DE19750198C2 - Enteisung von Flugzeugen mit Mikrowellen - Google Patents
Enteisung von Flugzeugen mit MikrowellenInfo
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Abstract
Die Enteisung an Flugzeugen wird mittels Mikrowellen durchgeführt. Vereisungsgefährdete, strömungstechnisch bedeutsame Zonen am Flugzeug bestehen aus Verbundwerkstoffen, deren dielektrische Bereich für Mikrowellen oberhalb 20 GHz gut durchlässig sind. Zur Führung der Mikrowelle taugliche Hohlleiter werden bis an diese Zonen im Innern herangeführt, wo dann die Mikrowelle ausgekoppelt und diese Zone durch Aufwärmung des Dielektrikums eisfrei hält oder durch Erwärmung der Grenzschicht der eventuell schon anliegenden Eisschicht diese rasch davon wieder befreit.
Description
Die Erfindung betrifft ein avionisches Enteisungssystem zur prä
ventiven Verhinderung von Vereisung oder zur Enteisung an verei
sungsgefährdeten Zonen eines Flugzeugs mittels Mikrowellen.
Während eines Fluges kann aufgrund meterologischer Bedingungen
eine Vereisungssituation für das Flugzeug auftreten. Der Ansatz
von Eis am Flugzeug beeinträchtigt insbesondere bei den aerody
namisch tragenden, d. h. auftriebswesentlichen Strukturen das
Flugverhalten durch eine Verringerung des laminaren Strömungs
flusses bis zum Abreißen des Luftstromes bei niedrigen Geschwin
digkeiten.
Besonders kritische Stellen des Eisansatzes sind die Vorflügel -
das sind ausfahrbare, profilverlängernde Kanten an den Tragflü
gelvorderkanten, die eine Profilverlängerung bewirken und den
Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten unterstützen -, Flügel-
und Leitwerksnasen, Außenflügel, Triebwerkseinläufe, Vorderkan
ten der Höhen- und Seitenruder, Cockpitfenster PAX-Türen und
Frachttore.
Wegen dieser für die Flugsicherheit hochbedeutsamen Bereiche
existieren verschiedene Standardverfahren für die Enteisung:
- - Warmluftenteisung - dabei wird den Triebwerken Warmluft entnom men, die über ein Rohrsystem und Ventilen an die gefährdeten Stellen geleitet wird.
- - Flüssigkeitsenteisung - aus einem Reservoir wird Enteisungs flüssigkeit über ein Rohrsystem mit Pumpen und Ventilen aus ei nem porösen Stahlblech ausgeströmt.
- - Elektrische Enteisung - an den gefährdeten Stellen sind in der Oberfläche Enteisungsmatten (eine Art Heizmatten) aufgebracht, die ohmsche Wärme erzeugen.
Die erste und zweite Enteisungstechnik zeichnen sich durch eine
hohe Leistungsentnahme während des Fluges sowie durch die verlo
rene Wärmeenergie durch thermische Diffusion in das umgebende
metallische Tragflächenmaterial aus. Im zweiten Fall besteht ein
System, das nicht beliebig lange zur Verfügung steht weil die
Enteisungsflüssigkeit in der Menge begrenzt ist.
Anforderungen an die Flugzeugweiterentwicklung entstehen aus der
Bewältigung steigender Passagierzahlen, der Überbrückung größe
rer Reichweiten, der Senkung des Treibstoffverbrauchs und der
Einschränkung der Emission. Stets von höchster Bedeutung ist die
Flugsicherheit, woraus sich u. a. die Forderung an eine lei
stungsfähige Enteisung ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Enteisungssystem
für vereisungsgefährdete Zonen an Flugzeugen bereitzustellen,
das zuverlässig mit minimalem Energieaufwand solche Zonen wäh
rend des Fluges durch problematische Wettergebiete eisfrei hält
bzw. in kurzer Zeit eisfrei macht. Dabei müssen neue, für die
Avionik voll taugliche Verbundmaterialien in die Konstruktion
mit aufgenommen werden.
Die Aufgabe wird durch ein Enteisungssystem gemäß dem Anspruch 1
gelöst. Dielektrische Verbundwerkstoffe, die im genutzten Fre
quenzbereich hochpermeabel sind, werden zur Gestaltung der ver
eisungsgefährdeten aerodynamischen Bereiche verwendet. Diese Zo
nen werden entsprechend ihres Auftriebsbeitrags von einem Mikro
wellenleitersystem angefahren, in dem die von einer Mikrowellen
quelle ausgehende Mikrowelle geführt wird. Der Innen- und Mit
telflügel trägt z. B. maßgebend zum Auftrieb bei. Die Auskoppel
vorrichtung oder die Antenne an jedem Ende eines Wellenleitersy
stems ist optimal seiner Enteisungszone angepaßt. Im Falle meh
rerer Mikrowellenquellen besteht noch ein System an redundanten
Wellenleiterverbindungen, die durch Zu- und Wegschalten eine
oder gar mehrere ausgefallene Mikrowellenquelle/n überbrücken.
Der Unteranspruch 2 kennzeichnet geeignete, spezielle Verbundma
terialien wie CFK-/GFK-Strukturmaterialien, die avionisch als
auch mikrowellentechnisch geeignet sind.
Weiter wird ein Gyrotron als Mikrowellenquelle gekennzeichnet,
weil es für Dauerbetrieb unter Abgabe hoher Leistung besonders
geeignet und zuverlässig ist, aber auch für den Pulsbetrieb ohne
Abstriche tauglich ist (Anspruch 3). Das Magnetron kann bei
nicht großer Leistungsanforderung für den Dauerstrichbetrieb in
Betracht gezogen werden. Für den Pulsbetrieb ist es unter Be
rücksichtigung der geringeren Leistungsabgabe ebenfalls geeignet
(Anspruch 4).
Monochromatischer Betrieb der eingesetzten Mikrowellenquelle ist
die einfachste technische Betriebsweise und daher auf jeden Fall
für die Enteisung ausreichend (Anspruch 5), da sie dafür ohnehin
in der optimalen Frequenz betrieben wird.
Anspruch 6 kennzeichnet eine Art Antennenstruktur
(Leckwellenantenne) an wirklich großen Tragflügeln zur Enteisung
großflächiger, nicht direkt frontal angeströmter, gewissermaßen
nur überströmter Bereiche wie den Außenflügel.
Einerseits sind CFK/GFK-Materialien dielektrische Kunststoffe
und haben eine erheblich schlechtere thermische Leitfähigkeit
als Metalle. Andrerseits sind solche Kunststoffe für elektroma
gnetische Wellen im Bereich von 20 bis 40 GHz nahezu durchsich
tigt, d. h. hochpermeabel aber dennoch regulierbar erwärmen. Als
laminierte Strukturmaterialien sind sie extrem leicht, können
aber zu mechanisch extrem steifen Formen verarbeitet werden.
Sie können im Verbund mit im Flugzeugbau herkömmlichen Metallen
(Aluminium/Aluminiumlegierungen) zu aerodynamisch äquivalenten
Strukturen verarbeitet werden.
Da das CFK/GFK-Strukturmaterial für elektromagnetische Wellen
extrem permeabel ist - Messungen zwischen 22-40 GHz zeigen das
- wird ebenfalls das an den Grenzflächen dieser Materialien an
setzende Eis bei Mikrowelleneinfall instantan selbst erwärmt.
Die Art der Heizung ist eine Volumenheizung, dadurch entfallen
Wärmeleitungsverluste, wie sie bei der ohmschen bzw. Warmluftbe
heizung zwangsläufig bestehen. Die notwendige Heizleistung ist
dadurch in erster Näherung der Masse des Eises und der erforder
lichen Heizrate proportional. Wirkungsgradmindernde Effekte die
ses Systems können lediglich durch Verluste im Wellenleitersy
stem bzw. in der Mikrowellenquelle selbst auftreten. Daher führt
eine konsequente Optimierung und Auslegung der mikrowellentech
nischen Komponenten zu einer bestmöglichen Ausnutzung der zur
Verfügung stehenden elektrischen Leistung aus den Triebwerken.
Ein weiterer Vorteil, bedingt durch diesen hohen Frequenzbe
reich, liegt in den niedrigen Transmissionsverlusten bei der
Übertragung durch überdimensionierte Hohlleiter und in der hohen
Homogenität der elektromagnetischen Felder, die anlagetechnisch
damit erreicht werden. Damit besteht keine Gefahr, daß eine Hot
Spot/Cold Spot-Bildung am CFK/GFK-Strukturmaterial erfolgt, also
lokale Überhitzungen und daraus folgende Materialermüdung bzw. -
deformation bzw. Gebiete, die ungleichmäßig abtauen, entstehen.
Vielmehr wird das Eis sofort, gleichmäßig und kontrollierbar er
wärmt, in seiner Struktur zerstört und dann rasch von den pro
blematischen Zonen weggerissen.
Die Mikrowellenquelle wird monochromatisch oberhalb 20 GHz be
trieben. Bei einer solchen Frequenz ergeben sich keine Störungen
mit Funk- und Navigationssystemen (ATC, VOR, ADF, Transceicer:
100 MHz-1 GHz-Bereich, Transponder: < 8 GHz). Gefährdete Ver
eisungszonen am Flugzeug können durch lokales Anschalten des
Enteisungssystems vorbeugend eisfrei gehalten werden, d. h. die
sehr kleinen Eistropfen (ca 15-40 Micron groß) werden im HF-
Feld durch direkten Wärmeübergang abgehalten, auf diesen Zonen
zu kondensieren. Das ist vom Leistungsbedarf her verhältnismäßig
gering, da dieser für den kontinuierlichen Betrieb unterhalb der
zur tatsächlichen Enteisung notwendigen Leistung liegt.
Die getrennte Speisung der verschiedenen Wellenleitersysteme er
laubt eine selektive Kontollierbarkeit und Steuerung des Entei
sungsprozesses. Die verschiedenen Zonen können einzeln mit ge
ringer bis sehr hoher kontinuierlicher Leistung gespeist werden,
womit Eisfreihaltung (präventive Enteisung) bis zur plötzlich
notwendigen Enteisung wahlweise je nach Bedarf durchgeführt wer
den kann.
Ein überdimensionierter Redundanzwellenleiter, der den Ausgang
zweier Mikrowellenquellen verbindet, minimiert die Leitungsver
luste im Falle des Ausfalls einer Gyrotroneinheit. Die noch
funktionstüchtige andere Gyrotroneinheit übernimmt die Speisung
auch des anderen Leitersystems. Die Redundanz der Enteisungsan
lage kann bei mehr als zwei Mikrowellenquellen entsprechend aus
gebaut werden.
Die Gewichtsanforderungen für das Mikrowellen-Enteisungssystem
sind zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im erwähnten Fre
quenzbereich im Vergleich zu herkömmlichen Systemen als gering
anzusehen. Der wesentliche Gewichtsbeitrag kommt von dem Netz
teil und einem Magnetspulensystem der Mikrowellenquelle her, die
übrigen Komponenten wie Wellenleiter und Auskoppeleinrichtungen
sind Rohrsysteme, die keinen maßgebenden Gewichtsanteil bedeu
ten.
Die Erfindung wird in folgendem für den Tragflügelbereich anhand
der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
Tragfläche mit CFK-Einsatz,
Fig. 2a
über ein Gyrotron mikrowellengespeistes Enteisungssystem an der
Tragfläche,
Fig. 2b
Enteisungssystem ohne Außenflügelenteisung,
Fig. 3
Auftriebsverteilung am Tragflügel.
Fig. 3 zeigt den Tragflügel eines Flugzeugs mit der qualitati
ven Auftriebsverteilung während des Starts bzw. der Landung. Bei
großen Tragflächen muß zum einen für die optimale aerodynamische
Form während des Fluges der äußere Mittelteil des Flügels bzw.
der Außenteil strukturell der Erhöhung von Biegemomenten entge
genwirken. Zum andern muß während dieser Flugsituation insbeson
dere am Mittel- und Innenteil des Tragflügels einer Vereisung
der Vorflügel (Slats) vorgebeugt werden, um einen maximalen Auf
trieb zu gewährleisten. Diese Zonen sind in Fig. 1 angedeutet,
die CFK-substituierten drei Vorflügelbereiche an der Vorderkante
des Flügels und die großflächige CFK-Beplankung im Außenflügel
bereich sind schraffiert angedeutet. Im hinteren Tragflächenbe
reich befindet sich das kritische Flügelprofil, das über die
Wölbklappen erzeugt wird.
Das Mikrowellen-Enteisungssystem ist in Fig. 2 schematisch in
den Tragflügelbereich von Fig. 1 eingezeichnet. Die Mikrowel
lenquelle befindet sich im Rumpf des Flugzeugs im Ansatzbereich
der Tragfläche. Es ist ein Gyrotron, das bei 24.15 GHz
(entspricht einer Wellenlänge von 1.225 cm) betrieben wird. Vom
Gyrotron führt das Wellenleitersystem mit den drei Wellenleitern
weg, wovon einer nur den auftriebsrelevanten Innen- und Mittel
bereich am Vorflügel versorgt, der zweite endet im weniger auf
triebsrelevanten Vorflügel des Außenflügels und der dritte im
Außenflügelbereich. Die Wellenleiter für den Vorflügel enden in
Auskoppeleinrichtungen, die für den Außenflügelbereich zur flä
chigen Enteisung spezielle Leckwellen-Antennenstrukturen sind.
Die Hohlleiterverlegung ist nicht maßstabsgerecht sondern der
Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt.
Eis besitzt im Frequenzbereich von 20-40 GHz ein Absorptions
vermögen, das oxydischen Keramiken wie Al2O3 vergleichbar ist,
nämlich tan δ = 10-4 - 10-5. Somit ist ein besonders effektiver
Heizmechanismus gegeben, da die elektromagnetische Welle in das
Eis eindringt und im gesamten Volumen sofort eine Erwärmung her
vorruft. Sämtliche thermischen Verzögerungen entfallen, wie sie
durch Heizen über eine Oberfläche entstehen und primär durch das
Aufheizen der Oberfläche selber, über die ein Wärmeübergang
letztlich erreicht werden soll. Der Volumenheizmechanismus kom
pensiert zudem die extrem schlechte Wärmeleitung von Eis, die im
Fall eines Abschmelzens an einer Grenzschicht das Abtauen des
Materials im gesamten nur langsam vonstatten gehen läßt.
An der Grenzflächeschicht Eis/Tragfläche setzt bei der Mikrowel
len-Enteisung zudem ein Abtauen ein, da das CFK/GFK-Material
selber in kürzester Zeit auf eine Temperatur zwischen 60 und
90°C gebracht wird. Ein Sprung der dielektrischen Eigenschaften
um über vier Größenordnungen auf tan δ = 1.6 der abgetauten
Wasserschicht an der Tragfläche hat zur Folge, daß, nachdem das
Eis im gesamten Volumen erwärmt wurde, verstärkt an der
Grenzschicht Eis/Wasser geheizt wird. Das führt zu einer sehr
schnellen Zerstörung der anliegenden Eisstruktur und dem
Abfallen der Eisfragmente von der Tragfläche.
Claims (9)
1. Enteisungssystem an einem Flugzeug zur Verhinderung eines
Eisansatzes oder zur Enteisung an vereisungsgefährdeten Zonen
mittels Mikrowellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
vereisungsgefährdete Zonen am Flugzeug aus dielektrischen, avionisch einsetzbaren Strukturen und Verbundwerkstoffen be stehen, die für elektromagnetische Wellen in einem Frequenz bereich oberhalb 20 GHz, außerhalb avionisch genutzter Fre quenzen elektrisch hochpermeabel sind,
im Flugzeug mindestens eine Mikrowellenquelle untergebracht ist, die gepulst oder kontinuierlich in einem Frequenzbereich oberhalb dieses Frequenzbereichs abstrahlt,
von jeder Mikrowellenquelle autark schaltbare Wellenleitersy steme ausgehen und zu unterschiedlich vereisungsgefährdeten Zonen führen,
die aus dem Hohlleitersystem auskoppelnde Mikrowelle im Strukturverbundwerkstoff und an der Grenzfläche zum gegeben falls angesetzten Eisvolumen instantan und gleichmäßig er wärmt,
die Mikrowellenquellen über Redundanzwellenleiter miteinander verbunden sind, die zu- und abschaltbar sind, um den Ausfall mindestens einer Mikrowellenquelle durch die noch funktionie rende/funktionierenden zu überbrücken.
vereisungsgefährdete Zonen am Flugzeug aus dielektrischen, avionisch einsetzbaren Strukturen und Verbundwerkstoffen be stehen, die für elektromagnetische Wellen in einem Frequenz bereich oberhalb 20 GHz, außerhalb avionisch genutzter Fre quenzen elektrisch hochpermeabel sind,
im Flugzeug mindestens eine Mikrowellenquelle untergebracht ist, die gepulst oder kontinuierlich in einem Frequenzbereich oberhalb dieses Frequenzbereichs abstrahlt,
von jeder Mikrowellenquelle autark schaltbare Wellenleitersy steme ausgehen und zu unterschiedlich vereisungsgefährdeten Zonen führen,
die aus dem Hohlleitersystem auskoppelnde Mikrowelle im Strukturverbundwerkstoff und an der Grenzfläche zum gegeben falls angesetzten Eisvolumen instantan und gleichmäßig er wärmt,
die Mikrowellenquellen über Redundanzwellenleiter miteinander verbunden sind, die zu- und abschaltbar sind, um den Ausfall mindestens einer Mikrowellenquelle durch die noch funktionie rende/funktionierenden zu überbrücken.
2. Enteisungssystem an einem Flugzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
über an die Struktur dieser vereisungsgefährdeten Zonen ange
paßte Mikrowellenauskoppelvorrichtungen (Antennen) die ent
sprechend ihrer Bedeutung für den Auftrieb des Flugzeugs un
ter Einbeziehung der gegenwärtigen meteorologischen Situation
Mikrowellenenergie bedarfs- und leistungsgerecht auskoppelt.
3. Enteisungssystem an einem Flugzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der besonders auftriebsrelevante Innen- und Mittelflügel über
ein eigenes Wellenleitersystem zur Verhinderung der Kondensa
tion von Wassertröpfchen schon frühzeitig oder ständig mit
niedriger Leistung (stand by modus) bestrahlt wird.
4. Enteisungssystem an einem Flugzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Wellenleitersystem aus hochmodigen, flexiblen Wellen
leitern mit abschnittsweise leistungskonstanter, flächenho
mogener, regelbarer Hochfrequenz-Auskopplung (Antenne) be
steht.
5. Enteisungssystem nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbundwerkstoffe Kohlefaserkunststoff(CFK)-/Glasfaser
kunststoff(GFK)-Strukturmaterialien sind.
6. Enteisungssystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrowellenquelle ein Gyrotron ist.
7. Enteisungssystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrowellenquelle ein Magnetron ist.
8. Enteisungssystem nach Anspruch 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrowellenquelle monochromatisch abstrahlt.
9. Enteisungssystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur großflächigen und gleichmäßigen HF-Beaufschlagung an den
Außenflügeln und anderen flächig vereisungsgefährdeten Berei
chen eine sogenannte Leckwellenantennenstruktur besteht.
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