Vorentwurf eines Systems zur Detektion von atmosphärischem Eis auf Grundlage der Erstarrungswärme

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Detektion eines Eisansatzes während des Fluges vorgestellt. Um auch unter Vereisungsbedingungen die notwendige Flugsicherheit zu gewährleis-ten und die aktuelle Flugroute beizubehalten, sind zuverlässige Eisdetektions- sowie Enteisungssysteme notwendig. Das Eiserkennungssystem basiert auf der, bei der Erstarrung von Tropfen frei werdenden, Erstar-rungswärme. Die Sensortemperatur liegt stets unterhalb der Umgebungstemperatur, wobei die benötigte Kälteleistung von einem geregelten Peltier-Element erbracht wird. Als Regler und Soft-ware-Hardware-Schnittstelle fungiert ein sogenannter TEC-Controller. Dazu werden zwei mögliche Ansätze untersucht. Zum einen wird eine konstante Temperaturdifferenz zur Umgebung von -5 K und zum anderen eine konstante elektrische Leistung vorgegeben. Es wird gezeigt, dass durch eine Änderung der elektrischen Leistung bzw. der Sensortemperatur, ein Eisansatz detektiert werden kann. Zusätzlich ist es möglich qualitativ die Eiswachstumsrate durch den gemessenen Temperaturgradienten des Sensors bestimmen zu können. Auf Grundlage von numerischen Simulationen in ANSYS Workbench und thermodynamischen Zusammenhängen, wurde das System in CAD-CATIA ausgelegt und dimensioniert. Ein verein-fachter theoretischer Ansatz zur Beschreibung des zusätzlich eingebrachten Wärmestroms bedingt durch den Eisansatz wird detailliert dargestellt. Zusätzlich wurde ein Prototyp zur Integration in der Flügelvorderkante entworfen und im Eiswindkanal des IAF in Braunschweig unter ver-schiedenen Randbedingungen getestet. Die Vor- und Nachteile des Systems werden schließlich unter den Gesichtspunkten der Zuverläs-sigkeit, Wartbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Umsetzbarkeit betrachtet.