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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine beheizbare Vorderkantenvorrichtung für ein Luftfahrzeug, ein Vorderkantenheizsystem sowie ein Luftfahrzeug mit einer solchen Vorderkantenvorrichtung bzw. einem solchen Vorderkantenheizsystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Bauteile von Flugzeugen, die direkt in eine Luftanströmung gerichtet sind, können unter bestimmten Umgebungsbedingungen und Flugzuständen anfällig für Vereisung sein. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die dennoch einen eisfreien Zustand dieser Bauteile erreichen können. Es sind beispielsweise Vorrichtungen bekannt, die ein anfängliches Anhaften von Eis verhindern (sogenanntes Anti-Icing). Des Weiteren sind Vorrichtungen bekannt, die bereits angehaftetes Eis entfernen können (sogenanntes De-Icing). Die Vorrichtungen können auf der Einleitung von Wärme basieren, etwa mittels Zapfluft, die aus Verdichterstufen eines Turboluftstrahltriebwerks entnommen wird. Außerdem sind Vorrichtungen bekannt, bei denen durch aktives Verformen von Vorderkantenbereichen Eis abgesprengt wird, etwa durch pneumatisch expandierbare Kissen aus einem Elastomer.
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In modernen Verkehrsflugzeugen wird der Verbrauch von Zapfluft zunehmend eingeschränkt. Es existieren daher auch Vorrichtungen, die auf andere Art Wärme erzeugen können. Es ist etwa bekannt, Heizmatten mit einer elektrischen Widerstandsheizung an einer Innenseite von Vorderkanten von Strömungsbauteilen anzuordnen, um Wärme lokal zu erzeugen und abzugeben.
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EP 2 873 617 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Enteisung und/oder Vermeidung von Eisbildung für ein Luftfahrzeug, das eine Wärmeabgabeeinrichtung zur Abgabe von Wärme an einen Oberflächenbereich des Luftfahrzeuges aufweist, welche zur linienförmigen Wärmeabgabe zwecks Erzeugung einer Sollbruchstelle oder Sollbruchlinie oder Trennlinie in sich auf dem Oberflächenbereich ansammelndem Eis ausgebildet ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorderkantenvorrichtung vorzuschlagen, welche auf alternative und verbesserte Weise zur lokalen Erwärmung eingerichtet ist und ein möglichst geringes Gewicht aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine beheizbare Vorderkantenvorrichtung für ein Luftfahrzeug, mit: einer Vorderkantengrundstruktur, einer Heizschicht, wobei die Heizschicht eine Faserverbundschicht mit Fasern und mit einer die Fasern umgebenden Matrix umfasst, wobei die Fasern zumindest teilweise als Leitungsfasern ausgebildet sind, und wobei die Leitungsfasern als Kohlenstofffasern mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung ausgebildet sind.
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Die Leitungsfasern sind erfindungsgemäß in der Vorderkantenvorrichtung integriert, wobei eine Stromquelle endseitig an die Fasern angelegt werden kann, um einen Heizstrom durch diese zu leiten. Aufgrund der elektrisch isolierenden Beschichtung der Leitungsfasern können Leckströme oder ähnliche Effekte vollständig vermieden werden, da sich die isolierten Fasern ohne weiteres berühren können, ohne dass es zu einem Leckstrom kommt. Derartige Beschichtungen von Kohlenstofffasern können mit einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit von bis zu über 700 Grad Celsius auch in einer Massenfertigung relativ kostengünstig und zeiteffizient hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Kohlenstofffasern der Leitungsfasern direkt als Verstärkungsfasern der Faserverbundschicht dienen können und gewissermaßen einen natürlichen Bestandteil der Faserverbundschicht bilden, ohne dass es zu Diskontinuitäten oder elektrochemischen Reaktionen kommt. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann des Weiteren derart ausgewählt werden, dass es zu keinen Beeinträchtigungen des Bindungsverhaltens kommt, d.h. die Leitungsfasern ein ähnliches Bindungsverhalten aufweisen wie unbeschichtete Kohlenstofffasern.
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Prinzipiell können die Leitungsfasern in der Faserverbundherstellung genauso verarbeitet und behandelt werden wie üblicherweise verwendete unbeschichtete Kohlenstofffasern. Darüber hinaus können die Leitungsfasern sogar direkt als Verstärkungsfasern des Faserverbundbauteils wirken. Die Fasern der Faserverbundschicht können auch als Verstärkungsfasern ausgebildet sein.
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Nicht alle Fasern der erfindungsgemäßen Fußbodenplatte müssen als Leitungsfasern, also als Kohlenstofffasern mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, ausgebildet sein. Es kann in der Faserverbundschicht auch nur ein bestimmter Anteil der Fasern als Leitungsfasern ausgebildet sein und ein anderer Anteil der Fasern ist herkömmlich, also beispielsweise als nicht stromdurchflossene Fasern, ausgebildet (d.h. ohne isolierende Beschichtung und/oder in der Form einer nicht elektrisch leitenden Glasfaser). Die erfindungsgemäßen Leitungsfasern sind in der Regel massive bzw. feste Fasern (also mit einem durchgehenden Leitungsquerschnitt). Prinzipiell sind aber auch erfindungsgemäße Leitungsfasern denkbar, die entlang ihrer Faserlängsrichtung einen Hohlraum aufweisen (Hohlfasern).
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Die Vorderkantengrundstruktur der erfindungsgemäßen Vorderkantenvorrichtung kann beispielsweise mehrere Faserverbundstrukturen, wie eine oder mehrere Faserverbundschichten (z.B. Pre-pregs, etc.) umfassen, um für eine Grundfestigkeit der Vorderkantengrundstruktur zu sorgen. Die Vorderkantengrundstruktur der erfindungsgemäßen Vorderkantenvorrichtung kann beispielsweise auch eine Schicht mit einer Honigwabenstruktur umfassen. Derartige Honigwabenstrukturen können der Vorderkantenvorrichtung zusätzliche strukturelle Festigkeit verleihen.
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Durch die Leitungsfasern wird in der Heizschicht gleichmäßig Wärme erzeugt. Die Heizschicht ist typischerweise außenseitig an der Vorderkantenvorrichtung angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorderkantenvorrichtung kann zumindest eine Komponente eines Flügels oder eines Leitwerks des Luftfahrzeugs sein.
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Die erfindungsgemäße Vorderkantenvorrichtung kann beispielsweise durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden: Übereinander Anordnen der Vorderkantengrundstruktur, der Heizschicht und gegebenenfalls einer Schutzschicht bzw. Erosionsschicht, und gemeinsames Aushärten dieser Elemente, so dass sich ein Vorderkantenvorrichtungsverbund bildet. Erfindungsgemäß wirken die Kohlenstofffasern der Leitungsfasern nicht nur als Heizelemente sondern gleichzeitig auch als Verstärkungselemente der Faserverbundschicht bzw. der gesamten Vorderkantenvorrichtung.
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Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsfasern einen oder mehrere geschlossene Stromkreise bilden. Somit kann in vorteilhafter und erfindungsgemäßer Weise ein Heizstrom durch die Leitungsfasern geleitet werden. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung werden Leckströme vermieden. Die isolierten Fasern können sich ohne weiteres berühren, ohne dass es zu einem Kurzschluss kommt.
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Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist die isolierende Beschichtung eine Polymer-Beschichtung, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Beschichtung. Die Beschichtung kann insbesondere als feste Polymer-Elektrolyt-Beschichtung (englisch: „solid polymer electrolyte“) ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Polymer-Elektrolyt-Beschichtung ein Methoxypolyethylenglycoi-Monomethacrylat enthalten (englisch: „methoxy polyethyleneglycol monomethacrylate“). Derartige Polymer-Elektrolyt Beschichtungen können eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 700 Grad Celsius aufweisen, dabei jedoch gleichzeitig hervorragende Bindungseigenschaften für die Einbindung in faserverstärkte Bauteile, z.B. in ein kohlenstofffaserverstärktes Thermoplast, bieten.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Form der Anordnung der Leitungsfasern in der Faserverbundschicht ausgewählt ist aus der Gruppe: Einzelfaser, Faserbündel, Faserbänder, Fasergelege, Fasermatten, Fasergewebe und Faservliese. Die erfindungsgemäßen Leitungsfasern können in unterschiedlichen Varianten angeordnet bzw. integriert werden. Die erfindungsgemäße Heizfunktion der Leitungsfasern bleibt prinzipiell und vorteilhaft unabhängig von der Anordnungsform der Leitungsfasern erhalten.
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Bevorzugt ist des Weiteren eine Vorderkantenvorrichtung, die ferner umfasst: eine Schutzschicht, insbesondere eine äußere Erosionsschicht, die außenseitig an der Vorderkantenvorrichtung angeordnet ist. Die Schutzschicht dient hauptsächlich dem Schutz vor Erosion und anderen mechanischen Beeinträchtigungen des Lagenaufbaus. Diese kann ein Lack, eine Farbe, eine metallische Schutzlage oder ähnliches umfassen. Selbstverständlich kann die Schutzschicht auch mehrlagig aufgebaut sein.
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Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform Vorderkantenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Beschichtung eine Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 1 Mikrometer aufweist. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Beschichtung eine Dicke von 0,5 Mikrometer aufweisen. Die elektrisch isolierende Beschichtung umgibt die Kohlenstofffasern der Leitungsfasern vollständig. Mit anderen Worten: die elektrisch isolierende Beschichtung ist auf den Kohlenstofffasern angebracht. Die Kohlenstofffasern können beispielsweise einen Durchmesser zwischen 6 und 7 Mikrometer aufweisen, sodass sich ein Durchmesser der Leitungsfasern von etwa 7 bis 8 Mikrometer ergibt.
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Bevorzugt sind die Leitungsfasern, derart in der Faserverbundschicht integriert, dass die Leitungsfasern zumindest endseitig aus der Faserverbundschicht herausragen. Dadurch, dass die Leitungsfasern endseitig, also an ihren jeweiligen Enden, über die Faserverbundschicht überstehen, kann eine Stromquelle in einfacher Art und Weise an diese Enden angeschlossen werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Vorderkantenheizsystem für ein Luftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Vorderkantenvorrichtung und eine Stromquelle zur Bereitstellung elektrischer Heizleistung, wobei die Stromquelle elektrisch an die Vorderkantenvorrichtung, insbesondere an den oder die geschlossenen Stromkreise, angeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Vorderkantenheizsystem macht im Wesentlichen von denselben Vorteilen Gebrauch, wie die erfindungsgemäß beheizbare Vorderkantenvorrichtu ng.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des Vorderkantenheizsystems das ferner aufweist: eine Regeleinheit mit Temperatursensoren, wobei durch die Regeleinheit und die Temperatursensoren die Heizleistung der Stromquelle regelbar ist. Auf diese Weise kann der durch die Leitungsfasern geleitete Strom kontinuierlich angepasst werden, falls aufgrund der vorgefundenen meteorologischen Umgebungsbedingungen vor oder während des Fluges ein Anti-Icing oder De-Icing gewünscht ist.
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Bevorzugt ist die Heizleistung derart ausgewählt, dass sich eine Oberflächentemperatur an einer Außenseite der Vorderkantenvorrichtung zwischen + 1°C und + 10° C, insbesondere zwischen + 3° C und + 6° C, einstellt. Bei derartigen Oberflächentemperaturen an der Außenseite der Vorderkantenvorrichtung wird ein Eisansatz erfolgreich unterbunden. Um eine entsprechende Heizleistung auszuwählen und bereitzustellen, kann beispielsweise von solchen Umgebungsbedingungen (Umgebungslufttemperatur, Umgebungsluftfeuchtigkeit, Anströmgeschwindigkeit) ausgegangen werden, bei denen typischerweise ein Eisansatz möglich ist (also gewissermaßen ein Negativszenario). Eis, welches sich an angeströmten Flächen eines Luftfahrzeugs an- bzw. absetzt, kann unterschiedlich Formen beziehungsweise Struktur annehmen. In der Regel unterscheidet man Klareis, Raueis und Mischeis, wobei diese Eisformen an luftumströmten Außenflächen bei Umgebungslufttemperaturen zwischen ca. - 15°C und ca. + 5°C vorkommen können. Um für ein Anti-Icing oder ein De-Icing eine Heizleistung auszuwählen und zur Verfügung zu stellen, die zu einer Oberflächentemperatur zwischen + 1°C und + 10° C, insbesondere zwischen + 3° C und + 6° C, führt, kann also beispielsweise von einer Reiseflug-Anströmgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs (typischerweise bei ca. 830 km/h) und einer Umgebungslufttemperatur zwischen ca. - 15°C und ca. + 5°C sowie den regelmäßig während eines Reiseverlaufs auftretenden Umgebungsluftfeuchtigkeiten ausgegangen werden. Auf diese Weise kann durch die entsprechende Heizleistungsdimensionierung Anti- bzw. De-Icing, insbesondere bei Umgebungsbedingungen sichergestellt werden, die ein Eisansatz begünstigen. Es versteht sich, dass ein Eisansatz dann auch bei für den Eisansatz weniger günstigen Bedingungen (beispielsweise trockenere Umgebungsluft oder niedrigere Anströmgeschwindigkeiten oder höhere Umgebungstemperaturen) unterbunden werden kann.
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Schließlich wird die Aufgabe ebenfalls gelöst durch ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorderkantenvorrichtung oder mit einem erfindungsgemäßen Vorderkantenheizsystem. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug macht im Wesentlichen von denselben Vorteilen Gebrauch, wie die erfindungsgemäß beheizbare Vorderkantenvorrichtung bzw. das erfindungsgemäß beheizbare Vorderkantenheizsystem.
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Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsform entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben wird.
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Figurenliste
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrativ und nicht beschränkend sind. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken. Die Figuren sind nicht maßstäblich zu verstehen sondern haben nur schematischen und illustrativen Charakter. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorderkantenvorrichtung,
- 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leitungsfaser,
- 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Vorderkantenheizsystem mit einer Vorderkantenvorrichtung, und
- 4 ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Vorderkantenheizsystem bzw. einer erfindungsgemäßen Vorderkantenvorrichtung.
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Die 1 zeigt eine beheizbare Vorderkantenvorrichtung 10 für ein Luftfahrzeug 12. Die Vorderkantenvorrichtung 10 weist eine Vorderkantengrundstruktur 14 und eine Heizschicht 16 auf. Die Vorderkantenvorrichtung 10 kann ferner noch eine Schutzschicht 18 umfassen. Die Heizschicht 16 weist mindestens eine Faserverbundschicht 20 auf, die ihrerseits Fasern und eine die Fasern umgebende Matrix aufweist (nicht näher dargestellt). Die Heizschicht 16 kann neben der mindestens einen Faserverbundschicht 20 prinzipiell auch noch weitere Faserverbundschichten aufweisen. Diese weiteren Faserverbundschichten können beispielsweise herkömmliche glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (GFK oder CFK) sein.
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Im Unterschied hierzu sind bei der mindestens einen Faserverbundschicht 20, die Fasern zumindest teilweise als Leitungsfasern 22 ausgebildet (vgl. 2). Hierzu sind die Leitungsfasern 22 als Kohlenstofffasern 24 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 26 ausgebildet. Die Leitungsfasern 22 können als elektrische Leiter und somit als elektrische Heizelemente zum Beheizen der Vorderkantenvorrichtung 10 verwendet werden. Die Leitungsfasern 22 sind dabei in die Vorderkantenvorrichtung 10 integriert, wobei eine Stromquelle 46 (vgl. 3) an die Leitungsfasern 22 angelegt werden kann, um einen Heizstrom durch diese zu leiten. Durch den als elektrische Heizelemente wirkenden Leitungsfasern 22 kann an einer Außenseite 28 der Vorderkantenvorrichtung 10 eine gewünschte Oberflächentemperatur eingestellt werden. Aufgrund der elektrisch isolierenden Beschichtung 26 der Leitungsfasern 22 werden Leckströme vermieden. Die Leitungsfasern 22 sind derart in der Faserverbundschicht 20 integriert, dass sie endseitig über Anschlusselemente 15 aus der Faserverbundschicht 20 herausragen. Die Leitungsfasern 22 können sich berühren und dabei nicht nur als Stromleiter sondern gleichzeitig auch als Verstärkungsfasern der Faserverbundschicht 20 dienen.
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Die Vorderkantengrundstruktur 14 umfasst eine erste Faserverbundschicht 5, eine zweite Faserverbundschicht 7 und eine dritte Faserverbundschicht 9. Diese Faserverbundschichten 5, 7, 9 können beispielsweise herkömmliche glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (GFK oder CFK) sein. Es versteht sich, dass die Vorderkantengrundstruktur 14 zusätzlich auch noch weitere Faserverbundschichten umfassen kann. Ferner ist es möglich, dass die Vorderkantengrundstruktur 14 auch eine Honigwabenstruktur aufweist (nicht dargestellt).
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Die Schutzschicht 18, die beispielsweise als eine äußere Erosionsschicht ausgebildet sein kann und die außenseitig an der Vorderkantenvorrichtung 10 angeordnet ist, dient dem Schutz vor mechanischen Beeinträchtigungen der Heizschicht 16 und der darunter bzw. innen angeordneten Vorderkantengrundstruktur 14. Die Schutzschicht 18 kann zum Beispiel als ein Lack, eine Farbe, oder eine metallische Schutzlage ausgebildet sein oder mehrlagig aufgebaut sein.
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Die in der 2 dargestellte elektrisch isolierende Beschichtung 26 kann eine Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 1 Mikrometer aufweisen. Die Kohlenstofffasern 24 können beispielsweise einen Durchmesser zwischen 6 und 7 Mikrometer aufweisen, sodass sich ein Durchmesser der Leitungsfasern 22 von etwa 7 bis 8 Mikrometer ergibt. Die elektrisch isolierende Beschichtung 26 ist beispielsweise als Polymer-Elektrolyt-Beschichtung ausgebildet. Derartige Polymer-Elektrolyt Beschichtungen können eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 700 Grad Celsius aufweisen, dabei jedoch gleichzeitig hervorragende Bindungseigenschaften für die Einbindung in faserverstärkte Bauteile bieten.
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Die 3 zeigt ein Vorderkantenheizsystem 40 für ein Luftfahrzeug 12. Das Vorderkantenheizsystem 40 umfasst eine Vorderkantenvorrichtung 10 und eine Stromquelle 46 zur Bereitstellung elektrischer Heizleistung. In der 3 ist die Faserverbundschicht 20 der Vorderkantenvorrichtung 10 exemplarisch abgerollt dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Faserverbundschicht 20 bzw. die nicht dargestellte Vorderkantengrundstruktur 14, wie in 1 dargestellt, die Form einer Flügel- oder Leitwerksvorderkannte aufweisen kann. Die Stromquelle 46 ist elektrisch leitend an die Vorderkantenvorrichtung 10 angeschlossen. Das Vorderkantenheizsystem 40 weist des Weiteren eine Regeleinheit 50 mit Temperatursensoren 48 auf, durch die die Heizleistung der Stromquelle 46 regelbar ist. Durch die Regeleinheit 50 kann der in den Leitungsfasern 22 elektrisch geleitete Strom kontinuierlich angepasst werden, sofern es zu einer Abweichung von einer gewünschten Solltemperatur kommt und man die Abweichung kompensieren möchte. Durch die Regeleinheit 50 kann die Heizleistung derart ausgewählt werden, dass sich eine Oberflächentemperatur an einer Außenseite 28 der Vorderkantenvorrichtung 10 zwischen + 1°C und + 10° C, insbesondere zwischen + 3° C und + 6° C, einstellt.
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Die Leitungsfasern 22 sind so in die Faserverbundschicht 20 integriert, dass sie endseitig über die Anschlusselemente 15 aus der Faserverbundschicht 20 herausragen und elektrisch angeschlossen werden können. Die Leitungsfasern 22 bilden einen geschlossenen Stromkreis 30, wobei die Stromquelle 46 über die Anschlusselemente 15 elektrisch leitend an den geschlossen Stromkreis 30 angeschlossen ist.
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In der 3 sind die den geschlossenen Stromkreis 30 bildenden Leitungsfasern 22 lediglich beispielhaft in der Form einer mäandrierenden und fortlaufenden Einzelfaser in der Faserverbundschicht 20 ausgewählt und dargestellt. Alternativ kann die Form der Anordnung der Leitungsfasern 22 in der Faserverbundschicht 20 ausgewählt sein aus der Gruppe: Faserbündel, Faserbänder, Fasergelege, Fasermatten, Fasergewebe oder Faservliese. Dabei ist es dann prinzipiell auch möglich, eine Vielzahl an geschlossenen Stromkreisen 30 zum Beheizen der Vorderkantenvorrichtung 10 zu realisieren.
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Die 4 zeigt schließlich ein Flugzeug 12, in das eine beheizbare Vorderkantenvorrichtung 10 bzw. ein Vorderkantenheizsystem 40 integriert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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