AQUASENSE - Erforschung und Validierung eines Demonstrators zur simultanen LWC/IWC-Bestimmung in Vereisungswindkanälen

Ausgangspunkt / Motivation

Die Vereisung von Flugzeugkomponenten (wie beispielsweise Tragflächen, Triebwerken oder Sensoren) trägt zu einem wesentlichen Anteil von Flugzeugunfällen bei, die teilweise zu vielen Todesopfern führen. Neben der Anströmgeschwindigkeit und der Lufttemperatur sind der flüssige Wassergehalt, der sogenannte LWC (Liquid Water Content) und der gefrorene Wassergehalt, der sogenannte IWC (Ice Water Content) essentielle Parameter, welche die Vereisungsart und Vereisungsgeschwindigkeit beeinflussen.

Eine große Gefahr stellen große unterkühlte Wassertropfen, sogenannte Supercooled Large Droplets (SLD)s mit einem Tropfendurchmesser bis über 2 Millimeter dar, die aufgrund fehlender Kondensationskeime bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig sind und von denen beim Auftreffen auf die Flugzeugoberfläche ein Teil schlagartig gefriert.

Um diese realen Vereisungsphänomene experimentell nachstellen - und somit Flugzeugsysteme wie Enteisungssysteme testen und optimieren - zu können, sind daher Einrichtungen notwendig, welche diese Umgebungsbedingungen zuverlässig, reproduzierbar und gleichmäßig über den Testquerschnitt sicherstellen können.

Weltweit gib es eine überschaubare Anzahl von Einrichtungen, wie beispielsweise den NASA Glenn Research Icing Tunnel, den CIRA Icing Wind Tunnel und den neuen RTA Icing Wind Tunnel, welche diese Voraussetzungen in Hinblick auf die notwendigen Aktuatoren zur Konditionierung erfüllen.

Um Flugzeugsysteme zu zertifizieren, müssen diese Einrichtungen die aktuellen Vorschriften der Luftfahrtbehörden FAA und EASA befolgen, die eine stabile und reproduzierbare Detektion der vereisungsrelevanten Parameter (u.a. LWC und IWC) über den gesamten Testquerschnitt fordern. Mangels geeigneter Messtechnik sind diese Vorgaben heute nur bedingt einzuhalten.

Ziele

• Entwicklung eines Photoakustischen Sensors zur LWC/TWC Detektion
• Modifikation FHJ Vereisungskanal
• Modifikation RTA Klimawindkanal

Inhalt

Im Rahmen von AquaSense soll erstmalig ein Verfahren für die simultane Detektion von sowohl Aggregatzustand als auch Konzentration von Wasser in strömenden Medien speziell für die Applikation in Vereisungswindkanälen mit hoher Zeitauflösung erforscht werden, um Luftfahrzeugsysteme unter definierten Vereisungsbedingungen testen, optimieren und zertifizieren zu können.

Hierzu wird ein Demonstrator beruhend auf der photoakustischen Spektroskopie entwickelt und im RTA Icing Wind Tunnel und dem FHJ Icing Wind Tunnel bei unterschiedlichen Betriebszuständen getestet.

Methodik / Vorgehensweise

Zur Erfüllung der notwendigen Messgüte (Zeitauflösung und Konzentration) in Hinblick auf LWC und IWC soll im Rahmen von AquaSense ein Verfahren beruhend auf der hochgenauen photoakustischen Spektroskopie (PAS) erforscht und ein Demonstrator aufgebaut werden. Der Demonstrator wird zunächst kosteneffizient im kompakten FHJ Icing Wind Tunnel und anschließend im großen neuen RTA Icing Wind Tunnel validiert.

Dies geschieht einerseits indem LWC-Referenzwerte bei gleichen Umgebungsbedingungen mit integralen Messverfahren (i.e. Blade Methode, Rotating Cylinder Methode) ermittelt werden. Andererseits wird ein etablierter Sensoransatz basierend auf dem Hot Wire (HW) Prinzip zur Verifikation des LWC/IWC verwendet.

Abschließend werden die Ergebnisse mit numerischen Simulationen verglichen. Die Echtzeitmessungen von LWC und IWC sollen in Anlehnung an den Aerospace Recommended Practice Guide der SAE "Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels" (SAE ARP 5905) durchgeführt werden. Damit soll die internationale Akzeptanz der nationalen Vereisungswindkanäle weiter erhöht und die Konformität für Zertifizierungen von Luftfahrtsystemen in Zukunft sichergestellt werden.

Erwartete Ergebnisse

Aeroakustische Auslegung eines PAS-Resonanzkörpers und Design/Herstellung des Resonanzkörpers inklusive Hohlsteg und Befestigungsadapter unter VWS fertigungstechnischen Aspekten mit Berücksichtigung von Zu-, Ableitungen und Befestigungen der Messsensorik sowie der Integration eines Heizsystems.

Adaption der vorhanden Spraydüsen/Umrüstung des RTA IWT für SLD Untersuchungen und die Adaption/Fertigung des Messgerüstes für die Aufnahme aller Messsensoren im RTA IWT sowie die Messtechnik/Hardware und Datenaufzeichnung des PAS-Demonstrators und des HWForschungssensors sind für die veränderten Umgebungsbedingungen im RTA IWT vorbereitet.

Umfangreiche statistische Auswertung der ermittelten LWC/IWC Werte von allen Messverfahren (PAS-Demonstrator, eigengefertigtes HWForschungssensor, angemietetes WCM-2000, BM, RCM) bei allen Betriebszuständen im FHJIWT sowie RTA IWT und Validierung mit analytischen/numerischen Ergebnissen unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten ist abgeschlossen.

• FH JOANNEUM GmbH - Koordinator
• AVL List GmbH
• Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlagen GmbH

Förderprogramm: Take Off