Luftfahrt: Nachweis unterkühlter Wassertropfen während des Fluges

Wenn große unterkühlte Wassertropfen während des Fluges an Flugzeugen vereisen, stellt das oft eine besondere Herausforderung für den Flugbetrieb dar. Denn die daraus entstehende Vereisung kann sich an Positionen des Flugzeugs befinden, die die bekannten Schutzsysteme nicht erreichen können. Zusätzlich wächst das Eis in der Regel auch schneller als bei anderen Vereisungstypen, wie etwa mit kleineren Wassertropfen. Im EU-Projekt SENS4ICE – die Abkürzung steht für „Sensors and certifiable hybrid architectures for safer aviation in icing environment“ – hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt gemeinsam mit 16 weiteren Projektbeteiligten neuartige Technologien zur Detektion solcher „Supercooled Large Droplets“, kurz SLD, untersucht.

Fünf Jahre lief das Projekt, in dem die Forscher zehn Technologien zur direkten Eiserkennung im Flug entwickelt und erfolgreich zunächst in Vereisungswindkanälen mit SLD-Bedingungen getestet haben. Einer der neuen Ansätze ist der vom DLR-Institut für Systemleichtbau erarbeitete „Local Ice Layer Detector“ LILD, der in Flugzeugstrukturen wie Flügel oder Leitwerk integriert werden kann. Dafür werteten die Wissenschaftler Ultraschallwellen aus, die durch Flugzeugvereisung beeinflusst werden.

Andere Projektbeteiligte entwickelten Technologien für Flugzeugsensoren, die auf thermischen, optischen oder elektrischen Prinzipien basierten. Eine weitere untersuchte Methode arbeitete mit Satellitendaten: Die Forscher konnten durch Fernerkundung atmosphärische Vereisungsbedingungen identifizieren und meteorologische Prognosen verbessern.

Am DLR-Institut für Flugsystemtechnik verfolgten die Wissenschaftler einen neuartigen, flugzeugbasierten Ansatz. Sie entwickelten eine Software mit einem Überwachungs-Algorithmus, der die Flugleistung kontinuierlich überprüft und dadurch Rückschlüsse auf den Vereisungszustand zieht. Vereist ein Flugzeug, führt dies zu Abweichungen vom normalen Flugzustand und kann so auf indirekte Weise detektiert werden.

Neu ist, dass das Projekt einen hybriden Ansatz verfolgt: Die Forscher kombinierten verschiedene Detektionsmöglichkeiten miteinander, um durch die Vorteile der jeweiligen Sensorik, wie zum Beispiel Schnelligkeit und Genauigkeit, SLD-Vereisung am Flugzeug schnell und fehlerfrei zu erkennen. „Die hybride Eiserkennung ist ein vielversprechender Ansatz zur frühzeitigen und zuverlässigen Warnung bei den seltenen SLD-Vereisungsbedingungen“, erklärt Projektleiter Carsten Schwarz vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik.

Zwei Flugversuchskampagnen wurden unter speziellen SLD-Vereisungsbedingungen durchgeführt. Diese treten selten auf und sind schwer vorherzusagen. Daher koordinierte das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre eine Gruppe von Meteorologen und Wissenschaftlern, die vor und während der Kampagnen durch Wettervorhersage entscheidend unterstützten, insbesondere auch während der Flüge. Sie vermaßen bei beiden Versuchsflugzeugen die atmosphärischen Bedingungen mit Hilfe von präzisen Wolken-Instrumenten. Die so gewonnenen Daten bildeten die Referenz für die Bewertung der neuen Technologien zur Eisdetektion.

Eine von Embraer betriebene Phenom 300 führte 15 Flüge mit insgesamt 25 Flugstunden in Nordamerika im Februar und März 2023 durch. Im europäischen Luftraum führte das französische ATR 42 Forschungsflugzeug von Safire im April 2023 ebenfalls 15 Flüge mit etwa 50 Flugstunden in Südfrankreich durch. Insgesamt flogen die Forscher in beiden Kampagnen über 14 Stunden in Vereisungsbedingungen und über zweieinhalb Stunden in SLD-Bedingungen. Wertvolle Zeit, in der sie Daten sammeln und ihre Technologien erfolgreich testen konnten.

Die erfolgreich erprobten Sensoren und Systeme eröffnen weitreichende Anwendungsmöglichkeiten – nicht nur für die Zulassung und den sicheren Betrieb zukünftiger Verkehrsflugzeuge und in Anbetracht der Herausforderungen der zukünftigen energieeffizienten und nachhaltigen Luftfahrt – sondern auch für neuartige Fluggeräte, wie in den Bereichen Unmanned Aerial Vehicle und Urban Air Mobility.

„Beste Resultate ergab die Kombination von Detektion der atmosphärischen Vereisungsbedingungen mit dem Identifizieren des tatsächlichen Eisansatzes am Flugzeug, zusätzlich unterstützt durch das Monitoring der Flugleistung“, bewertet Schwarz die Projektergebnisse. „Mit den gesammelten Daten und Erfahrungen wurde sehr deutlich, dass noch mehr Untersuchungen der speziellen SLD-Vereisungsbedingungen für ein erweitertes Verständnis erforderlich sind. Bereits jetzt ist aber klar, dass nicht nur das Wissen über atmosphärische Bedingungen und Eisansatz am Flugzeug, sondern vor allem auch die Auswirkungen auf die Flugcharakteristik von entscheidender Bedeutung für das Gewährleisten eines sicheren Flugbetriebs sind.“

DLR / RK