Nieuwe technologieën om ijsvorming tijdens vluchten te detecteren

De opeenhoping van grote onderkoelde waterdruppels op vliegtuigen kan een uitdaging vormen voor de vluchtuitvoering. IJsvorming als gevolg van supergekoelde grote druppels (Supercooled Large Droplets, SLD) kan zich vormen op plaatsen waar ijsbeschermingssystemen niet kunnen komen. Bovendien heeft dit ijs de neiging om sneller te groeien dan andere soorten ‘ijsvorming’, zoals van kleinere waterdruppels. Het EU-project SENS4ICE (SENSors and certifiable hybrid architectures for safer aviation in ICing Environment) heeft nieuwe technologieën onderzocht om SLD-ijsvorming te detecteren.

Tijdens het vijf jaar durende project ontwikkelden onderzoekers tien technologieën om ijs tijdens de vlucht direct te detecteren. Ze hebben deze vervolgens met succes getest in windtunnels voor ijsvorming onder omstandigheden met zowel kleine druppels als SLD-ijsvorming. Een van deze nieuwe technologieën is de Local Ice Layer Detector (LILD), ontwikkeld door het DLR Institute of Lightweight Systems. Deze technologie kan worden geïntegreerd in vliegtuigstructuren zoals vleugels of staartvlakken. De LILD analyseerde hoe ijsvorming in vliegtuigen ultrasone golven beïnvloedt, dus hoe ze veranderen als er ijs op het vliegtuig komt. Andere onderzoekers ontwikkelden sensortechnologieën voor vliegtuigen op basis van thermische, optische en elektrische principes, terwijl sommige methoden de identificatie van SLD-condities met behulp van satellietgegevens onderzochten. Doit zou ook weersvoorspellingen verbeteren.

Nieuwe software

Wetenschappers van het DLR Instituut voor Vliegtuigsystemen ontwikkelden een nieuwe aanpak voor het bepalen van ijsvorming en de impact daarvan op basis van de prestaties van het vliegtuig. Ze ontwikkelden software met een monitoringalgoritme. Dit algoritme analyseert continu de prestaties van het vliegtuig. Het leidt daaruit de ijsafzetting af. IJsafzetting veroorzaakt afwijkingen van de normale vliegtoestand. Hiermee kon het ijs indirect worden gedetecteerd. Bijzonder innovatief was de hybride aanpak van het project. Door verschillende detectietechnologieën te combineren profiteerden ze van individuele technologische voordelen zoals precisie en snelle detectie. Maar ze kregen ook robuustere algemene resultaten. “Hybride ijsdetectie is een veelbelovende aanpak voor betrouwbare en vroegtijdige waarschuwingen in het geval van zeldzame SLD ijsvorming.” Dat concludeert Carsten Schwarz, projectcoördinator bij het DLR Institute of Flight Systems.

IJsvorming

Onderzoekers voerden twee testcampagnes uit tijdens de vlucht. Dit deden ze door tijdens het vliegen door wolken van supergekoelde grote druppels te vliegen. Deze omstandigheden zijn echter zeldzaam en moeilijk te voorspellen. Het DLR-instituut voor atmosferische fysica coördineerde daarom een team van meteorologen en wetenschappers. Zij boden essentiële ondersteuning door het weer vóór de vliegproeven en vooral in realtime te voorspellen. Voor beide vluchtcampagnes werden de atmosferische omstandigheden gemeten met speciale zeer nauwkeurige microfysische instrumenten. Deze gegevens vormen het referentiemateriaal dat wordt gebruikt om nieuwe ijsdetectietechnologieën te evalueren.

Vluchttestcampagnes

Een Phenom 300 light jet van Embraer voerde 15 vluchten uit in Noord-Amerika, met in totaal 25 vlieguren. In Europa voerde het ATR 42-milieuonderzoeksvliegtuig van SAFIRE (de Franse faciliteit voor onderzoek vanuit de lucht) ook 15 vluchten uit in Zuid-Frankrijk, in totaal ongeveer 50 vlieguren. Samen vlogen beide campagnes meer dan 14 uur in ijsomstandigheden en meer dan twee en een half uur in SLD-omstandigheden. Tijdens deze testvluchten kon data worden verzameld om de technologieën met succes te testen.

Veel potentie

De beproefde sensoren en systemen openen potentiële toepassingen. Niet alleen voor de certificering en veilige exploitatie van toekomstige commerciële vliegtuigen en met het oog op de uitdagingen van de toekomstige energie-efficiënte en duurzame luchtvaart. Het is ook geschikt voor nieuwe vliegtuigtypes, zoals UAV (onbemand luchtvaartuig) of UAM (stedelijke luchtmobiliteit). “De beste resultaten werden behaald door de detectie van atmosferische ijsvorming te combineren met de identificatie van daadwerkelijke ijsafzetting op het vliegtuig, aanvullend ondersteund door het monitoren van de prestaties van het vliegtuig,” concludeert Schwarz. “De verzamelde data en ervaring maakten het heel duidelijk dat verder onderzoek naar de specifieke SLD icing condities nodig is om een dieper inzicht te krijgen. Het is nu al duidelijk dat inzicht in niet alleen de atmosferische omstandigheden en ijsafzetting op het vliegtuig, maar vooral ook in de effecten op de vliegeigenschappen cruciaal zijn voor een veilige vluchtuitvoering.”

Foto: DLR (CC BY-NC-ND 3.0) Bron: DLR
Lees ook: Drones beschermen windturbines tegen ijs