Detektion lokaler Vereisungen einer Flugzeugtragfläche mittels integrierter Piezoelemente - Demonstratorstruktur mit Option zur Enteisung

1. Ziele
2. Ergebnisse
3. Methoden
4. Kontakt
    

Ziele

Ziel ist es, mit Hilfe einer integrierten Sensorik und Aktorik die Vereisung von Flugzeugtragflächen zu detektieren (Abbildung 1). Des Weiteren wird analysiert, inwieweit integrierte Piezomodule auch aktorisch zur Enteisung bzw. zur Unterstützung der Enteisung (in Kombination mit Heizelementen) sowie zur Prävention von Aneisungen genutzt werden können. Die Untersuchungen werden dabei an einem Demonstrator, welcher einen Ausschnitt aus einer Flugzeugtragfläche darstellt, durchgeführt (Abbildung 2).

Abb. 1: Vereiste Tragfläche eines Kleinflugzeuges [DWD17]
 

Abb. 2: Demonstrator "Flugzeugtragfläche" mit integrierten Piezomodulen
 

Ergebnisse

Experimentelle Voruntersuchungen

Zum Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit der Eiserkennung mittels integrierter Piezomodule wurden Vorversuche an der Demonstratorstruktur „Flugzeugtragfläche“ durchgeführt. Anhand von Frequenzganganalysen des integrierten Piezomoduls bei unterschiedlichen Temperaturen (d. h. Raumtemperatur, -40 °C) und unter der Einwirkung einer Zusatzmasse (d. h. Eis) erfolgte die Identifikation der jeweiligen Resonanzfrequenzen. Als Messgrößen zur Erfassung des Einflusses der Zusatzmasse auf die Resonanzfrequenzen sowie des Einflusses der Temperatur dienten die Impedanz und der Verlustwinkel bei variierenden Anregungsfrequenzen. Die Frequenzganganalysen der Piezomodule wurden bei Raumtemperatur mit und ohne Zusatzmasse durchgeführt (vgl. Abbildung 3). Weitere Frequenzganganalysen wurden an der temperierten Demonstratorstruktur bei -40 °C ohne und mit Zusatzmasse realisiert.

Room temperature (initial state)

Room temperature, with additive mass

-40 °C, without additive mass

-40 °C, iced (with additive mass)

Abb. 3: Bestimmung des Einflusses von Vereisungen auf die Resonanzfrequenz der Demonstratorstruktur „Flugzeugtragfläche“

Im Ergebnis zeigt sich, dass die Detektion einer Massezunahme, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperaturen von bis zu -40 °C, mit Hilfe integrierter Piezomodule möglich ist.

Methoden

Der Lösungsansatz beinhaltet die Bestimmung der zur Vereisungsdetektion und Enteisung geeigneten Eigenfrequenzen und Eigenmoden mit den lokalen Maxima der Phasenverschiebung sowie des Scheinwiderstandes. Durch gezielt positionierte Piezomodule werden ausgewählte Frequenzen angeregt, wobei die lokalen Vereisungen durch den Massezuwachs Verschiebungen der Resonanzfrequenzen induzieren. Diese werden mittels der integrierten Piezomodule detektiert. Die gezielte Einleitung von Vibrationen soll als Möglichkeit zur mechanischen Enteisung bzw. zur Unterstützung der Enteisung mittels thermischer Heizelemente genutzt werden. Als Piezomodule kommen in erster Linie die im SFB/TR39 entwickelten thermoplastverbundkompatiblen Piezokeramikmodule (TPM) zum Einsatz (vgl. TP A05), welche in den in TP B01 entwickelten Demonstrator „Flugzeugtragfläche“ aus Aluminiumblech integriert werden. Die wesentlichen Arbeitsaufgaben sind:

• Entwicklung eines Konzeptes zur strukturellen Integration mehrerer Piezomodule in die Demonstratorstruktur sowie zu deren sensorischer und aktorischer Nutzung
• Simulative Auslegung geeigneter Sensor- und Aktorpositionen
• Umformtechnische Herstellung der Demonstratorstruktur
• Funktionscharakterisierung des Demonstrators, d. h. Ermittlung von Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen durch Vibrometermessungen
• Funktionstest zur Detektion von Vereisungen, d. h. gezielte Anregung von Resonanzfrequenzen und Detektion des Antwortsignals bei lokaler Vereisung
• Konzeptentwicklung und Funktionstest zur schwingungsunterstützten Enteisung und Aneisungsvermeidung

Quellen

[DWD17] Deutscher Wetterdienst: Erkennung vereisungsgefährdeter Lufträume (ADWICE), https://www.dwd.de/DE/forschung/wettervorhersage/met_fachverfahren/unterstuetzung_flugwettervorhersage/adwice.html, 2017
 

Kontakt

Dr.-Ing. Matthias Nestler
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Reichenhainer Straße 88, 09126 Chemnitz
Telefon: +49 371 5397-1263

E-Mail: matthias.nestler@…

Dr.-Ing. Thomas Mäder
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Reichenhainer Straße 88, 09126 Chemnitz
Telefon: +49 371 5397-1577

E-Mail: thomas.maeder@…

Dr.-Ing. Burkhard Kranz
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Nöthnitzer Straße 44, 01187 Dresden
Telefon: +49 371 4772-2341

E-Mail: burkhard.kranz@…