Entwurf, Aufbau und Test einer adaptiven Heizsteuerung für ein multifunktionales Leichtbaupaneel

Abstract

De-Icing Systeme dienen in der Luftfahrt als eines der wichtigsten Sicherheitssysteme. Sie ermöglichen eine Enteisung an strömungsführenden Flugzeugstrukturen, welches für optimale Flugeigenschaften essenziell ist. Das am weitesten verbreitete De- Icing System in kommerziellen Turbofan-Flugzeugen ist das Zapfluftsystem. Dieses System trägt durch seine Beschaffenheit permanent zur Gesamtmasse des Flugzeugs bei, insbesondere auch dann, wenn keine Enteisung nötig ist. Es sorgt demnach doppelt für einen höheren Treibstoffverbrauch, indem es die Systemmasse vergrößert und durch die Zapfluftentnahme die Triebwerkseffizienz reduziert. Die zusätzliche Nutzung lasttragender Strukturelemente zur Abgabe Joulescher Wärme könnte das Zapfluftsystem ablösen. Zur Untersuchung des Potentials soll ein System entwickelt werden, welches die Oberfläche eines bereitgestellten multifunktionalen Leichtbaupaneel durch eine adaptiv gestaltete Heizrate auf eine einstellbare Temperatur erhitzt und diese anschließend hält. Das System soll dabei durch eine geeignete Sensoranordnung die Oberflächentemperaturverteilung diskret aufzeichnen und anschließend die relevanten Prozessdaten für eine externe Auswertung abspeichern. Die Daten sollen dabei helfen, Kenntnislücken bezüglich der Wärmeausbreitung an der Oberfläche und deren Regulierbarkeit zu schließen. Zudem sollen Erkenntnisse über das Systemverhalten herausgearbeitet werden. Nach Abschluss einer domänenspezifischen Entwicklung der Unterkomponenten und der Systemintegration wird das System verifiziert und das Ergebnis der Entwicklung anhand eines Anforderungsabgleiches bewertet. Abschließend werden anhand einer fallspezifischen Energiebilanz die Möglichkeiten zu einer zeitlichen und energetischen Optimierung des Prozesses vorgestellt.

De-icing systems serve as one of the most important security systems in commercial aircraft. They enable ice removal on aerodynamic aircraft structures, which is essential for optimal flight characteristics. The bleed air system is the most common deicing system in commercial turbofan aircraft. Due to its presence, this system adds permanently to the total mass of the aircraft, especially when de-icing is not necessary. It therefore leads to higher fuel consumption, by increasing the aircraft mass and reducing the engine efficiency through the extraction of bleed air. Using load-bearing structural elements to additionally dissipate joule heat could replace the whole bleed air system. To investigate the potential, a system is to be developed, which heats the surface of a provided multifunctional lightweight panel by an adaptively designed heating rate to an adjustable temperature and then maintains this temperature. The system should record the surface temperature distribution discretely using a suitable sensor arrangement and then save relevant process data for external evaluation. The data is intended to help close gaps in the knowledge about heat propagation at the surface and its controllability. In addition, knowledge about system behavior should be elaborated. After completion of a domain-specific development of the sub-components and the system integration, the system is verified and the result of the development is evaluated on the basis of a requirement comparison. Finally, a case-specific energy balance is used to present the possibilities for optimising the process in terms of time and energy.