Wenn sich während des Fluges eine klare oder weiße Eisschicht auf den Tragflächen, am Leitwerk, den Propellern oder Bläserschaufeln, Triebwerkseinläufen und Spinnern bildet, wird aus einem Routineflug schnell eine kritische Situation. Denn Vereisung gehört zu den unterschätzten Gefahren der Luftfahrt – und das ganzjährig. Bildet sich Eis an den Flügeln, verändert sich die Aerodynamik: Der Widerstand nimmt zu, der Auftriebskoeffizient wird kleiner. Die Überziehgeschwindigkeit steigt, es kann bereits bei höheren Fluggeschwindigkeiten zu einem Strömungsabriss kommen. Zudem erhöht Eis das Gewicht des Flugzeugs, wobei auch eine Verschiebung des Schwerpunkts möglich ist, was die Steuerung erschwert. Bewegliche Teile, z. B. Klappen und Ruder, können blockieren. Eingefrorene Sensoren liefern falsche oder gar keine Daten.
Wie sich das Flugverhalten unter Vereisung ändert, wird im Rahmen der Zulassungstests auch unter echten Bedingungen untersucht.
Eisverhütung und Enteisung
Wie an den Flügeln verändert Eis an Propellerblättern die Form und damit die Aerodynamik. Leistungsverlust und Vibrationen sind mögliche Folgen. Gefährlich ist auch Eisbildung an Triebwerkseinlässen. Wenn größere Eisansammlungen plötzlich abbrechen, können Teile im Triebwerksinnern beschädigt werden. Es gibt auch Fälle, in denen sich eingesaugte Eiskristalle trotz hoher Temperaturen im Verdichter ablagern. Das Phänomen nennt sich Ice Crystal Icing (ICI) und tritt vor allem in konvektivem Wetter auf, wenn warme, feuchte Luft aufsteigt, sich abkühlt und Wolken bildet. ICI kann zu Strömungs- oder Flammabriss, zu starken aeroelastischen Schwingungen im Verdichter und zu Schubverlust führen. Bei Temperaturen zwischen 0 und -20 Grad Celsius kommt es nach Angaben von NASA-Forschern besonders häufig zu Vereisung. Es braucht dazu aber nicht nur Kälte, sondern auch flüssiges Wasser. Das ist in der Luft auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt in Form von unterkühlten Wassertröpfchen vorhanden. Wenn diese Partikel auf die eiskalte Flugzeugoberfläche treffen, gefrieren sie. Wichtig ist auch die Größe der Tropfen. Vereinfacht gesagt: je größer, desto stärker die Vereisung. Große unterkühlte Wassertröpfchen finden sich vor allem in größeren Flughöhen in Kumuluswolken. In der kommerziellen Luftfahrt lassen sich Gebiete, in denen mit Vereisung zu rechnen ist, nicht immer umfliegen. Deshalb sind Eisschutzsysteme für die Zulassung nötig. Dabei wird zwischen Eisverhütung (anti-icing) und Enteisung (de-icing) unterschieden. Eisverhütung beugt Eisbildung vor, indem die zu schützenden Flächen so stark erwärmt werden, dass sich kein Eis ansetzen kann. Enteisungssysteme entfernen bereits vorhandenes Eis in regelmäßigen Abständen. Seit den 1930er-Jahren wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die je nach Flugzeuggröße und Antriebsart zum Einsatz kommen.
De-Icing-Boots wie an der ATR 42 sprengen Eisansätze durch kurzzeitiges Aufblasen mit Druckluft von den Flügelvorderkanten ab.
Aufblasbare Gummimatten
Pneumatisch-mechanische Enteisungssysteme waren die ersten auf dem Markt und wurden schnell zum Standard für Propellerflugzeuge. Die Firma Goodrich hat das Verfahren erfunden und es 1932 erstmals bei einem Postflugzeug vom Typ Northrop Alpha eingesetzt. Noch heute ist es verbreitet in der General Aviation, bei kleineren Geschäftsreiseflugzeugen und Turboprops. Zum Einsatz kommen stoffverstärkte Gummimatten, sogenannte de-icing boots, die auf die Vorderkanten von Tragflächen und Leitwerk (seltener an den Propellerblättern) aufgeklebt oder aufvulkanisiert werden. Die Boots bestehen aus einzelnen Zellen, die entweder parallel oder senkrecht zur Vorderkante verlaufen. Die Kammern werden entweder manuell vom Piloten oder automatisch gesteuert mit Druckluft aufgeblasen und sprengen dadurch bereits gebildetes Eis ab. Die Matten sind nur etwa 2 Millimeter dick. Die Druckluft kommt bei größeren Flugzeugen in Form von Zapfluft aus dem Triebwerk, bei kleineren Flugzeugen wird sie durch vom Motor angetriebene Pumpen bereitgestellt. Zudem ist eine Vakuumquelle nötig, um die Matten wieder vollständig zu entleeren. Das Verfahren funktioniert damals wie heute gleich, allerdings haben sich die Materialien verändert. Heute kommen meist glatte Polyurethan-Oberflächen zum Einsatz, die Regen, Sand, UV-Strahlung und Ozon bei guter Pflege relativ lange trotzen. Die Durchmesser der einzelnen Zellen sind heute kleiner und die Aufblas- und Absaugintervalle kürzer. Pneumatische Enteisungssysteme sind leicht, energieeffizient und kostengünstig. Allerdings können sie, auch im nicht aufgeblasenen Zustand, den Luftwiderstand erhöhen. Zudem besteht die Gefahr, dass sich eine Eisbrücke bildet. Das ist ein Eisansatz, der über die Mattenenden hinausgeht und gegen den das System machtlos ist. Deshalb wird heute empfohlen, die Boots bei ersten Anzeichen von Eisbildung zu aktivieren.
Pneumatische Enteisungssysteme mit aufblasbaren Gummimatten gehören zu den ältesten und bis heute verbreiteten Verfahren.
Heiße Luft gegen Eis
Bei Verkehrsflugzeugen mit Strahltriebwerken dominieren heute thermische Eisschutzsysteme mittels Zapfluft. Dabei wird heiße Luft aus den Verdichterstufen der Triebwerke durch Hohlräume in Flügelvorderkanten, Triebwerkseinläufe und Spinner geleitet. Solche Heißluftsysteme lassen sich weiter unterteilen in Verdampfungs-, Nassfließ- und zyklische Enteisungssysteme. Der Airbus A350 beispielsweise nutzt an seinen drei äußeren Vorflügeln ein Zapfluft-Evaporationssystem, das auftreffende Wassertropfen verdampfen lässt. Der Luftkanal in der festen Flügelstruktur ist über ein Teleskoprohr mit den beweglichen Vorflügeln verbunden. Dort sorgt ein spezielles Rohr, das sogenannte Piccolo Tube, dafür, dass die bis zu 250 Grad heiße Zapfluft trotz des zur Flügelspitze hin abnehmenden Drucks gleichmäßig verteilt wird. Durch Öffnungen an der Unterseite der Vorflügel gelangt die heiße Luft aus dem Piccolo Tube schließlich ins Freie. Ein Nassfließsystem erwärmt die zu schützende Oberfläche gerade so stark, dass kein Eis ansetzt. Das durch die Strömung weiterfließende Wasser kann in dahinter liegenden, nicht beheizten Bereichen anfrieren. Nassfließsysteme sind beispielsweise zur Eisverhütung am Triebwerkseinlauf geeignet. Ein zyklisches thermisches Enteisungssystem erwärmt die zu schützenden Oberflächen in bestimmten Abständen mit hohem Wärmeeintrag. Dabei schmelzen kleinere Eisansätze an und werden durch die Strömung entfernt.
In Vereisungstests verifizieren Triebwerkshersteller ihre Eisschutzsysteme.
Hoher Energieverbrauch
Heißluft-Eisverhütungs- und Enteisungssysteme arbeiten zwar zuverlässig, benötigen jedoch viel Energie (mehrere Hundert Kilowatt) – sie gehören zusammen mit der Klimaanlage zu den größten Verbrauchern an Bord. Die entnommene Zapfluft verringert die Triebwerksleistung. Boeing ging zusammen mit dem britischen Zulieferer GKN Aerospace beim Dreamliner deshalb erstmals bei einem Passagierjet einen anderen Weg und setzte auf elektrothermischen Eisschutz an den Flügelvorderkanten. Bis dahin wurden elektrothermische Systeme vor allem zur Beheizung von kleineren Elementen wie Pitotrohren, Anstellwinkelsensoren, Propellerblättern, Wasserleitungen oder Cockpitscheiben genutzt. Bei der Boeing 787 sind acht Heizmatten aus flammgespritzter Metallmatrix in die Flügel aus Kohlefaserverbundwerkstoffen integriert und können individuell gesteuert werden. Das System verbraucht nach Angaben von Boeing zwischen 15,5 und 27,9 Kilowatt pro Quadratmeter und spart gegenüber konventionellen Zapfluftsystemen rund die Hälfte der Energie ein. Der Preis dafür sind zusätzliche Generatoren und große Batterien, die das Flugzeuggewicht erhöhen.
Bereits am Boden wird geprüft, ob Triebwerke auch bei Eiswolken und Nebel in niedrigen Flughöhen sicher arbeiten.
Einfach Abschütteln
Niedrigere Leistungsanforderungen hat das elektromechanische EMEDS-System (electro-mechanical Expulsion De-Icing System), das in den 1980er-Jahren von Innovative Dynamics entwickelt und ab den 2000er-Jahren von der Firma Cox & Co. kommerzialisiert wurde. Es kommt bei einigen Business Jets wie der Cessna Citation Longitude und dem HondaJet, aber auch bei der Boeing P-8 Poseidon der US Navy zum Einsatz. Das System gibt für kurze Zeit einen starken Stromimpuls auf den Aktuator hinter der Flügelvorderkante. Durch das Magnetfeld ändert der Aktuator, der aus gerollten Kupferstreifen besteht, seine Form. So wird auf die Flugzeughaut eine hochfrequente Beschleunigung mit geringer Verformung ausgeübt, die Eis abschüttelt. Die Oberfläche bewegt sich zwischen 0,6 und 1 mm in weniger als 0,005 Sekunden. Der Energieverbrauch liegt nach Angaben von Cox & Co. für ein ganzes Flugzeug unter 500 Watt. EMEDS ist jedoch nicht für Hochleistungsflügel geeignet, die wenig Eisansatz tolerieren. An solchen kritischen Stellen kann es mit einem elektrothermischen oder einem Zapfluft-Nassfließsystem kombiniert werden.
Die NASA testet in ihrem Vereisungswindkanal in Cleveland verschiedene Konfigurationen.
Eisschutzmethoden der Zukunft
Die Leistungsanforderungen von Enteisungs- und Eisverhütungssystemen sind auch für künftige Flugzeuge ein Thema: Emissionsarme Antriebe, zum Beispiel auf der Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen oder hybrid-elektrische Konzepte, werden deutlich weniger Abwärme produzieren. Die heute verbreiteten Zapfluftsysteme fallen damit als Option weitgehend weg. Gleichzeitig stehen für elektrische Enteisungssysteme nur begrenzte Energiereserven zur Verfügung, da Batterien und Brennstoffzellen primär den Antrieb versorgen müssen. Deshalb wird auch an neuen Eisschutzmethoden gearbeitet. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (Fraunhofer LBF) haben im europäischen UP-Wing-Projekt im Rahmen von Clean Aviation gemeinsam mit Partnern ein energiesparendes System entwickelt, das Flügel zu Schwingungen anregt und so das Eis abschüttelt. Sensoren erkennen beginnenden Eisansatz, anschließend ermittelt ein Algorithmus die Resonanzfrequenz der Tragflächen. Sie ist nach Angaben des Fraunhofer LBF abhängig von Material, Geschwindigkeit, Flughöhe, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Dicke der Eisschicht. Piezoelektrische Aktoren lösen dann in den Flügeln gezielt niederfrequente Schwingungen im Bereich von bis zu 5 Kilohertz aus. Perspektivisch seien mit einem solchen System Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent möglich, so das Fraunhofer LBF.
