2 Wochen, 130 Knoten und ein gepfeilter Flügel. Einblicke in NASAs Inboard-Modell-Testkampagne für Eisdaten

NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio.

Im Februar 2015 verbrachten NASA-Ingenieure zwei Wochen damit, etwas zu tun, das einfach klingt und dennoch sorgfältige Präzision erfordert. Sie froren absichtlich einen gepfeilten Flügel ein. Die Inboard-Modell-Testkampagne ist Teil der Forschung zu Vereisung an gepfeilten Flügeln im Programm des Common Research Model. Sie wurde entwickelt, um festzuhalten, was passiert, wenn sich Eis am innenliegenden Abschnitt eines gepfeilten Flügels bildet, während die Klappen ausgefahren werden. Dieses Gebiet ist besonders interessant, weil Rumpf, Hochauftriebshilfen und komplexe Luftströmung dort aufeinandertreffen. Wenn Eis ins Spiel kommt, kann sich die Aerodynamik überraschend verändern.

Haben Sie sich je gefragt, wie Forscher wissen, was Eis mit einem Flügel macht, bevor ein Flugzeug überhaupt fliegt? Die Antwort sind Windkanäle, Sprühstäbe und sorgfältig ausgewählte Testmatrizen. In zwei Wochen, vom 24. Februar bis 6. März 2015, setzte das Team ein Inboard-Flügelmodell einer Reihe von Vereisungsbedingungen aus, die reale Flugumgebungen nachbilden. Die Gesamtlufttemperaturen reichten von etwa -23,8 °C bis -1,4 °C. Die Geschwindigkeiten blieben konstant bei 130 Knoten. Die medianen Volumendurchmesser, kurz MVD, lagen zwischen 20 und 35 Mikrometern. Der Flüssigwassergehalt, kurz LWC, bewegte sich zwischen 0,6 und 1,4 g/m³. Der Anstellwinkel variierte zwischen 2,1 und 4,4 Grad. Eine Teilmenge der Druckmessungen umfasste Klappenstellungen von 0 bis 15 Grad. Das sind die Bedingungen, denen ein turbinengetriebenes Transportflugzeug begegnen kann, wenn es in Wolken mit unterkühlten Wassertröpfchen Warteschleifen fliegt oder sinkt.

Was die Kampagne so nützlich macht, ist der Detailgrad im Testprotokoll. Jede Datenzeile enthält Tunnel- und Sprühparameter wie Luftdruck, Wasserdruck, Sprühdauer und die genaue Zeit, zu der das Sprühsystem eingeschaltet wurde. Der erste Eintrag, Lauf TG2401, fand bei -8,7 °C, 130 Knoten, einem MVD von 25 Mikrometern und einem LWC von 1,0 g/m³ statt. Die Klappenstellung betrug 13,6 Grad. Spätere Läufe gingen in kältere Luft, testeten größere und kleinere Tröpfchen und passten den Wassergehalt an. Ein Lauf hielt die Gesamttemperatur bei -20 °C mit 35-Mikrometer-Tröpfchen und 0,6 g/m³ LWC. Ein anderer verwendete 20-Mikrometer-Tröpfchen mit einem etwas höheren Wassergehalt. Das Ergebnis ist eine Matrix, die es Forschern erlaubt, die Auswirkungen von Temperatur, Tröpfchengröße und Wasserkonzentration auf die Eisform getrennt zu betrachten.

Über die Tunnelbedingungen hinaus erzeugte die Kampagne einen Datensatz mit Druckbeiwerten, der nach RDG-Nummern geordnet ist. Diese Daten listen Anstellwinkel, Klappenausschlag und Tunnelgeschwindigkeit auf. So lässt sich erklären, wie sich das Druckfeld entlang des Inboard-Flügels verändert, wenn sich Eis anlagert und sich die Klappen bewegen. Fotos der Eisformen und Daten zur Eisansatzmasse ergänzen die Testaufzeichnungen. Modellierer erhalten damit sowohl visuelle als auch quantitative Referenzwerte.

Was bedeutet das für die moderne Luftfahrt? Eisansatz an gepfeilten Flügeln ist eine bekannte Herausforderung, besonders an Triebwerksgondeln, Vorflügeln und Klappen. Am innenliegenden Flügelabschnitt, wo die Strömung von Rumpf und Hochauftriebssystemen beeinflusst wird, kann Eis den Zeitpunkt der Strömungsablösung und das Strömungsabrissverhalten verändern. Das Common Research Model bietet eine offene, gut dokumentierte Geometrie. Damit können Industrie und Wissenschaft ihre Berechnungswerkzeuge anhand physikalischer Testdaten validieren. Die Inboard-Modell-Testkampagne ist eine wichtige Ergänzung dieses Rahmens. Sie liefert Simulationsmodellen reale Daten zum Eisansatz. Das stärkt das Vertrauen in die Vereisungsvorhersage und in Methoden zur Flugzeugzertifizierung.

Die Kampagne fügt sich in einen größeren NASA-Forschungskontext ein, der die Konfigurationen High-Speed CRM, CRM-NLF und CRM-HL umfasst. Durch die Kombination detaillierter Windkanaldaten mit Messungen von Eismasse und Druck hilft NASA den Konstrukteuren, Vereisungseffekte früher in der Entwicklung vorherzusagen. So entstehen sicherere und effizientere Transportflugzeuge. Für alle, die an der Zertifizierung von Flugzeugen für Flüge in bekannter Vereisung beteiligt sind, ist der Inboard-Modell-Datensatz eine wertvolle Referenz. Er ist eine Landkarte, die Ingenieuren hilft zu verstehen, wie gepfeilte Flügel reagieren, wenn Frostbedingungen die Vorderkante verändern.