Fortgeschrittener Flugzeugsensor liefert Echtzeit-Eisdetektion und Schmelzraten-Monitoring

Forscher der University of British Columbia (UBC) in Okanagan haben die Echtzeit-Reaktion von Flugzeug-Eissensoren verbessert. Mit einer eingebetteten Antenne können die verbesserten Sensoren nun sofort zwei Arten entscheidender Luftfahrtdaten identifizieren: Eisansammlung und Schmelzrate.

Derzeit wird Eisdetektion an Flugzeugen auf zwei Arten durchgeführt: mit einer altmodischen Sichtprüfung oder mit Impedanzmessung. Impedanzmessung erfordert den Aufbau und dann das Schmelzen des abgelagerten Eises, bevor es detektiert werden kann.

Das UBC-System eliminiert die Abhängigkeit von visueller Bestätigung und die Notwendigkeit von flüssigem Wasser, um Eisaufbau zu erfassen, so Hauptforscher und UBC Assistant Professor Mohammad Zarifi.

„Dies ermöglicht Detektion weit bevor der Pilot visuell feststellen könnte, ob Eis vorhanden ist“, sagte Zarifi zu Tech Briefs.

(In einem untenstehenden Video sehen Sie, wie das Glenn Research Center Kameras nutzte, um zu untersuchen, wie Eisaufbau ein Flugzeugtriebwerk beeinflusst.)

Durch die Integration einer Antenne in den Sensor können die Ergebnisse des UBC-entwickelten Geräts in Echtzeit mit dem Bediener geteilt werden, um jeglichen Aufbau zu adressieren.

Der Mikrowellensensor ist tatsächlich eine optische Nanostruktur, bekannt als Split-Ring-Resonator (SRR), der bei 5,82 GHz arbeitet. Der Sensor mit eingebauten Heizfunktionen unterscheidet effektiv zwischen Wasser und Eis, indem er Änderungen in dielektrischen Eigenschaften auf oder um seine Oberfläche detektiert.

Wasser speichert eine größere Menge elektrischer Energie als Eis, und ein SRR ist speziell ausgestattet, die beiden spezifischen Permittivitätsniveaus zu messen.

Forschung zur Technologie wurde im Journal Applied Materials and Interfaces veröffentlicht. Die Studie, geleitet von Prof. Zarifi, demonstrierte die Wirksamkeit von SRRs als Eisdetektionssensoren für Anwendungen, wo Eis und Frost von großem Interesse sind, wie an Flugzeugen, Straßen oder Gehwegen.

Der patentierte Sensor, der eine Schutzschicht umfasst, wird nun auf Zulassung durch die Luftfahrtindustrie getestet. Das UBC-Team kündigte kürzlich auch Finanzierung durch Kanadas Department of National Defense an, die es den Forschern ermöglichen wird, die Entwicklung fortzusetzen.

Zarifi arbeitet auch mit mehreren Windkraftanlagenunternehmen zusammen, um die Sensoren in Windparks anzupassen.

Da die Technologie salziges Eis erfassen kann, das bei kälteren Temperaturen gefriert, könnte das Gerät zusätzlich helfen, Ablagerungen auf Ölbohrinseln und maritimer Infrastruktur zu detektieren.

In einem kurzen Interview mit Tech Briefs unten erklärt Prof. Zarifi, warum das Gerät die Aufmerksamkeit der Luftfahrt- und Erneuerbare-Energien-Industrie gleichermaßen auf sich gezogen hat.

Tech Briefs: Eine frühe Pressemitteilung von UBC hier sagte, dass Sie großes Interesse von der Luftfahrt- und Erneuerbare-Energien-Industrie erhalten haben, basierend auf Ihren ersten Ergebnissen. Können Sie mehr dazu sagen? Was war für die Luftfahrt- und Erneuerbare-Energien-Industrie von Interesse? Und wie hat ihre Reaktion dann den nächsten Schritt Ihrer Forschung beeinflusst?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Das anfängliche Interesse an unserem Eisensorsystem kam von Anwendungen, wo die aerodynamischen Eigenschaften einer Struktur von extremer Wichtigkeit sind. Kleine Veränderungen an der Form eines Flugzeugflügels oder Windturbinenblatts durch Eisbildung können drastische Auswirkungen auf den Auftrieb oder die von diesen Strukturen erzeugte Leistung haben.

Zukünftige Arbeit in der Luftfahrtindustrie an diesem Eissensor wird darin bestehen, die Empfindlichkeit des Geräts für Eisbildung in Gegenwart von Enteisungsflüssigkeiten zu erhöhen, die üblicherweise versprüht werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Vereisungsereignisses zu verringern.

Tech Briefs: Was ist mit Windturbinen?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Eisdetektion an Windturbinen wird anders durchgeführt. Der die Turbine überwachende Ingenieur kann Eisbildung vorhersagen aufgrund eines Abfalls in der Stromproduktion im Vergleich zur erwarteten Produktion bei gleichen Windgeschwindigkeiten. Diese Sensoren würden die Fähigkeit haben, Eis weit vor der Beeinträchtigung der Stromerzeugung zu detektieren und dem Ingenieur ausreichend Zeit geben, Enteisungssysteme einzuschalten. Basierend auf Informationen, die wir von Ingenieuren in der Windindustrie erhalten haben, glauben wir, der nächste Schritt sei, das Gerät zu verpacken und im Feld zu implementieren, um weitere Charakterisierung durchzuführen und es für die industrielle Anwendung vorzubereiten.

Tech Briefs: Was kann Ihr Sensor detektieren, und wie sind die Informationen des Sensors wertvoller als die aktuellen Detektionsoptionen, die heute in Flugzeugen verfügbar sind?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Unser Sensor kann Eisbildung weit vor dem visuellen Auftreten auf einer Oberfläche detektieren. Wir können auch Informationen wie Eisdicke und Ablagerungsrate extrahieren. Das ist wertvoll, weil es Piloten, die ein In-Flight-Vereisungsereignis erleben, frühzeitige Warnung gibt, sodass sie Enteisungssysteme aktivieren oder einfach die Flughöhe ändern können, um den Bedingungen zu entgehen.

Anzeige der Eisdicke ist für Leute, die an Windturbinen arbeiten, aus mehreren Gründen wichtig. Erstens, wenn Sie unter der Turbine arbeiten, wollen Sie sicher sein, dass kein dickes Eisschild herunterfällt und jemanden möglicherweise verletzt. Ein weiterer Grund für präzise Eisdickendetektion ist, dass sie dem Ingenieur signalisieren kann, wie er die Turbinenblätter pitchen soll, um die Leistung während eines Vereisungsereignisses zu maximieren.

Tech Briefs: Welche Anwendungen sind möglich, sobald Sie eine Antenne in den Sensor integrieren können?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Kürzlich haben wir die Nutzung von Antennen als Sensor untersucht. Wir sind an Antennen für Eisdetektion interessiert, weil sie die Komplexität der Sensorarray-Bildung erheblich verringern könnten. Wenn wir ein Array von Sendeantennen implementieren können, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, und die Daten an eine einzelne Empfangsantenne übertragen, wird die Zentralisierung und Verarbeitung der Daten erheblich vereinfacht. Dies hat Anwendungen, wenn Eisdetektion über große Flächen durchgeführt werden muss.

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Tech Briefs: Was kommt als Nächstes? Woran arbeiten Sie jetzt?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi: Der nächste Schritt in diesem Projekt ist, den Sensor zu verpacken und im Feld zu implementieren. Wir müssen auch weiter Methoden untersuchen, die es uns ermöglichen, Detektion in Gegenwart von Enteisungsmaterialien für Luftfahrtanwendungen durchzuführen.

Es ist alles sehr aufregend, weil wir so einen Zustrom an Interesse aus verschiedenen Branchen hatten, und wir freuen uns darauf, den einzigartigen Herausforderungen jeder Anwendung gerecht zu werden. Welche Herausforderungen auch immer bestehen – extreme Umweltbedingungen, Seegang, Enteisungsmaterialien oder einfach komplexe aerodynamische Strukturen – wir glauben, dass wir in der Lage sind, erfolgreiche Eissensoren zu implementieren.

Die Forschung wurde finanziert durch einen Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, Mitacs Accelerate Grant und Grants von der Canada Foundation for Innovation und dem Canadian Department of National Defense.

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