Der Ansatz von Eis an solchen Strukturen beeinträchtigt das Um- strömungsverhalten der Luft empfindlich, was insbesondere in der Luftfahrt zu aerodynamisch problematischem Fehlverhalten fuhren kann.

Die Anstrengungen, die vereisungsgefahrdete Fronten an solchen Strukturen eisfrei zu halten, sind mannigfaltig. Sie reichen vom Besprühen oder Bespulen der exponierten Oberflächen solcher Fronten mit einer die Eisbildung hemmenden Flüssigkeit, über das Anströmen der Innenflächen mit Warmluft bis zum ohmschen Behei- zen solcher Zonen, elektrische Enteisungssysteme. Flüssigkeits- enteisung ist durch sein Reservoir an Flüssigkeit begrenzt und gilt zudem als unzuverlässig.

Die Bedingungen zur Eisbildung müssen unterdrückt werden. Das gelingt beim Enteisen mittels Flüssigkeit nur vorübergehend, insbesondere beim Verwenden von Enteisungsflüssigkeit am Boden vor dem Start. Der anhaftende Film reißt schon während der Startphase ab und lasst beim Durchgang des Flugzeugs durch ver- eisungsgefahrdete Wolkenformationen ein nur zeitlich kurzes Si- cherheitsfenster zu. Regen z. B. spült ein solches Mittel je nach Stärke am Boden früher oder später schon ab.

In der Luftfahrt ist gängige Technik im Flug, Tragflächen bzw. die aerodynamisch wichtigen Vcrfluge (engl. : slat), bzw. die exponierten Fronten, ; lügelnasen, dieser Bereiche mit von den Triebwerken entnommener Warmluft, in der Fachsprache Zapfluft, aus dem Inneren der Struktur her anzublasen. Der Temperaturuber- gang auf die Vorflügel ist von den thermodynamischen Stromungs- verhältnissen und meterologischen Bedingungen in Abhängigkeit der Flughöhe, Außentemperatur, Fluggeschwindigkeit, Tröpfchen- größe, lateralen Wolkenausdehnung, Wassergehalt etc. gegeben.

Unter Berucksichtigung dieser Parameter wird die Effizienz eines Warmluftenteisungssystems auf ca. 30%-40% abgeschatzt. Diese Technik zeichnet sich durch eine hohe Leistungsentnahme und hohe Verluste in der Verrohrung auf dem Weg zum gefährdeten Bereich aus. In der Luftfahrttechnik, insbesondere in der modernen Triebwerkstechnologie ergeben sich Einschränkungen in der Ent- nahme von ausreichend heißer Warmluft aus den Mantelstromtrieb- werken, so dass Warmluft nicht mehr beliebig entnommen werden kann.

Eine andere Technik ist das Verlegen von metallischen Net- zen/Heizmatten in der Wand oder auf der Innenwand solcher Struk- turen, in denen mit elektrischem Strom, also ohmsches Beheizen, solche Flächen nach Bedarf erwärmt oder warmgehalten werden. Das verlangt aufgrund des hohen Leitungsbedarfs das Verlegen von elektrischen Zuleituncen großen Querschnitts vom Bordgenerator bis zu den Anschlussleisten der Netze. Eine homogene Erwärmung, d. h. das Vermeiden lokaler Uberhitzungen insbesondere in der Nähe der Kontaktleisten ist bei einer flächigen Bestromung stets ein Problem, dem sehr sorgfaltige Aufmerksamkeit geschenkt wer- den muss, abgesehen vom erfahrungsgemäß schlechten Wärmetrans- port zur Problemflache.

In der DE 197 45 621 Cl wird ein Enteisungsverfahren beschrie- ben, bei dem zu enteisende Flächen eine Dünnschicht mit hydro- phoben Eigenschaften aus diamantartigem Kohlenstoff/amorphem Kohlenwasserstoff haben, die bei Auftritt einer Eisbildung mit einer außeren Infrarotstrahlungsquelle bestrahlt oder durch eine in der Flache liegenden Heizmatte aufgeheizt und dadurch ange- regt und erwärmt werden.

In der DE 197 50 198 C2 wird eine Technik zur Enteisung von Flugzeugen mit Mikrowellen beschrieben, die von einer zentralen, vom Enteisungsbereich weit entfernten Quelle im Flugzeugrumpf gespeist wird. Vereisungsgefahrdete, strömungstechnisch bedeut- same Zonen am Flugzeug bestehen aus Verbundwerkstoffen deren dielektrische Bereiche fur Mikrowellen oberhalb 20 GHz gut durchlassig sind. Zur Führung der Mikrowellen taugliche Hohllei- ter, vergleichbar der heutigen Warmluftverrohrung, werden von einer Mikrowellenquelle im Flugzeugrumpf bis an diese Zonen im Innern herangefuhrt, wo dann die Mikrowelle auskoppelt und diese Zone durch Aufwärmung des Dielektrikums eisfrei hält oder durch Erwarmung der Grenzschicht der eventuell schon anliegenden Eis- schicht diese rasch davon wieder befreit.

Im Leichtkörperbau setzt sich mehr und mehr der Aufbau von Hohl- körper-oder Schalenstrukturen durch Prepreg, CFK-und GFK-Kom- positteile durch. Allerdings besitzen solche Verbundwerkstoffe, wer. auch sehr formstabil/-steif und damit mit hoher mechani- scher Festigkeit/und Zähigkeit versehen, bei eine im Vergleich zu Metall sehr schlechte, anisotrope thermische Leitfähigkeit mit der Gefahr der Bildung von Wärmestau und Uberhitzung und damit der Gefahr der lokalen Delamination beim Anblasen mit hei- ßer Luft, bzw. die Flugsicherheit betreffende starke Beschrän- kung der Möglichkeit, ausreichende Flachenleistungsdichten an der strömungszugewandten, potentiell eisbehafteten Flache ein- bringen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, dezen- trales Enteisungssystem fur Hohl-oder Schalenkorperstrukturen, die der äußeren Luftanstromung _n der Atmosphäre ausgesetzt und damit vereisungsgefahrdet sind, zu entwickeln.

Die Aufgabe wird durch ein mikrowellentechnisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dessen kennzeichnenden Merk- malen gelöst. Hierzu wird eine uber Puls-Breiten-Regelung in ih- rer Leistungsabgabe steuerbare Mikrowellenquelle im Innern der Hohl-/Schalenkorperstruktur unter Berücksichtigung der am Mikro- wellenausgang angeflanschten Auskoppeleinrichtung unmittelbar oder in nachster möglicher Nähe hinter der vereisungsgefährdeten oder eisfrei zu haltenden Außenfront aufgestellt. Die mechanisch stabilen Hohl-/Schalenkorperstrukturen bestehen einerseits aus CFK-Material oder andrerseits aus GFK-Material oder Prepreg-Ver- bundmaterial sind eine Zusammensetzung aus beiden. Die äußere Oberfläche der Struktur besteht aus einem Metallfilm bzw. einer Metallhaut, zumindest ist die strömungstechnisch exponierte Au- ßenfläche mit einer solchen uberzogen, die dann mit angrenzenden metallischen Strukturen/Flächen-n ihrem Rand durchgehend ver- bunden ist, so dass diese Hohl-oder Schalenkörper Mikrowellen- bzw. hochfrequenzdicht ist und keine elektromagnetische Abstrah- lung in den Außenraum ermöglicht.

Über die Auskoppelstruktur strahlt die Mikrowelle entlang der zu erwarmenden Front ein und erwarm das angestrahlte Verbundmate- rialvolumen. In diesem richtet sich nach Inbetriebnahme ein ab- fallender Temperaturgradient zur Außenhaut ein. Die Mikrowelle strahlt regelbar bis zu einer solchen Leistung ein, dass einer- seits an jedem Ort des bestrahlten Verbundwerkstoffvolumens ein temperaturmaßiger Sicherheitsabstand zwischen 35 und 75°C zur Delaminationstemperatur von TDL = 130°C des Verbundwerkstoffs aufrechterhalten werden kann und andrerseits an der Schnittfla- che zur Metallhaut eine thermische Flachenleistungsdichte bis zu 46 kW/m2 besteht, mit der anhaftendes Eis an seiner Grenzschicht zur Struktur hin aufgetaut werden kann und sich damit ablost oder von der Luftströmung vollends abgerissen wird.

Die Auskoppelstruktur der Auskoppeleinrichtung ist ein an die Mikrowellenquelle/n angeflanschter Hohlleiter, der zur Bildung der erforderlichen Mikrowellenfront entsprechende Auskoppeloff- nungen in unterschiedlich der Größe und Abstand hat, um entlang des Hohlleiters eine gleichbleibende Leistungsauskoppelung zu ermöglichen. Die Abstrahlungscharakteristik ist derart beschaf- fen, dass entlang der Flügelkontur möglichst weitgehend gleiche Phasenfronten anliegen, deren Amplitudenbelag die lokale erfor- derliche Enteisungsflachenleistung bereitstellt. So können in der Flügelnase weitaus höhere (bis 60kW/m2) Flächenleistungsdich- ten wünschenswert sein, in den rückwärtigen Bereichen liegen die Anforderungen bis zum Faktor 10 niedriger (Anspruch 2).

Zum Schutz der Mikrowellenquelle ist dieselbe in Ihrer Durch- gangs-und Sperrdampfung über Zirkulatoren abgeschlossen (An- spruch 3).

Je nach maximal geforderter Mikrowellenleistung ist die Mikro- wellenquelle ein Klystron oder Magnetron oder ein"Extended In- teraction Oscillator", EIO, (Anspruch 4).

Die Mikrowellenleistung tritt dämpfungsarm an der Auskoppelein- richtung aus und erwärmt die umgebende Schalenstruktur, die als dissipativer Resonator sehr niedriger Gute wirkt, selektiv. Da- her ist der Hohl-oder Wellenleiter mit Auskoppeleinrichtung aus einem elektrisch gut leitenden Metall oder aber, falls Ge- wichtseinsparungen das erfordern aus Verbundwerkstoff, der von einem mikrowellendichten Metallnetz ummantelt oder damit ausge- legt ist (Anspruche 5 und 6). Ein solches mikrowellentechnisches Enteisungssystem kann sich in eisfrei zu haltenden Einrichtungen/Aufbauten eines Schiffes oder eines Zuges oder eines Straßenverkehrsmittel oder sonstigen, mit allen meteorologischen Bedingungen fertig zu werdenden Hohlkor- perstruktur befinden (Anspruch 7).

Sicherheitstechnisch springt die Bedeutung eines solchen Entei- sungssystems in der Luftfahrttechnik ins Auge. Flugzeuge und He- likopter benötigen unbedingt aerodynamisch geeignete Gestalt, insbesondere für den Auftrieb und die Steuerung verantwortliche Strukturen wie Tragflachen, Seiten-und Höhenruder und der Rand des Triebwerkseinlasses (Anspruche 8 bis 11).

Bei größeren Flugzeugen, die im auftriebsrelevanten Bereich der angeströmten Tragfugelfronten sogenannte Vorflügel aufweisen, ist ein zuverlässig wirkendes Enteisungssystem für die stete Flugsicherheit unerlässlich (Anspruch 12).

Ein weiter wichtiges Einsatzfeld ist die Energieerzeugung mit Windkraftanlagen, die riesige Rotorblätter haben und sich stän- dig Bodenwetterlagen ausgesetzt sind. Um an den Rotorblättern Vereisung zu verhindern, sitzt die Mikrowellenquelle im Zentrum des Flügelrades, von der aus dann je ein Hohlleiter mit Auskop- pelstruktur in den Flügel zu den vereisungsgefahrdeten Fronten hineinreicht (Anspruch 13).

Die mikrowellentechnischen Baukomponenten sind unmittelbar am Wirkungsort. Es ist lediglich eine Netzzuleitung mit Steuerlei- tungen für ein solches Enteisungssystem notwendig. Lange Hohl- bzw. Wellenleiterfuhrungen entfallen.

Mit dem mikrowellentechnischen Enteisungssystem wird eine Stei- gerung der Flugsicherheit durch hohe Geschwindigkeit des De- /Anti-Icing Systems erreicht. Im sog. Routine.-nt-Icing Betrleb ist ein niedriger Leistungsbedarf erforderlich. Zudem sind auf- tretende Vereisungsbedingungen beherrschbar, die konventionell nicht angegangen werden können.

Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen fur den Vorflügel werden substantielle Gewichtseinsparungen von über 30 % gegen- über der heutigen Metallbauweise erreicht. Neben der prioritären Sicherheit wird dadurch die Wirtschaftlichkeit durch Ge- wichtseinsparung, bzw. Treibstoffeinsparung erheblich gestei- gert. Zudem kann am Boden der Einsatz der mit Unsicherheiten be- hafteten und die Umwelt stark belastenden Enteisungsflüssigkeit reduziert, eigentlich vermieden werden.

Die Mikrowellentechnologie senkt signifikant die auftretenden Temperaturen in der laminierten Struktur im Vergleich zur kon- ventionellen Enteisung mit Warmluftanblasen, daher sind weitaus höhere Flächenleistungen für bestimmte Enteisungssituationen an der Außenhaut ermöglicht, bzw. in jedem Fall ein das Verbundma- terial und die Struktur thermisch nicht belastender Betrieb die Regel. Selbst heute von den bestehenden Systemen nicht bewaltig- bare anhaftende Klareissituationen werden ohne Gefahr der Über- hitzung/Delamination des Verbundwerkstoffes beherrscht.

Im Falle der Vorflugelenteisung beispielsweise entfallen gefuhr- te Metallrohrleitungen in der Tragfläche sowie Piccolorohrsyste- me, wie sie heute für das Narmluftanblasen installiert sind. Das bringt weitere erhebliche Gew chtseinsparungen. Darüber hinaus ist der Vorflügel als Modul fur technische Wartung am Flughafen leicht austauschbar-ein Vorteil im zeitlichen Reparaturablauf.

Der Ausfall eines Enteisungsvorflügels führt alles in allem nur zu einer geringen Einbuße in der Leistungsfähigkeit, da die au- tarken, ubrigen Vorflugelsysteme von dem Ausfall eines Systems nicht betroffen sind und unabhängig weiterarbeiten-Redundanz. Beim konventionellen System muss über eine Notversorgungsleitung Warmluft von der anderen Tragfläche abgezogen werden, was zu ei- ner erheblichen Leistungsbeeinträchtigung des Gesamtenteisungs- systemes hrt.

Es ist hie-hervorzuheben, dass die gesamte elektrische Leistung zu 100% in wirkende Enteisungsleistung umgesetzt und an die me- tallische Yorflügelaußenhaut abgeführt wird.

Entlang der Vorflügelkontur sind stark unterschiedliche Flächen- leistungsdichten erforderlich ; der höchste Bedarf liegt an der Flügelnase selber. Um, wie in der Fliegersprache ausgedrückt wird, Runb-ck Vereisung : von der Vordernase nach hinten rut- schende und wieder anfrierende Eismassen, zu verhindern, muss auch der rückwärtige Teil des Vorflügels erwärmt werden. Der er- forderlichen Verteilung entsprechend wird ein Feldbelag entlang der Vorflugelkontur durch eine mikrowellentechnisch optimierte Hohlleiterauskopplung mit entsprechender Abstrahlcharakteristik erzeugt (cptimale Leistungsanpassung an die Vorflügelgeometrie, siehe Figur 4).

Das gesamte System ist, mikrowellentechnisch gesehen, geschlos- sen und elektromagnetisch versiegelt. Das CFK/Kompositmaterial ist von einer schirmenden metallischen Haut, die primar ihre Be- deutung als Blitzschutz aufweist, umgeben. Es dringt keine Feld- wirkung aus dem Vorflügelsystem nach außen. Die Geschlossenheit des VorfluSels-WarmluSt benotigt Austrittskanäle-hat aerody- namisch insbesondere noch den Vorteil, weitgehende laminare Strömungsverhältnisse an der Grenzschicht einstellen zu können und störende Wirbelbildung zu vermeiden.

Das Mikrowellenenteisungssystem ist Puls-Breiten-geregelt betreibbar, so dass Vereisung profilaktisch von kleiner Warme- leistungsa-.-orderung bis hin zur Klareisentfernung mit höchster Wärmeleistungsanforderung beherrscht wird.

Das mikrowellentechnische Enteisungssystem arbeitet verlustfrei, die dem Netz entnommene Leistung und in der Auskoppeleinrichtung geführten Mikrowelle wird vollständig zur Enteisung bzw. Eis- freihaltung umsetzt. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Sys- tems tritt noch deutlicher hervor, weil bei eingetretener Verei- sung in kurzer Zeit das Eis von der exponierten Oberflache durch Antauen der Grenzschicht abgelöst werden kann.

Das mikrowellentechnische Enteisungssystem, das aus mindestens einer der im folgenden dargestellten Einheit besteht, wird an- hand der Zeichnung naher erlautert. Die Zeichnung besteht aus fünf Figuren. Es zeigt : Figur 1 den schematischen Aufbau der Enteisungseinrichtung, Figur 2 den Schnitt einer Momentaufnahme der Feldverteilung im Vorflügel, Figur 3 den Situationsausschnitt, Figur 4 die Einrichtung an der Tragfläche, Figur 5 Temperaturverteilung Das mikrowellentechnische Enteisungssystem ist vielfältig und weitlaufig verwendbar. Neben dem Einsatz zu Lande und auf dem Wasser wird seine Bedeutung in der Luftfahrt am eindrucklichs- ten. Es wird daher jetzt am Beispiel des Einbaus in den Vorflü- gel einer Flugzeugtragfläche weiter erlautert.

Figur 1 zeigt den Längsschnitt durch einen der Vorflügelab- schnitte, wie sie in Figur 4 durch die graue Unterteilung der Anströmkante einer Flugzeugtragfläche angedeutet sind. Im Vor- flügelinnern ist parallel zur Anströmkante des Vorflügels aus CFK-Material (Prepreg Slat) die rohrförmige Auskoppeleinrich- tung/Hohlleiter fur die Mikrowelle montiert. Die resultierende Wellenfront wird durch die aus den Auskoppelöffnungen entlang des Hohlleiters ausgekoppelten Einzelwellen durch Überlagerung erzeugt. Hier sind Hohlleiter und Auskoppeleinrichtung eins und direkt an die Mikrowellenquelle, die ein Klystron ist, angebaut.

Die Querschnittssituation zeigt Figur 2. Darin ist nur der Vor- flügel samt Auskoppeleinrichtung teilweise gezeigt. Die in Figur 1 noch angedeutete Tragfläche ist nicht mehr mit eingezeichnet, wie auch das Klystron samt Netzteil.

Figur 2 zeigt deutlich die dunkelgraueren Bereiche der Feldver- teilung im Innern des Vorflügels im Bereich der aerodynamisch wichtigen Anstromkante, die zuruckweichend heller werden. Damit wird angedeutet, wo die Bereiche starker und weniger starker Warmeerzeugung im laminierten Material sind. Da der Vorflügel insgesamt einen geschlossenen Innenraumraum und auch abgeschot- tete Innenräume hat, in denen jeweils mindestens ein Enteisungs- system sitzt, herrscht im Bereich der Anströmfront große Wärme- einwirkung, die in Strömungsrichtung abnimmt und in der erfor- derlichen Form vorhanden ist. Zusammen mit der Wärmeentwicklung durch die Wärmeerzeugung im CFK-Material selber und durch den Betrieb der Mikrowellenquelle wird der gesamte Vorflügel derar- tig auf Temperatur gehalten, dass sich ein Eisansatz auf der Au- Benflache auch nicht bei Anwesenheit extrem unterkühlter Wasser- tropfen, sog. super cooled droplets, ausbilden kann.

In Figur 5 sind zwei Betriebsarten mit Ihrer thermischen Auswir- kung in der Wand des Vorflügels in der Anströmfront dargestellt, und zwar oben vorliegender Klareisenteisung mit hoher Abtauge- schwindigkeit und unten bei vergleichbarer Abtaubedingung, aber bei niedrigerer Abtaugeschwindigkeit, nur 35°C Außenhauttempera- tur. Verglichen wird jeweils bei gleicher Vorflugelgeometrie die konventionelle Heizung, Wärmeeinbringung mit Warmluftanblasen der Innenwand,-gerade Linie im jeweiligen Schaubild"CFK kon- ventionell geheizt"-und die CFK-Aufwarmung mit Mikrowelle"CFK mikrowellenbeheizt". Die Wand der Vorflügel-Hohlkörperstruktur is, m Bereich der Anströmung 3 mm dick. Die Wand besteht im we- seitlichen aus dem CFK-Material und der dünnen, aufliegenden me- tallisierten Außenhaut (siehe Schnitt Figur 1). In beider. Dia- gra. men ist die Delaminationstemperatur von 130°C des CFK-Mate- rials als strichpunktierte Linie eingetragen, die die Erwär- mungsproblematik mit konventioneller Erwarmung vergleichend her- vorhebt. Bei einer beispielhaften Aufwärmung der Außenhaut auf 60-is 70°C, schnelles Abtauen-oberes Diagramm-und einer Flachenleistungsdichte von 46 kW/m2 muss mit einer Warmlufttempe- ratur von mindestens 150° bis 160°C die CFK-Innenwand des Vor- flügels angeblasen werden, um bei gleicher erforderlicher Fla- chenenteisungsieistung an der Außenhaut eine vergleichbare Über- gangstemperatur Eis/Luft, Abtaugeschwindigkeit zu erzeugen. Im Vergleich wird bei der Mikrowellenerwärmung an der Innenwand led-glich eine maximale Temperatur von 95°C erreicht. Im konven- tionellen Fall wird die Delaminationstemperatur TDL ganz deutlich und nahezu bis in 1 mm Tiefe überschritten, d. h. der Vorflügel beginnt sich strukturell an der Innenoberfläche aufzuweichen und bei fortschreitendem Betrieb zu zerstören. Die Mikrowellenerwär- mung bleibt bei diesem Fall immer noch 35°C unterhalb der kriti- schein Delaminationstemperatur, d. h. hier treten keine struktu- rez-en Beeinträchtigungen auf.

Das untere Diagramm stellt den Betrieb bei geringerer Abtauge- sch : indigkeit, Außenhaut auf 35°C, dar. Die Vorflügelaußenhaut wird auf einer Temperatur von 35°C gehalten. Zwar wird jetzt bei konventionellen Heizen die Delaminationstemperatur nicht mehr überschritten, die Temperatur an der inneren Oberfläche be- trage jetzt 110°C, kommt aber damit der Zerstorungstemper-lur sehr nahe. Mit der Mikrowellenerwarmung wird gerade eine Maxi- mal~_mperatur an der Innenwand von nur 60°C erreicht. liegt dam-keinerlei thermische Belastung des laminierten Vorflügels dur h die Erwarmung mit Mikrowelle vor.

Die signifikanten Temperaturerniedrigungen bei Verwendung von Mikrowellen im Vergleich zur konventionellen Erwärmung bei sonst gleichen Betriebs-und Leistungsanforderungen sind darauf zu- rückzuführen, dass ein instantaner volumetrischer Leistungsein- trag durch die Beaufschlagung im ersten Drittel des Laminates durch Penetration der Welle erfolgt, und die Leistung dort ohne die Notwendigkeit eines warmeleitungsabhangigen Gradientriebes eingebracht wird. Von dort fließt die eingebrachte Leistung über Wärmeleitung zur Außenhaut. Durch die Volumenheizung sind zudem sehr hohe Heizraten möglich, um die Vorflugelaußenhaut auf die entsprechende Abtautemperatur und erforderliche Flachenleis- tungsdichte zu bringen. Das zeigt eine hohe Dynamik fur alle eventuellen Situationen.