GAMMEL, Franz (Schwalbenstr 70, Ottobrunn, 85521, DE)
WOLFF, Christian (Röntgenstr. 24, Ottobrunn, 85521, DE)
DALLE DONNE, Claudio (Postweg 37, München, 81827, DE)
PEUSER, Peter (Nelkenstr. 46b, Riemerling, 85521, DE)
GAMMEL, Franz (Schwalbenstr 70, Ottobrunn, 85521, DE)
WOLFF, Christian (Röntgenstr. 24, Ottobrunn, 85521, DE)
DALLE DONNE, Claudio (Postweg 37, München, 81827, DE)
| Ansprüche Verfahren zur Entfernung organischer Verschmutzungen von Anströmbereichen (21) eines Luftfahrzeugs (10) , bei dem die Verschmutzungsstellen optisch detektiert werden und diese mittels Laserlicht bestrahlt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Detektion der Verschmutzungsstellen mittels Rückstreuungsmessung eines ErfassungslaserStrahls (36) erfolgt . Anwendung des Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 auf die Vorderkanten von Tragflächen (18) und/oder Leitwerksflächen (14, 16) eines Luftfahrzeugs (10) . Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, umfassend einen auf die Anströmbereiche (21) ausricht- baren Detektionslaser (36) niedriger Leistung, einen optischen Detektor (42) zur Erfassung der rückgestreuten Strahlung des Detektionslasers (36) , einen ausrichtbaren Einwirkungslaser (48) , eine Kontrolleinrichtung (46) zur Ausrichtung des Detektionslasers (32) zwecks Abtastung der zu behandelnden Anströmbereiche (21) sowie zur Ausrichtung des Einwirkungslasers (48) bei Feststellung einer Verschmutzungsstelle aufgrund des Signals des Detektors (42) auf diese Verschmutzungsstelle. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese (30) am Luftfahrzeug (10) befestigt ist. Anordnung zur Entfernung organischer Verschmutzungen von Anströmbereichen (21) eines Luftfahrzeugs (10) , dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmbereiche (21) mit einem fotokatalytischen Material beschichtet sind und ein UV- Laser (48) zur Bestrahlung der fotokatalytischen Anströmbereiche (21) vorgesehen ist. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, umfassend einen auf die fotokatalytischen Anströmbereiche (21) Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, umfassend einen auf die fotokatalytischen Anströmbereiche (21) ausrichtbaren Detektionslaser (32) niedriger Leistung, einen optischen Detektor (42) zur Erfassung der Lichtrückstreuung der rückgestreuten Strahlung (40) des Detek- tionslasers (32) , einen ausrichtbaren UV-Laser (48) , sowie eine Kontrolleinrichtung (46) zur Ausrichtung des De- tektionslasers (36) zwecks Abtastung der zu reinigenden Anströmbereiche (21) sowie zur Ausrichtung des UV-Lasers (48) bei Feststellung einer Verschmutzungsstelle aufgrund des Signals des Detektors (42) auf diese Verschmutzungs- stelle. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Laser (48) mit verminderter Leistung alternierend als Detektionslaser (36) betreibbar ist. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese am Luftfahrzeug (10) befestigt ist. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fotokatalytische Material Ti02 ist. |
eines Luftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie eine Anordnung zur Entfernung organischer Verschmutzungen von Anströmbereichen eines Luftfahrzeugs.
Die Verschmutzung von Anströmbereichen von Luftfahrzeugen, insbesondere durch aufschlagende Insekten oder auch durch andere organisch anhaftende Materialien, führt zu einem erhöhten Luftwiderstand und erzeugt demgemäß einen erhöhten Treibstoffverbrauch. Unter dem Begriff „Anströmbereiche" werden in dieser Anmeldung die von der Luftströmung angeströmten aerodynamischen Flächen verstanden, insbesondere Tragflächen- und Leitflächenvorderkanten sowie Triebwerkseinläufe.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass für neuartige Antriebskonzepte mit laminarer Strömung (natural laminar flow concepts) Verschmutzungen durch Insekten nicht mehr tolerierbar sind. Bisher müssen derartige Verschmutzungen mittels aufwendiger mechanischer Reinigungsprozeduren entfernt werden.
Aus der DE 196 81 289 Tl sind ferner fotokatalytische Sub- stratoberflächen bekannt, bei der in Anwesenheit eines Titandioxid (Ti0 2 ) -Katalysators durch ultraviolette Strahlung chemische Reaktionen ausgelöst werden, wodurch an Oberflächen adsorbierte organische Schadstoff- bzw. Schmutzpartikel durch Redoxreaktionen zersetzt werden.
Eine zweite wichtige Eigenschaft von Titandioxid-Oberflächen ist die sogenannte Superhydrophilie . Bei Anregung mittels UV- Strahlung verändert sich dabei die Titandioxid- Oberflächenstruktur, wobei eine signifikante Reduzierung des sogenannten Kontaktwinkels von Wasser erfolgt. Diese Reduzierung des Kontaktwinkels bewirkt eine fast vollständige Benetzung der Oberfläche, so dass sich Tröpfchen auf der Oberfläche zu einer homogenen Wasserschicht auflösen. Auf diese Wei- se können beispielsweise Spiegel und Glasscheiben beschlagfrei gehalten werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Entfernung organischer Verschmutzungen von Anströmbereichen eines Luftfahrzeugs bereitzustellen, durch das eine wirksame und effiziente Reinigung der Anströmbereiche möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Verschmutzungsstellen optisch detektiert werden und diese mittels Laserlicht bestrahlt werden.
In einer Ausführungsform werden die organischen Verschmutzungen der kritischen Anströmbereiche, insbesondere die Vorderkanten von Tragflächen und/oder Leitwerksflächen, durch direkte Einwirkung des Laserstrahls beseitigt, beispielsweise durch direkte, mittels Luftsauerstoff induzierte Oxidation und/oder durch Laserabiation.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht auf fotokatalytisch beschichte Flächen, wodurch eine fotokatalytische Zersetzung der organischen Verschmutzungen bewirkt wird. Das hat zur Folge, dass die an der Oberfläche adsorbierten organischen Schadstoff- bzw. Schmutzpartikel durch Redoxreaktionen zersetzt bzw. abgelöst werden.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfasst einen auf die Anströmbereiche ausrichtbaren De- tektionslaser niedriger Leistung, einen optischen Detektor zur Erfassung der Licht ückstreuung der vom Anströmbereich gestreuten Strahlung des De ektionslasers, einen ausrichtbaren Einwirkungslaser sowie eine Kontrolleinrichtung zur An- steuerung des Detektionslasers zur Abtastung der zu reinigenden Anströmbereiche sowie zur Ansteuerung des Einwirkungsla- sers auf eine Verschmutzungsstelle, die mittels des Detektorsignals festgestellt wurde. Dabei erfolgt eine Laserbestrah- lung zur Dekontamination nur bei Vorliegen einer Verschmutzung, so dass mittels des optischen Detektors der Umfang der Verschmutzung festgestellt wird und anschließend der Einwirkungslaser auf die Verschmutzungsstelle gerichtet wird.
Der optische Detektor führt vorzugsweise eine Rückstreuungs- messung des rückgestreuten Laserlichts des Detektionslaser- strahls durch, wobei die Intensität des rückgestreuten Laserlichts ein Maß für den Grad und den Umfang der Verschmutzung ist. Weiterhin kann die Detektion auch mittels einer Kamera in Verbindung mit einer digitalen Bildverarbeitung erfolgen.
Die Laserstrahlenschutzbestimmungen lassen sich durch einfache Maßnahmen erfüllen, wobei insbesondere die Verwendung von UV-Laserlicht empfehlenswert ist, da hierfür besonders hohe Grenzwerte vorliegen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung am Flugzeug montiert, so dass eine Durchführung des Verfahrens auch während des Flugbetriebes möglich ist. In diesem Fall werden die gelösten Verschmutzungen durch den Luftstrom bzw. in der Luft vorhandene Wassertropfen unter Ausnutzung der durch die UV-Bestrahlung bewirkten Superhydrophilie weggespült.
Alternativ kann die Vorrichtung in einer bodengestützten Einheit mobil oder stationär vorgesehen werden. In diesem Fall ist zur Ausnutzung der Superhydrophilie eine unmittelbare Nachbehandlung durch Wasserbespritzen der behandelten Oberflächen sinnvoll.
Der Detektionslaser ist ein Laser niedriger Leistung, vorzugsweise ein Laser, der im sogenannten augensicheren Bereich bei 1500 nm emittiert. Dies kann beispielsweise ein Diodenlaser sein, der eine kontinuierliche Ausgangsleistung im Bereich von ca. 10 W hat. Alternativ kann auch ein Kurzpuls-Faserläser eingesetzt werden, der bei einer hohen Repetitionsrate im kHz-Bereich Strahlung mit Nanosekunden- Pulsen aussendet und eine mittlere Ausgangsleistung im Bereich von einigen Watt aufweist. Die von den Verschmutzungen zurückgestreute Strahlung lässt sich mit InGaAs- ämeras empfindlich detektieren und analysierenNatürlich sind sowohl der Detektionslaser als auch der Einwirkungslaser mit geeigneten Ausricht- oder Scanvorrichtungen versehen, um den Laserstrahl gezielt ausrichten und damit die auf Schmutz zu überprüfenden Anströmbereiche abscannen zu können. Zur Erleichterung der Detektion kann auch der optische Detektor eine Richteinrichtung vorweisen, um den vom Detektionslaser anvisierten Punkt des Anströmbereichs im Blickpunkt zu haben und eine genauere Erfassung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist der optische Detektor eine Kamera, der ein Bildverarbeitungssystem nachgeschaltet ist.
Die Stärke des Laserstrahls wird so gewählt, dass die bestrahlten Anströmbereiche nicht dadurch beschädigt werden. Vorzugsweise kann auch eine spezielle Beschichtung, insbesondere der Tragflächenvorderkanten, vorgesehen werden, wobei eine hohe Absorption der Laserstrahlung im Verschmutzungsmaterial einerseits und eine geringe Absorption im Tragflächenmaterial gewährleistet ist. Besonders geeignet sind Anströmbereiche, die eine hohe Reflexion bzw. geringe Absorption gegenüber der verwendeten Laserwellenlänge des Einwirkungslasers aufweisen.
Zur Aktivierung des fotokatalytisehen Prozesses eignen sich als Einwirkungslaser für den Betrieb an Bord eines Flugzeuges insbesondere diodengepumpte Festkörperlaser mit optisch nichtlinearer Wellenlängenkonversion in den UV-Bereich. Für den bodengestützten Betrieb sind auch die im UV emittierenden Excimer-Laser hervorragend geeignet. Dabei ist es von Vorteil, dass die Laserstrahlenschutz-Bestimmungen in diesem Wellenlängenbereich leicht einzuhalten sind. Für die direkte Einwirkung auf die organischen Verschmutzungen kann grundsätzlich auf eine größere Vielzahl von Lasern in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zugegriffen werden. In diesem Falle sind für den Betrieb an Bord die diodengepumpten Festkörperlaser besonders geeignet, welche als sehr kompakte Einheiten gebaut werden können, ebenso wie Hochleistungsfaserlaser. Die genannten Laser emittieren bei hohen mittleren Leistungen im Bereich um 1 μπι mit hoher Strahlqualität, so dass die Strahlung gut auf die verschmutzten Stellen gerichtet werden kann. Weiterhin sind auch die besonders kostengünstigen und sehr kompakten Hochleistungsdiodenlaser gut geeignet, welche einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die verfügbaren Emissionswellenlängen liegen hierbei hauptsächlich im Bereich zwischen 800 nm und 1 μm. In diesen Wellenlängenbereichen müssen besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, damit die Laserstrahlenschutzbestimmungen eingehalten werden. Dies kann beispielsweise mittels geeigneter Abschirmungen, d. h. Blenden, oder auch durch eine optische Beschichtung der Bordfenster erreicht werden. Für die direkte Einwirkung von Laserstrahlung auf die verschmutzten Flächen sind auch solche Laser geeignet, die im sogenannten augensicheren Wellenlängenbereich um 1,5 μm emittieren. Allerdings sind die verfügbaren Laserleistungen im Vergleich zu den anderen Lasern gegenwärtig noch gering. Ein anderer Wellenlängenbereich, der für die direkte Einwirkung auf die verschmutzten Flächen in- frage kommt, liegt bei 2 μτη. Hier sind seit kurzer Zeit leistungsstarke kontinuierliche Faserlaser verfügbar, die mehr als 100 W bereitstellen können. Auch hierbei sind besonders günstige Bedingungen in Hinsicht auf den Laserstrahlenschutz vorhanden. Die Absorption der Strahlung in wasserhaltigem organischem Material ist bei dieser Wellenlänge besonders groß, so dass eine effektive Wirkung erzielt werden kann.
Eine Anordnung zur Entfernung organischer Verschmutzungen von Anströmbereichen eines Luftfahrzeugs sieht vor, dass die Anströmbereiche mit einem fotokatalytisehen Material beschichtet sind und ein Ultraviolettlicht-Laser zur Bestrahlung der fotokatalytischen Anströmbereiche vorgesehen ist. Da mittels eines UV-Lasers Strahlung mit sehr hoher Intensität (im Bereich bis zu etwa 10 MW/cm 2 , wenn eine Einwirkungsfläche von 1 cm 2 zugrundegelegt wird und ein Pulslaser verwendet wird) bereitgestellt werden kann, wird durch die er- findungsgemäfie Anordnung eine hohe Wirksamkeit bei der Entfernung organischer Verschmutzungen von kritischen Anströmbereichen eines Luftfahrzeugs erreicht.
Die fotokatalytische BeSchichtung der Anströmbereiche muss dabei eine gute Haftung auf dem relevanten Tragflächenbereich aufweisen, ferner strömungstechnisch eine günstige, glatte Oberflächenstruktur haben und unter sämtlichen Witterungsbedingungen (Sonne, Regen, Schnee und Sand, Temperaturen, Luft- feuchte) erosionsbeständig sein. Weiterhin müssen Dauerhaftigkeit, Langzeitstabilität, Haf fes igkeit, Kratzfestigkeit sowie eine leichte Applizierbarkeit gewährleistet sein. Solche Beschichtungen können insbesondere aus Kunstharzen oder lackartigen Systemen oder organisch-anorganischen Hybridwerkstoffen (insbesondere Sol-Gel-Materialien) bestehen, in welche die fotokatalytisch wirksamen Substanzen eingebaut sind.
Dabei ist das fotokatalytische Material vorzugsweise Titandioxid (Ti0 2 ) , da sich dieses fotokatalytische Material für die genannten Zwecke besonders gut eignet. Alternativ ist auch die Einlagerung des fotokatalytischen Materials in poröse Trägerstrukturen möglich, wie insbesondere angepasste thermisch gespritzte Schichten oder porige Anodierschichten.
Alternativ können auch Beschichtungsverfahren verwendet werden, die direkt zur Abscheidung von fotokatalytisch wirksamen Schichten führen wie die physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder thermisches Spritzen oder Plasma-CVD (chemische Dampfabscheidung) .
Alternativ können auch chemische oder elektrochemische Reaktionen zur Ausbildung derartiger Schichten führen. Ein bevorzugtes Beispiel hierfür ist die Funkenoxid tion von Titanmetall (die als Folie oder Kappe auf der Flügelkante aufge- bracht wird) , die zur Bildung fotokatalytisch wirksamer Titandioxidschichten führt.
Sofern die Anströmbereiche auf der Basis von Kunststoffen gebildet sind, ist auch die direkte Einarbeitung der fotokata- lytisch wirksamen Partikel in die Kunststoffe während der Verarbeitung des Bauteils möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung umfasst diese einen auf den fotokatalytischen Anströmbereich ausrichtbaren Detektionslaser niedriger Leistung, einen optischen Detektor zur Erfassung der Lichtrückstreuung der von dem Anströmbereich gestreuten Strahlung des Detektionslasers, einen ausrichtbaren UV-Laser, sowie eine Kontrolleinrichtung. Letzere dient zur Ansteuerung des Detektionslasers für die Abtastung der zu reinigenden Anströmbereiche sowie zur Ausrichtung des UV-Lasers auf eine Verschmutzungsstelle bei, die mittels des Signals des Detektors erfasst wurde.
Für den UV-Laser eignet sich insbesondere ein gepulster Festkörperlaser oder ein Excimer-Laser, wobei die UV-Strahlung vorzugsweise zwischen 150 nm und 400 nm liegt. Der Detektionslaser beleuchtet den abzutastenden Anströmbereich, so dass dort anhaftende Verschmutzungsteile durch die vom Detektor erfasste rückgestreute Strahlung identifiziert werden können. Anschließend wird mittels der Kontrolleinrichtung der UV- Laser gezielt auf diese Verschmutzungsstelle gerichtet, wodurch die Verschmutzungspartikel fotokatalytisch zersetzt werden.
Eine bevorzugte Variation dieser Ausbildung besteht darin, dass der UV-Laser gleichzeitig als Detektionslaser arbeitet und zwar in diesem Fall mit einer reduzierten Ausgangsleistung betrieben wird. Vorzugsweise liegt die mittlere Leistung im Detektionsbetrieb bei ca. 1 W bis 10 W und im Zersetzungsbetrieb bei 100 w bis 1 kW. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile. Dabei zeigt:
Figur 1: eine schematische Frontalansicht eines Luftfahrzeugs mit externer Vorrichtung zur Entfernung organischer Ve schmutzunge ;
Figur 2: eine schematische Frontalansicht eines Luftfahrzeugs mit interner Vorrichtung zur Entfernung organischer Verschmutzungen.
Das in der Figur 1 gezeigte Luftfahrzeug 10 umfasst einen Rumpf 12, ein Seitenruder 14, zwei Höhenruder 16 (von denen nur eines dargestellt ist) , sowie zwei Tragflächen 18 (von denen nur eine dargestellt ist) . Ferner weist das Luftfahrzeug 10 mehrere Triebwerke 20 auf, die an den Tragflächen 18 oder am Rumpf 12 befestigt sind. In der Figur sind die jeweiligen Vorderkanten der Leitwerksflächen 14, 16 sowie der Tragfläche 18 und des dargestellten Triebwerks 20 schraffiert dargestellt, es handelt sich um die für das Auftreffen organischer Verschmutzungen besonders anfälligen Anströmbereiche 21.
Die Vorrichtung zur Entfernung organischer Verschmutzungen 30a umfasst einen Detektionslaser 32 mit zugeordneter Ausricht- (Scan-) Einrichtung 34 zur Ausrichtung des Detekti- onslaserstrahls 36 auf einen Punkt 38 auf einer der schraffiert dargestellten zu überwachenden bzw. zu reinigenden Anströmbereiche 21. Das beim Auftreffen des Detektionslaser- strahls 36 erzeugte Streulicht 40 wird vom optischen Detektor 42 erfasst und über eine Bildbearbeitungseinrichtung 44 einer Kontrolleinheit 46 zugeführt. Die Kontrolleinheit 46 steuert zum einen den Detektionslaser 32 bzw. dessen Ausrichteinrich- tung 34 sowie einen Einwirkungslaser 48 sowie dessen Aus- richteinrichtung 50. Der Einwirkungslaser 48 ist in einer Ausführungsform, nämlich wenn die Anströmbereiche 21 mit einer fotokatalytisehen Schicht versehen sind, ein UV-Laser. Ansonsten kann auch ein Laser mit niedrigerer Wellenlänge eingesetzt werden.
Im Betrieb steuert die Kontrolleinrichtung 46 die Ausricht- einrichtung 34 des Detektionslasers 32 und scannt dabei nacheinander die schraffiert dargestellten Anströmbereiche 21, das heißt die Vorderkanten der Tragfläche 18, des Seitenruders 14 und des Höhenruders 16 sowie die Vorderkante des Triebwerkseinlasses 20 ab. Wird aufgrund der rückgestreuten Strahlung 40 festgestellt, dass an der Stelle 38 eine Verschmutzung vorliegt, wird die Ausrichteinheit 50 des Einwirkungslasers 48 so gesteuert, dass dessen Strahl 52 auf den Punkt 38 trifft. Für einen Zeitraum, der in etwa im Sekundenbereich liegt, erfolgt eine Bestrahlung des Punktes 38. Anschließend wird mittels des Detektionslasers 32 überprüft, ob die Verschmutzungsstelle beseitigt wurde und gegebenenfalls der Einwirkungsvorgang wiederholt.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform 10b schematisch dargestellt, bei der die Vorrichtung zur Entfernung organischer Verschmutzungen 30b, die baulich der Ausführung 30a aus Figur 1 im wesentlichen gleicht und daher nicht erneut detailliert beschrieben wird, im Flugzeugrumpf 12 angeordnet ist. Es werden vorzugsweise mehrere solcher Vorrichtungen 30b im Rumpf 12 vorgesehen werden, um alle Anströmbereiche 21 bearbeiten zu können.