WO2001074661A1 - 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 Download PDF

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WO2001074661A1
WO2001074661A1 PCT/EP2001/001299 EP0101299W WO0174661A1 WO 2001074661 A1 WO2001074661 A1 WO 2001074661A1 EP 0101299 W EP0101299 W EP 0101299W WO 0174661 A1 WO0174661 A1 WO 0174661A1
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microwave
icing
structures
ice
microwave system
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Lambert Feher
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D15/00—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
    • B64D15/12—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft by electric heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/40—Ice detection; De-icing means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/02—Heaters specially designed for de-icing or protection against icing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a microwave system for de-icing fronts which are at risk of icing on cavity-forming structures which are exposed to meteorological influences through the inflow of air.
  • Another technique is the laying of metallic nets / heating mats in the wall or on the inner wall of such structures in which such areas are heated or kept warm as required using electrical current, that is to say ohmic heating. Due to the raw cable requirements, this requires the laying of large-diameter electrical supply lines from the on-board generator to the connection strips of the networks. Homogeneous heating, i.e. Avoiding local overheating, particularly in the vicinity of the contact strips, is always a problem in the case of a flat current supply, which must be paid very careful attention to, apart from the experience of poor heat transport to the problem area.
  • the invention has for its object a compact, decentralized deicing system for hollow or shell body structures, which are exposed to the external air flow in the atmosphere and are therefore at risk of icing.
  • a microwave technology system according to the preamble of claim i and its characterizing features.
  • a microwave source that can be controlled via pulse-width control in its power output is set up in the interior of the hollow / shell body structure, taking into account the decoupling device flanged onto the microwave output, directly or in the closest possible vicinity behind the outer front, which is at risk of icing or is to be kept free of ice.
  • the mechanically stable hollow / shell body structures consist on the one hand of CFRP material or on the other hand of GRP material or prepreg composite material are a combination of both.
  • the outer surface of the structure consists of a metal film or a metal skin, at least the outer surface exposed to the current is covered with one, which is then continuously connected to adjacent metallic structures / surfaces on its edge, so that these hollow or shell bodies are microwave or high-frequency-tight and does not allow electromagnetic radiation into the outside space.
  • the microwave radiates in via the decoupling structure along the front to be heated and heats the illuminated composite material volume. After commissioning, a falling temperature gradient to the outer skin is set up in this.
  • the microwave radiates in a controllable way up to the same power that, on the one hand, a temperature-related safety margin between 35 and 75 ° C to the delamination temperature of T DL ⁇ 130 ° C of the composite material can be maintained at every location of the irradiated composite material volume and on the other hand at the cut surface to the metal skin
  • a thermal drying power density of up to 46 kW / m " " exists, with the ice adhering to its boundary layer can be thawed to the structure and thus detached or completely torn off by the air flow.
  • the outcoupling structure of the outcoupling device is a waveguide flanged to the microwave source / s, which has corresponding outcoupling openings of different sizes and spacings to form the required microwave front in order to enable constant power decoupling along the waveguide.
  • the radiation characteristics are such that the phase fronts are as largely as possible along the contour of the wing, the amplitude of which provides the locally required travel energy. For example, much higher (up to 60kW / m 2 ) surface power densities may be desirable in the wing nose, in the rear areas the requirements are up to a factor of 10 lower (claim 2).
  • the microwave source is a klystron or magnetron or an "Extended Interaction Oscillator", EIO (claim 4).
  • Such a microwave-technical de-icing system can be located in facilities / structures of a ship or a train or a road transport or other hollow body structure to be kept free of ice or other hollow body structure that can be coped with all meteorological conditions (claim 7).
  • Airplanes and helicopters absolutely need an aerodynamically suitable shape, in particular structures responsible for lift and control, such as wings, rudder and elevator and the edge of the engine inlet (claims S to 11).
  • microwave source is located in the center of the impeller, from which a waveguide with a decoupling structure extends into the wing to the fronts which are at risk of icing (claim 13).
  • microwave technical components are directly at the place of action. All that is required is a power supply line with control lines for such a deicing system. Long hollow or Waveguide guides are not required.
  • Microwave technology significantly lowers the temperatures that occur in the laminated structure compared to conventional de-icing with hot air blowing, which means that much higher area performance is possible for certain de-icing situations on the outer skin, or in any case the operation does not stress the composite material and the structure thermally. Even today, adhering clear ice situations that cannot be managed by the existing systems can be mastered without the risk of overheating / delamination of the composite material.
  • pre-flight defrosting for example, there is no longer any need for guided metal pipelines in the wing and piccolo pipe systems such as those installed today for blowing hot air. This brings further significant weight savings.
  • the pre-wing as a module for technical maintenance at the airport, is easily interchangeable - an advantage in the timely repair process.
  • Varying surface power densities are required along the pre-wing contour; the greatest need is due to its wing nose.
  • runoack icing as is expressed in the aviator's language: ice masses that slide back and freeze from the front nose, the rear part of the pre-flight must also be heated.
  • a field covering is generated along the pre-wing contour by means of a waveguide coupling which is optimized in terms of microwave technology and has a corresponding radiation characteristic (optimum power adaptation to the pre-wing geometry, see FIG. 4).
  • the entire system is microwave-technically closed and e_ektromagnet ⁇ sch sealed.
  • the CFRP / composite material is surrounded by a shielding metallic skin, which is primarily of importance as lightning protection. No field effect escapes from the pre-wing system.
  • the closed nature of the pre-wing - warm air requires outlet ducts - has the aerodynamic advantage in particular of being able to set up extensive laminar flow conditions at the boundary layer and to avoid disturbing eddy formation.
  • the microwave-technical de-icing system works loss-free, the power taken from the network and the microwave guided in the decoupling device are fully implemented for de-icing or ice-free.
  • the performance of such a system is even more pronounced, because if icing occurs, the ice can be detached from the exposed surface in a short time by thawing the boundary layer.
  • the microwave de-icing system which consists of at least one unit shown below, is explained in greater detail on the basis of the drawing.
  • the drawing consists of five figures. It shows:
  • FIG. 1 shows the schematic structure of the deicing device
  • FIG. 2 shows the section of a snapshot of the field distribution in the pre-flight
  • Figure 3 shows the situation section
  • Figure 4 shows the device on the wing
  • Figure 5 temperature distribution
  • the microwave de-icing system is diverse and widely usable. In addition to its use on land and on water, its importance in aviation is most evident. It will therefore be explained further using the example of the installation in the leading edge of an aircraft wing.
  • FIG. 1 shows the longitudinal section through one of the pre-wing sections, as indicated in FIG. 4 by the gray division of the leading edge of an aircraft wing.
  • the tube-shaped coupling device / waveguide for the microwave is installed in the inside of the pre-flight parallel to the leading edge of the pre-flight made of CFRP material (prepreg slat).
  • the resulting wavefront is along that from the ⁇ -uskopceiofföffitch WO 01/74661 - in - PCT / EP01 / 01299
  • Hohxieiter and decoupling device are one and directly to the which is a klystron.
  • the cross-sectional situation is shown in FIG. 2. Only the fore wing including the coupling-out direction is shown in part. The wing still indicated in FIG. 1 is no longer shown, as is the klystron including the power supply.
  • FIG. 2 clearly shows the darker gray areas of the field distribution in the interior of the pre-wing in the area of the aerodynamically important leading edge, which in turn become lighter. This indicates where the areas of strong and less strong heat generation are in the laminated material. Since the fore wing has a closed interior space and also closed interior spaces, in each of which at least one deicing system is located, there is a great deal of heat in the area of the inflow front, which decreases in the direction of flow and is available in the required form.
  • the entire forerunner is kept at such a temperature that ice build-up on the outer surface cannot form even in the presence of extremely supercooled water drops, so-called super cooled droplets ,
  • FIG. 5 shows two operating modes with their thermal effect on the wall of the pre-wing in the upstream front, namely the clear ice defrost at the top with a high defrosting rate and below with a comparable defrosting condition, but with a lower defrosting temperature, only 35 ° C. outer skin temperature.
  • the conventional heating, arm penetration with warm air blowing on the inner wall - just L n ⁇ e in the respective diagram "CFRP conventionally heated" - uno CFRP warming up with microwave "CFRP microwave-heated” j ⁇ e t.
  • the pre-wing hollow structure is 3 mm thick in the area of the inflow.
  • the wall consists essentially of the CFRP material and the thin, overlying metal-coated outer skin (see section Figure 1).
  • the delammation temperature of 130 ° C of the CFRP material is shown in both diagrams as a dash-dotted line, which compares the problem of heating with conventional heating.
  • the CFRP inner wall of the pre-flow must be blown with a warm air temperature of at least 150 ° to 160 ° C in order to generate a comparative UDergant temperature ice / air, defrost speed at the same required defrosting capacity on the outer skin.
  • the lower diagram shows the operation with a lower defrost rate, outer skin to 35 ° C.
  • the pre-flight outer skin is kept at a temperature of 35 ° C.
  • the delammation temperature is no longer exceeded, the temperature on the inner top sheet is now 110 ° C, but it comes very close to the destruction temperature.
  • microwave heating an" axial temperature on the inside wall of just becomes 60 ° C reached. There is no thermal load on the laminated pre-gel from heating with a microwave.
  • the significant temperature drops when using microwaves compared to conventional heating with otherwise the same operating and power requirements are due to the fact that a mstantan voiumetric power input occurs through the exposure to the first third of the laminate through penetration of the wave, and the power there without the need for one thermal line-dependent gradient drive is introduced. From there, the power input flows via heat conduction to the outer skin.
  • the volume heating also enables very high heating rates to bring the outer flight skin to the appropriate defrost temperature and the required area power density. This shows a high dynamic for all possible situations.

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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

Kompaktes mikrowellentechnisches System zum Enteisen und/oder Vorbeugen einer Vereisung der äußeren Oberflache von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen
Die Erfindung betrifft ein Mikrowellensystem zum Enteisen von vereisungsgefahrdeten Fronten an hohlraumbildenden Strukturen, die durch Luftanstromung meteorologischen Einflüssen ausgesetzt sind.
Der Ansatz von Eis an solchen Strukturen beeinträchtigt das Um- stromungsverhalten der Luft empfindlich, was insbesondere m der Luftfanrt zu aeroαynamiscn proDiematiscnem Fehlvernalten fuhren kann .
Die Anstrengungen, die vereisungsgefahrdete Fronten an solchen Strukturen eisfrei zu halten, sind mannigfaltig. Sie reichen vom Besprühen oder Bespülen der exponierten Oberflachen solcher Fronten mit einer die Eisbildung hemmenden Flüssigkeit, über das Anströmen der Innenflachen mit Warmluft bis zum ohmschen Beheizen solcher Zonen, elektrische Enteisungssysteme . Flussigkeits- enteisung ist durch sein Reservoir an Flüssigkeit begrenzt und gilt zudem a_s unzuverlässig.
Die Bedingungen zur Eisbildung müssen unterdruckt werden. Das gelingt beim Enteisen mittels Flüssigkeit nur vorübergehend, insbesondere beim Verwenden von Enteisungsflussigkeit am Boden vor dem Start. Der anhaftende Film reißt schon wahrend der Startohase ao und lasst beim Durchgang des Flugzeugs durch vereisungsgefahrdete Wolkenformationen ein nur zeitlich kurzes Sicherheitsfenster zu. Regen z.B. spult ein solches Mittel je nach Starke am Boden früher oder spater schon ab.
In der Luftfahrt ist gangige Technik im Flug, Tragflachen bzw. die aerodynairisch wichtigen Vorfluσε- 'enql. : slat), bzw. die exponierten Fronten, Flugelnasen, dieser Bereicne mit von den Triebwerken entnommener Warmluft, in der Fachsprache Zapfluft, aus dem Inneren der Struktur her anzublasen. Der Temperaturuber- gang auf die Vorfluge-- ist von den thermodynamischen Stromungs- verhaltnissen und meterologischen Bedingungen in Abhängigkeit der Flughohe, Außentemperatur, Fluggeschwindigkeit, Tropfchen- große, 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 m der Verrohrung auf dem Weg zum gefährdeten Bereich aus. In der Luftf nrttecnni , msoesondere in αer modernen Triebwerkstechnologie ergeben sich Einschränkungen in der Entnahme von ausreichend heißer Warmluft aus den Mantelstromtriebwerken, 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 Strukturen, in denen mit elektrischem Strom, also ohmsches Beheizen, solche Flachen nach Bedarf erwärmt oder warmgehalten werden. Das verlangt aufgrund des rohen Leitungsbedarfs das Verlegen von elektrischen Zuleitungen großen Querschnitts vom Bordgenerator bis zu den Anschlussleisten der Netze. Eine homogene Erwärmung, d.h. das Vermeiden lokaler Uberhitzungen insbesondere in der Nahe der Kontaktleisten ist bei einer flachigen Bestromung stets ein Problem, dem sehr sorgfaltige Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, abgesehen vom erfahrungsgemäß schlechten Warmetrans- port zur Problemflache.
In der DE 197 45 621 Cl wird ein Enteisungsverfahren beschrieben, bei dem zu enteisende Flachen eine Dunnschicht mit hydrophoben Eigenschaften a-s diamantartigem Kohlenstoff/ amorphem Kohlenwasserstoff habe'", die bei Auftritt einer Eisbildung mit einer äußeren Infrarotstrahlungsquelle bestrahlt oαer durch eine in der Flache liegenden Heizmatte aufgeheizt und dadurch angeregt 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. Vereisungsgefahrdete, stromungstechnisch bedeutsame Zonen am Flugzeug bestehen aus Verbundwerkstoffen deren dielektrische Bereiche für Mikrowellen oberhalb 20 GHz gut durchlassig sind. Zur Fuhrung der Mikrowellen taugliche Hohlleiter, vergleichbar der heutigen Warmluftverrohrung, werden von einer Mikrowellenquelle im Flugzeugrumpf bis an diese Zonen im Innern herangeführt, wo dann die Mikrowelle auskoppelt und diese Zone durch Aufwarmung des Dielektrikums eisfrei hält oder durch Erwärmung der Grenzschicht der eventuell schon anliegenden Eisschicht diese rasch davon wieder befreit.
Im Leichtkorperbau setzt sich mehr und mehr der Aufbau von Hohlkörper- oder Schalenstrukturen durch Prepreg, CFK- und GFK-Kom- positteile durch. Allerdings besitzen solche Verbundwerkstoffe, wenn auch sehr formstabil/-steif und damit mit hoher mechanischer Festigkeit/ und Zähigkeit versehen, bei eine im Vergleich zu Metall sehr schiechte, anisotrope thermische Leitfähigkeit mit der Gefahr der Bildung von Wärmestaus und Uberhitzung und damit der Gefahr der lokalen Delamination beim Anblasen mit heißer Luft, bzw. die Flugsicherheit betreffende starke Beschrankung der Möglichkeit, ausreichende Flachenleistungsdichten an der stromungszugewandten, potentiell eisbehafteten Flache einbringen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, dezentrales Enteisungssystem für Hohl- oder Schalenkorperstrukturen, die der äußeren Luftanstromung m der Atmosphäre ausgesetzt und damit vereisungsgefahrdet sind, zu entwickeln.
Die Aufgabe wird durch ein mikrowellentechnisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs i und dessen kennzeichnenden Merkmalen gelost. Hierzu wird eine über Puls-Breiten-Regelung in ihrer Leistungsabgabe steuerbare Mikrowellenquelle im Innern der Hohl-/Schalenkorperstruktur unter Berücksichtigung der am Mikrowellenausgang angeflanschten Auskoppeleinrichtung unmittelbar oder in nächster möglicher Nahe hinter der vereisungsgefahrdeten oder eisfrei zu haltenden Außenfront aufgestellt. Die mechanisch stabilen Hohi-/Schaienkorperstruκturen 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 stromungstechnisch exponierte Außenfläche mit einer solchen überzogen, die dann mit angrenzenden metallischen Strukturen/Flachen an ihrem Rand durchgehend verbunden ist, so dass diese Hohl- oder Schalenkorper Mikrowellenbzw, hochfrequenzdicht ist und keine elektromagnetische Abstrah- lung in den Außenraum ermöglich .
Über die Auskoppelstruktur strahlt die Mikrowelle entlang der zu erwärmenden Front ein und erwärmt das angestrahlte Verbundmaterialvolumen. In diesem richtet sich nach Inbetriebnahme ein abfallender Temperaturgradient zur Außenhaut ein. Die Mikrowelle strahlt regelbar bis zu einer selchen Leistung ein, dass einerseits an jedem Ort des bestrahlten Verbundwerkstoffvolumens ein temperaturmaßiger Sicherheitsabs and zwischen 35 und 75°C zur Delaminationstemperatur von TDL ~ 130°C des Verbundwerkstoffs aufrechterhalten werden kann und andrerseits an der Schnittflache zur Metallhaut eine thermische Flacnenleistungsdichte bis zu 46 kW/m"" Desteht, mit der anhaftendes Eis an seiner Grenzschicht zur Struktur hm aufgetaut werden kann und sich damit ablost 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 Auskoppeloff- nungen in unterschiedlich der Große und Abstand hat, um entlang des Hohlleiters eine gleichbleibende Leistungsauskoppelung zu ermöglichen. Die Abstrahlungscharakteristik ist derart beschaffen, dass entlang der Flugelkontur möglichst weitgehend gleiche Phasenfronten anliegen, deren Amplitudenbelag die lokale erforderliche Enreisungsfiachenieistung bereitstellt. So können in der Flugelnase weitaus höhere (bis 60kW/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 Durchgangs- und Sperrdampfung über Zirkulatoren abgeschlossen (Anspruch 3) .
Je nach maximal geforderter Mikrowellenleistung ist die Mikrowellenquelle ein Klystron oder Magnetron oder ein "Extended In- teraction Oscillator", EIO, (Anspruch 4).
Die Mikrowellenleistung tritt dämpfungsarm an der Auskoppeleinrichtung aus und erwärmt die umgebende Schalenstruktur, die als dissipativer Resonator sehr niedriger Gute wirkt, selektiv. Daher ist der Hohl- oder Wellenleiter mit Auskoppeleinrichtung aus einem elektrisch gut leitenden Metall oder aber, falls Gewichtseinsparungen das erfordern aus Verbundwerkstoff, der von einem mikrowellendichten Metallnetz ummantelt oder damit ausgelegt st (Ansprüche 5 und 6) . Ein solches mikrowellen echnisches 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 Hohlkor- perstruktur befinden (Anspruch 7).
Sicherheitstechnisch springt die Bedeutung eines solchen Entei- sungssystems in der Luftf hrttechnik ins Auge. Flugzeuge und Helikopter benotigen unbedingt aerodynamisch geeignete Gestalt, insbesondere für den Auftrieb und die Steuerung verantwortliche Strukturen wie Tragflachen, Seiten- und Höhenruder und der Rand des Triebwerkseinlasses (Ansprüche S bis 11).
Bei größeren Flugzeugen, die im auftriebsrelevanten Bereich der angeströmten Tragfugelfronten sogenannte Vorflugel aufweisen, ist ein zuverlässig wirkendes Enteisungssystem für die stete Flugsicherheit unerlasslich (Anspruch 12).
Ein weiter wichtiges Einsatzfeld ist die Energieerzeugung mit Windkraftanlagen, die riesige Rotorblätter haben und sich standig Bodenwetterlagen ausgesetzt sind. Um an den Rotorblattern Vereisung zu verhindern, sitzt die Mikrowellenquelle im Zentrum des Flügelrades, von der aus dann e ein Hohlleiter mit Auskoppelstruktur in den Flügel zu den vereisungsgefahrdeten Fronten hineinreicht (Anspruch 13) .
Die mikrowellentechnischen Baukomponenten sind unmittelbar am Wirkungsort. Es ist lediglich eine Netzzuleitung mit Steuerleitungen für ein solches Enteisungssystem notwendig. Lange Hohlbzw. Wellenleiterfuhrungen entfallen.
Mit dem mikrowellentechnischen Enteisungssystem wird eine Steigerung der Flugsicherheit durch hohe Geschwindigkeit αes De- /Anti-Icing Systems erreicht. Im sog. Routine Ant -Icmg Betrieb ist ein niedriger Leistungsbedarf erforderlich. Zudem sind auftretende Vereisungsbedingungen beherrschbar, die konventionell nicht angegangen werden können.
Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen für den Vorflugel werden substantielle Gewichtseinsparungen von über 30 % gegenüber der heutigen Metallbauweise erreicht. Neben der prioritaren Sicherheit wird dadurch die Wirtschaftlichkeit durch Gewichtseinsparung, bzw. Treibstoffeinsparung erheblich gesteigert. Zudem kann am Boden der Einsatz der mit Unsicherheiten behafteten und die Umwelt stark belastenden Enteisungsflussigkeit reduziert, eigentlich vermieden werden.
Die Mikrowellentechnologie senkt signifikant die auftretenden Temperaturen in der laminierten Struktur im Vergleich zur konventionellen Enteisung mit Warmluftanblasen, daher sind weitaus höhere Flachenleistungen für bestimmte Enteisungssituationen an der Außenhaut ermöglicht, bzw. in jedem Fall ein das Verbundmaterial und die Struktur thermisch nicht belastender Betrieb die Regel. Selbst heute von den bestehenden Systemen nicht bewaltig- bare anhaftende Klareissituationen werden ohne Gefahr der Uber- hitzung/Delamination des Verbundwerkstoffes beherrscht.
Im Falle der Vorflugelenteisung beispielsweise entfallen geführte Metallrohrleitungen in der Tragflache sowie Piccolorohrsyste- me, wie sie heute für das Warmluftanblasen installiert sind. Das bringt weitere erhebliche Gewichtseinsparungen. Darüber hinaus ist der Vorflugel als Modul für technische Wartung am Flughafen leicht austauschbar - ein Vorteil im zeitlichen Reparaturablauf.
Der Ausfall eines Enteisungsvor lugels fuhrt alles in allem nur zu einer geringen Einbuße m der Leistungsfähigkeit, da die autarken, übrigen Vorflugelsysteme von dem Ausfall eines Systems nicht betroffen sind und unabhängig weiterarbeiten - Redundanz. — ö —
Beim konventionellen System muss über eine Notversorgungsleitung Warmluft τ"tn der anderen Tragflache abgezogen werden, was zu einer erheblichen Leistungsbeemtrachtigung des Gesamtenteisungs- systemes f_nrt.
Es ist hier hervorzuheben, dass die gesamte elektrische Leistung zu 100% m wirkende Enteisungsleistung umgesetzt und an die metallische orflugelaußenhaut abgeführt wird.
Entlang der Vorflugelkontur sind stark unterschiedliche Flachen- leistungsdichten erforderlich; der höchste Bedarf liegt an der Flugelnase seiner. Um, wie in der Fliegersprache ausgedruckt wird, Runoack Vereisung: von der Vordernase nach hinten rutschende und wieder anfrierende Eismassen, zu verhindern, muss auch der rückwärtige Teil des Vorflugels erwärmt werden. Der erforderlichen Verteilung entsprechend wird ein Feldbelag entlang der Vorflugelkontur durch eine mikrowellentechnisch optimierte Hohlleiterauskopplung mit entsprechender Abstrahlcharakteristik erzeugt (optimale Leistungsanpassung an die Vorflugelgeometπe, siehe Figur 4 ) .
Das gesamte System ist, mikrowellentechnisch gesehen, geschlossen und e_ektromagnetιsch versiegelt. Das CFK/Kompositmaterial ist von einer schirmenden metallischen Haut, die primär ihre Bedeutung als Blitzschutz aufweist, umgeben. Es dringt keine Feldwirkung aus dem Vorflugelsystem nach außen. Die Geschlossenheit des Vorflugels - Warmluft benotigt Austrittskanale - hat aerodynamisch insbesondere noch den Vorteil, weitgehende laminare Stromungsverhaltnisse an der Grenzschicht einstellen zu können und storenαe Wirbelbildung zu vermeiden.
Das ist Puls-Breiten-geregelt betreibbar, so dass Vereisung profllaktisch von kleiner Warme- leistungsan orderung bis hin zur Klareisentfernung mit höchster Warmeleistungsanforderung beherrscht wirα.
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 Systems tritt noch deutlicner hervor, weil bei eingetretener Vereisung in kurzer Zeit das Eis von der exponierten Oberflache durch Antauen der Grenzschicht abgelost werden kann.
Das mikrowellentechnische Enteisungssystem, das aus mindestens einer αer im folgenden dargestellten Emneit bestent, wirα anhand der Zeicnnung naher erläutert. Die Zeichnung besteht aus fünf Figuren. Es zeigt:
Figur 1 den schematischen Aufbau der Enteisungsemπchtung, Figur 2 den Schnitt einer Momentaufnahme der Feldverteilung im Vorflugel,
Figur 3 den Situationsausschnitt, Figur 4 die Einrichtung an der Tragflache, Figur 5 Temperaturverteilung
Das mikrowellentechnische Enteisungssystem ist vielfaltig und weitläufig verwendbar. Neben dem Einsatz zu Lande und auf dem Wasser wird seine Bedeutung in der Luftfahrt am emdrucklichs- ten. Es wird daher jetzt am Beispiel des Einbaus in den Vorflugel einer Flugzeugtragflache weiter erläutert.
Figur 1 zeigt den Längsschnitt durch einen der Vorflugelab- schmtte, wie sie in Figur 4 durch die graue Unterteilung der Anstromkante einer Flugzeugtragflache angedeutet sind. Im Vor- flugelinnern ist parallel zur Anstromkante des Vorflugels aus CFK-Material (Prepreg Slat) die rohrformiσe Auskoppelemrich- tung/Hohlleiter für die Mikrowelle montiert. Die resultierende Wellenfront wird durch die aus den ∑-uskopceioffnungen entlang WO 01/74661 -- i n - PCT/EP01/01299
des Hohlleiters ausoe doppelten Einzelwellen durch Überlagerung erzeugt. Hier sind Hohxieiter uno Auskoppeleinrichtung eins und direkt an die
Figure imgf000012_0001
die ein Klystron ist, angebaut. Die Querschnittssituation zeigt Figur 2. Darin ist nur der Vorflugel samt Auskoppelexnrichtung teilweise gezeigt. Die in Figur 1 noch angedeutete Tragflache ist nicht mehr mit eingezeichnet, wie auch das Klystron samt Netzteil.
Figur 2 zeigt deutlich die dunkelgraueren Bereiche der Feldver- teilung im Innern des Vorflugels im Bereich der aerodynamisch wichtigen Anstromkante, die zurückweichend heller werden. Damit wird angedeutet, wo die Bereicne starker und weniger starker Warmeerzeugung im laminierten Material sind. Da der Vorflugel insgesamt einen geschlossenen Innenraumraum und auch abgeschottete Innenraume hat, in denen jeweils mindestens ein Enteisungssystem sitzt, herrscht im Bereich der Anstromfront große Wärmeeinwirkung, die in Stromungsrichtung abnimmt und in der erforderlichen Form vorhanden ist. Zusammen mit der Wärmeentwicklung durch die Warmeerzeugung im CFK-Material selber und durch den Betrieb der Mikrowellenquelle wird der gesamte Vorflugel derartig auf Temperatur gehalten, dass sich ein Eisansatz auf der Außenflache auch nicht bei Anwesenheit extrem unterkuhlter Wassertropfen, sog. super cooled droplets, ausbilden kann.
In Figur 5 sind zwei Betriebsarten mit Ihrer thermischen Auswirkung m der Wand des Vorflugels in der Anstromfront dargestellt, und zwar oben vorlieσender Klareisenteisung mit hoher Abtauge- schwmdigkeit und unten oei vergleichbarer Abtaubedingung, aber bei niedrigerer Abtaugescnwmdiαkeit , nur 35°C Außenhauttermoera- tur. Verglichen wird jeweils bei gleicher Vorflugelgeometrie die konventionelle Heizung, armeeinnringung mit Warmluftanblasen der Innenwand, - gerade L nιe im jeweiligen Schaubild "CFK konventionell geheizt" - uno die CFK-Aufwarmung mit Mikrowelle "CFK mikrowellenbeheizt" j±e t.and der Vorflugel-Hohlkorperstruktur ist m Bereich der Anstromung 3 mm dick. Die Wand besteht -m wesentlichen aus dem CFK-Material und der dünnen, aufliegenden me- tal_ιsιerten Außenhaut (siehe Schnitt Figur 1). In beider Diagrammen ist die Delammationstemperatur von 130°C des CFK-Mate- rιa_s als strichpunktierte Linie eingetragen, die die Erwar- munosprobiematik mit konventioneller Erwärmung vergleichend hervornebt. Bei einer beispielhaften Aufwarmung der Außenhaut auf 60 ois 70°C, schnelles Abtauen - oberes Diagramm - und einer Flachenleistungsdichte von 46 kW/m2 muss mit einer Warmlufttemperatur von mindestens 150° bis 160°C die CFK-Innenwand des Vor- fluαels angeblasen werden, um bei gleicher erforderlicher Fla- cnenenteisungsieistung an oer Außennaut eine vergleichoare UDer- gancstemperatur Eis/Luft, Abtaugeschwindigkeit zu erzeuge". Im Vergleich wird bei der Mikrowellenerwarmung an der Innenwand lediglich eine maximale Temperatur von 95°C erreicht. Im Konventionellen Fall wird die Delammationstemperatur TDL ganz deutlich und nahezu bis in 1 mm Tiefe überschritten, d. h. der Vorflugel beginnt sich strukturell an der Innenoberflache aufzuweichen und bei fortschreitendem Betrieb zu zerstören. Die Mikrowellenerwarmung bleibt bei diesem Fall immer noch 35°C unterhalb der Kritischen Delammationstemperatur, d. h. hier treten keine strukturellen Beeinträchtigungen auf.
Das untere Diagramm stellt den Betrieb bei geringerer Abtauge- sch digkeit, Außenhaut auf 35°C, dar. Die Vorflugelauße^haut wirα auf einer Temperatur von 35°C gehalten. Zwar wird jetzt bei" konventionellen Heizen die Delammationstemperatur nicht mehr überschritten, die Temperatur an der inneren Oberflacne be- tract jetzt 110°C, kommt aber damit der Zerstorungstemperatur senr nahe. Mit der Mikrowellenerwarmung wird gerade eine "axi- maltemperatur an der Innenwand von nur 60°C erreicht. Es .legt dam_t keinerlei thermische Belastung des laminierten Vorf_-.gels 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 zurückzuführen, dass ein mstantaner voiumetrischer Leistungseintrag durch die Beaufschlagung im ersten Drittel des Laminates durch Penetration der Welle erfolgt, und die Leistung dort ohne die Notwendigkeit eines warmeleitungsabhangigen Gradientriebes eingebracht wird. Von dort fließt die eingebrachte Leistung über Warmeleitung zur Außenhaut. Durch die Volumenheizung sind zudem sehr hohe Heizraten möglich, um die Vorflugelaußenhaut auf die entsprechende Abtautemperatur und erforderliche Flachenleistungsdichte zu bringen. Das zeigt eine hone Dynamik für alle eventuellen Situationen.

Claims

Patentanspr che -
1. Kompaktes mikrowellentechnisches System zum Enteisen und/oder Vorbeugen einer Vereisung der äußeren Oberflache von meteorologischen Einflüssen ausgesetzten Hohlraum- oder Schalenstrukturen, bestehend aus:
~ formstabilen Hohlraum- oder schalenartigen Strukturen, bestehend aus mit thermoplastischen oder du- roplastischen KunststoffSystemen ausgeharteten Verbundwerkstoffen mit dielektrischen Eigenschaften, ggf. m Kombination mit anderen Werkstoffen wie Schaumen, deren Fasergebilde aus Kohlenstofffasern, Glaslasern, Polymerfasern, Polyamidfasern, Polyethy- lenfasern oder Aramidfasern sind,
~ mindestens einer Mikrowellenquelle, die in ihrer
Leistung steuerbar, gepulst oder kontinuierlich betrieben, über ein angeflanschtes Hohlleiter- und Auskoppelsystem im Frequenzbereich von 900 MHz bis 20 GHz vorgegeben monochromatisch abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vereisungsgefahr- dete Front der jeweiligen Struktur einen laminierten Aufbau haben, der aus einem Formkorper als Tragerstruktur aus dielektrischem Verbundmaterial einer der Beanspruchung ange- passten Schub-, Druck und Biegefestigkeit besteht, und an den erforderlichen Stellen mit einer metallischen Haut als Blitzschutz unerzogen ist, die der anströmenden Luft unmittelbar ausgesetzt ist und die in Verbindung mit anderen anstoßenden oder unmittelbar angrenzenden Baustrukturen mit metallischer Oberrlache elektrisch leitend verbunden ist, so dass darüber hinaus ein metallisch umschlossener Hohlraum besteht, im Hohlraum oder in Kammern eines jeden solcnen Formkoroers mindestens ein für sich alle e betreibbares Mikrowellensystem, bestehend aus einer Mikro ellerquelle m-_t Netzteil und Auskoppeleinrichtung aus Hohlleiter und Auskoppelstruktur, eingebaut ist, und die Auskoppelstruktur im Innern des Formkorpers entlang zur äußeren Anstromfront derart aufgestellt ist, dass die ausgekoppelte Mikrowelle innen entlang dieser mit einer Wellenfront oder nahezu mit einer Wellenfront auf die freie innere Oberflache 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 Einwirkung der Mikrowelle an jeder Stelle weit unterhalb der Delaminationstemperatur von etwa 130°C des Veroundmateriais bleibt und andererseits an der Schnittflache Formkor- per/Metallhaut eine vorgegebene Flächenleistungsdichte bis über 60 kW/m2 bei anhaftendem Klareis gefahrlos bestehen kann, die die Metallhaut auf einer vorgebbaren, den meteorologischen Anforderungen entsprechenden Temperatur von +10 °C bis +70°C und Abtaugeschwindigkeit halt, bei der es auf der luftangestromten Front bei eingeschaltetem Mikrowellensystem mit Sicherheit zu keiner Eisbildung kommt oder angesetztes Eis an der Anstromfront an der Beruhrfläche mit Einschalten des Mikrowellensystem an-/abgetaut .
2. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstruktur aus dem an die Mikrowellenquelle oder die Mikrowellenquellen angeflanschten Hohlleiter besteht, der entlang seiner Mantelflache, zur Anstromkante gerichtete Auskoppeloffnungen hat, aus denen jeweils Wellen auskoppeln, die sich zu der geforderten Wellenfront überlagern.
3. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle über Zirkulatoren in ihrer Durchgangs- und Sperrdampfung mit der mikrowellen- WO 01/74661 , -. PCT/EP01/01299
- _3 - ankoppelnden Verbundstrukt-r als Verbraucher angepaßt abgeschlossen ist.
J. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die monochromatisch abstrahlende Mikrowellenquelle, orientiert an der abzugebenden Leistung im vorgesehenen Frequenzbereich, ein Klystron oder ein Magnetron oder ein Extendeα Interaction Oscillator, EIO,
5. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 4, dadurch ge- ennzeιcnnet, dass die
Figure imgf000017_0001
unα AuskoppeistruKturen elektrisch gut leitende, retallische Wände haben.
6. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 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 Maschenweite ummantelt sind, durch die hindurch die zu leitende Mikrowelle nicht unerwünscht entfleucht.
Mikrowellentechnisches System nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches in den Strukturen von vereisungsgefahrdeten, /on der Luft angeströmten und von Gischt besprühten Fronten eins Schiffes befindet.
p Mikrowellentechnisches System nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches in wenigstens einer der aerodynamisch wιcht_gen Strukturen von von der Luft angeströmten, eisfrei zu ra_tenden Fronten eines Fluggera- tes, wie eines Flugzeuσs oαer eines Helikopters, befindet.
9. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein solches in den für den Auftrieb relevanten Bereichen in den Tragflachen hinter den angeströmten Fronten befindet.
10. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein solches in den für die Lenkung des Flugzeugs relevanten Bereichen im Hohen- und/oder Seitenruder hinter den angeströmten Fronten befindet.
11. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein solches hinter der von Luft angeströmten ringförmigen Front des Triebwerkmantels am Triebwerkseingang befindet.
12. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches im jeweiligen Vorflügel der Tragflachen eingebaut ist.
13. Mikrowellentechnisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage eingebaut ist.
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