Trillingen gebruiken om vliegtuigvleugels te ontdooien

Simulatie van een vleugeltrilling die een typische eigenmode laat zien zoals die voorkomt bij trillingen. (afbeelding Fraunhofer LBF)

IJsvorming op de vleugels van een vliegtuig is gevaarlijk voor het hele vliegtuig. IJs vermindert de lift, verhoogt de luchtweerstand en kan de beweeglijkheid van besturingsvlakken zoals hoogteroeren, rolroeren en roeren belemmeren. In het ergste geval kan het vliegtuig in de lucht overtrekken en neerstorten. Het probleem kan zich op elk moment van het jaar voordoen, vooral wanneer een vliegtuig na het opstijgen of tijdens de daling door wolken of lagen koude, vochtige lucht vliegt. Om dit probleem aan te pakken, zijn vliegtuigen uitgerust met thermische systemen die warme lucht van de motoren aanzuigen en over het oppervlak van de vleugels leiden. Dit proces vereist echter veel energie en heeft ook invloed op de efficiëntie van de motoren.

Het Fraunhofer Instituut voor Structurele Duurzaamheid en Systeembetrouwbaarheid (LBF) werkt nu samen met partners om een ​​energiebesparende ontdooimethode te ontwikkelen. Het basisidee is dat het bevroren deel van de vliegtuigvleugel trilt, waardoor het ijs scheurt en afbladdert.

Eerst detecteren sensoren ijsvorming op specifieke delen van de vleugel. Vervolgens wordt de natuurlijke resonantiefrequentie bepaald, d.w.z. het frequentiebereik waarbij het materiaal begint te trillen, waarna piëzo-elektrische actuatoren worden geactiveerd. De actuatoren activeren laagfrequente materiaaltrillingen gericht op de plekken waar het ijs zich heeft gevormd. “De trillingen liggen in het bereik van slechts enkele kilohertz. Ze zijn onzichtbaar voor het blote oog, maar zeer effectief. Het ijs dat aan de vleugel kleeft, breekt af en valt eraf”, legt Denis Becker, onderzoeker bij Fraunhofer LBF, uit.

Resonantiefrequentie van vleugels
Om de trillingsfrequentie te berekenen, moesten de Fraunhofer-onderzoekers eerst de zeer complexe interactie bestuderen van een reeks verschillende factoren die verantwoordelijk zijn voor de natuurlijke resonantiefrequentie bij ijsvorming. “Bepalende factoren zijn onder andere het materiaal waarvan de vleugels zijn gemaakt, de snelheid, de vlieghoogte, de temperatuur, de luchtvochtigheid en de dikte van de ijslaag. Algoritmen gebruiken die informatie om de natuurlijke resonantiefrequentie te berekenen”, legt Becker uit.

Omdat de buitenomstandigheden tijdens de vlucht constant veranderen, verandert ook de resonantiefrequentie. Of de ijslaag dikker wordt of smelt, speelt ook een rol. Daarom leveren de sensoren continu nieuwe meetgegevens, zodat de elektronica de actuatoren op elk moment met de aangepaste frequentie kan activeren.

Voor het onderzoeksproject doorliepen de experts van Fraunhofer verschillende stappen, waaronder het plaatsen van een vleugel in een ijswindtunnel en het optimaliseren van de werking van de piëzo-elektrische actuatoren.

Het idee om trillingen te gebruiken om ijs te verwijderen, wordt al lang besproken in de luchtvaartwereld. Nu zijn onderzoekers er voor het eerst in geslaagd een zeer dynamisch en nauwkeurig systeem te creëren dat dit idee in de praktijk brengt. “Onze experimenten in de ijstunnel hebben aangetoond dat elektromechanische ijsverwijdering werkt. Als volgende stap zullen we verdere tests in de windtunnel uitvoeren om het systeem klaar te maken voor tests tijdens de vlucht”, aldus Becker.

Aandrijflijnen voor vliegtuigen met lage emissies van de toekomst
De experts van Fraunhofer LBF realiseerden dit onderzoeksproject in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Clean Aviation van de Europese Unie. Partners zijn onder andere vliegtuigbouwer Airbus en ruimtevaartbedrijf Parker-Meggitt.

De luchtvaartsector staat momenteel voor enorme uitdagingen. Het energieverbruik en de CO₂-uitstoot zullen de komende jaren drastisch moeten dalen. Fabrikanten in de hele sector werken aan milieuvriendelijkere aandrijflijnen zoals elektrische en hybride aandrijvingen. “Maar de aandrijfsystemen van de toekomst zullen geen hete uitlaatgassen of restwarmte meer produceren, die thermomechanische ijsbestrijdingssystemen nodig hebben om hun werk te doen. Onze methode biedt perspectief op een energiebesparing tot wel 80 procent, wat een belangrijke bijdrage levert aan een duurzame luchtvaart”, legt Becker uit.