesehen, welche die nicht dargestellte Steuerbordtragfläche bestrahlt.
Im Heckbereich ist oben am Flugzeugrumpf eine dritte Laseranordnung 22b angebracht, welche die Vorderkanten 26 des Seitenruders 18 bestrahlt. Ferner sind beiderseits vor den Höhenrudern 16 zwei Laseranordnungen 22c (von denen nur die backbordseitige dargestellt ist) angeordnet, welche die Vorderkanten 24 der Höhenruder 16 bestrahlen.
Die fünf Laseranordnungen 22a, 22b, 22c werden bei Bedarf derart gesteuert, dass diese die entsprechenden Vorderkanten 24, 26 der Trag- und Leitflächen bestrahlen, insbesondere wenn dort eine Eisbildung stattgefunden hat.
In 2 ist ein ähnliches Luftfahrzeug 10b dargestellt, das sich von dem Luftfahrzeug 10a aus 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass im Heckbereich nur eine Laseranordnung 22b vorgesehen ist, die sowohl das Seitenruder als auch die Höhenruder 16 bestrahlt.
In 3 ist anhand eines Luftfahrzeuges 10c darstellt, wie die Laserstrahlung polarisiert ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile wie in 1 und 2. Der von der Laseranordnung 22a ausgehende Laserstrahl 30 trifft im Auftreffpunkt 32 auf die Tragflächenvorderkante 24 in einem Winkel α zur Normalen. Die Laserstrahlung ist dabei in der Einfallsebene polarisiert, die durch den Laserstrahl 30 und dessen nicht gezeigten reflektierten Anteil definiert ist. Dabei beträgt der Winkel zwischen Laserstrahl 30 und reflektiertem Strahl 2a. Die Polarisation des Laserstrahls 30 in dieser Ebene ist durch die Pfeile 34 dargestellt.
Bei dem in 3 dargestellten Einfallswinkel α von ca. 80° wird nur etwa 23,5% der einfallenden, in der Einfallsebene polarisierten Laserstrahlung reflektiert, während bei einem senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Licht ca. 43,5% reflektiert wird.
In 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Laseranordnung 22 dargestellt, die aus einem Diodenlaser 40 besteht, der eine verstellbare Verzögerungsplatte 42 nachgeschaltet ist sowie eine Ausrichtvorrichtung 44. Eine zentrale Kontrolleinrichtung 46 regelt diese Baugruppen 40, 44, 46 derart, dass der erzeugte Laserstrahl 30 einen vorgegeben Auftreffpunkt 32 (3) derart trifft, dass die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 30 in der Einfallsebene liegt. Dazu wird die Ausrichtvorrichtung 44 und die Verzögerungsplatte 42 stets gemeinsam verstellt, um diese Bedingung zu erfüllen.
Die Laseranordnung 22b zur Bestrahlung der Leitwerksflächen kann darüber hinaus oder alternativ zur Verzögerungsplatte 42 eine Kippeinrichtung für den Diodenlaser 40 umfassen, um diesen um 90° zur Längsachse zu drehen und auf diese Weise sicherzustellen, dass die Polarisation in der Einfallsebene des Laserstrahls bei dem vertikalen Seitenruder genauso erfüllt ist wie bei den horizontalen Höhenrudern.
In Betrieb wird durch manuelles Einschalten durch den Piloten die Laseranordnung 22a aktiviert, so dass der erzeugte Laserstrahl 30 die gesamte Erstreckung der Tragflächenvorderkante 24 entlang streicht und dabei größtenteils durch die Eisschicht hindurchstrahlt und auf die Oberfläche der Tragfläche 14 auftrifft, wo der größte Anteil in Wärme umgewandelt wird. Die so erwärmte Oberfläche schmilzt dann die anhaftende Eisschicht auf und führt damit zu einer Lockerung der Eisschicht, die in Folge dessen aufbrechen und abfallen wird. Die Dauer der Bestrahlung wird abhängig von den äußeren Bedingungen wie Außentemperatur oder geschätzte bzw. gemessene Eisschichtdicke gewählt werden.
Auf gleiche Weise wie hier beschrieben, werden die anderen Laseranordnungen 22b, 22c betrieben.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Laseranordnungen 22 nach einer pilotengesteuerten Einschaltung automatisiert periodisch von der Kontrolleinrichtung 46 zu aktivieren, um eine Vereisung im Ansatz zu verhindern.

Claims

Anordnung zur Enteisung eines Oberflächenbereichs (24) eines Luftfahrzeugs (10) durch Bestrahlung des Oberflächenbereichs (24) mit einem Laser (40) einer Wellenlänge von weniger als 900 nm, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Verzögerungsplatte (42) umfasst, welche von der Strahlung (30) des Lasers (40) passierbar ist und die in Abhängigkeit von einem Auftreffpunkt (32) auf dem Oberflächenbereich (24) verstellbar ist, so dass die Strahlung des Lasers parallel zur Einfallsebene polarisiert (34) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (40) ein Halbleiterlaser ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (40) eine Wellenlänge von ca. 800 nm aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der laserbestrahlte Oberflächenbereich (24) eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, bei der mindestens 50% der auftreffenden Laserstrahlung absorbierbar und in Wärme umwandelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich (24) mit einer Beschichtung versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen Farbstoff enthält, dessen Reflektionswellenlängenbereiche nicht die Laserwellenlänge umfassen.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich (24) mit einer Laserlicht absorbierenden Folie versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägermatrix des Oberflächenbereichs (24) strahlungsabsorbierende Bestandteile enthalten sind.