1 Einleitung ................................................. 1
2 Motivation: Eisschutzsysteme in der Luftfahrt .............. 5
2.1 Thermische Systeme ......................................... 7
2.1.1 Zapfluftenteisung ................................... 7
2.1.2 Heißluftenteisung ................................... 8
2.1.3 Elektrische Heizmatten .............................. 8
2.1.4 Mikrowellenheizsystem ............................... 9
2.2 Mechanische Systeme ........................................ 9
2.2.1 Aufblasbare Gummimatten ............................ 10
2.2.2 Biegewellen in der Flugzeughaut .................... 10
2.3 Weitere Systeme im Überblick .............................. 11
2.4 Offene Fragen ............................................. 12
3 Forschungshypothese ....................................... 15
3.1 Argumentation der Hypothese ............................... 16
3.2 Spezifikation durch Arbeitshypothesen ..................... 18
4 Stand des Wissens zur Eisadhäsion ......................... 21
4.1 Begriffsklärung für diese Arbeit .......................... 21
4.2 Physikalische Eigenschaften des Eises ..................... 23
4.2.1 Vereisungsprozess am umstrцmten Profil ............. 24
4.2.2 Kristallstruktur im Eis ............................ 29
4.2.3 Arten von Eis ...................................... 30
4.2.4 Mechanische Kennwerte .............................. 31
4.2.5 Analogie zum Verhalten von
Hochtemperaturwerkstoffen .......................... 33
4.2.6 Quasi-flUssige Oberfläche .......................... 34
4.2.7 Temperatur der Grenzfläche ......................... 35
4.2.8 Fazit bezüglich der Eisadhäsionsfestigkeit ......... 36
4.3 Adhäsion .................................................. 37
4.3.1 Allgemeines zur Adhäsion ........................... 37
4.3.2 Oberflächenspannung ................................ 41
4.4 Einflussgrößen auf die Eisadhäsionsfestigkeit ............. 45
4.4.1 &Uuuml;bersicht der Einflussgrößen ................. 46
4.4.2 Temperatur ......................................... 47
4.4.3 Rauheit ............................................ 48
4.4.4 Spezielle Oberflächen .............................. 51
4.4.5 Kontaminationen .................................... 54
4.4.6 Eisentstehung und Eisart ........................... 55
4.4.7 Belastungsgeschwindigkeit .......................... 57
4.4.8 Kraftrichtung und Abmessungen ...................... 58
4.4.9 Materialpaarung .................................... 59
4.4.10 Anhaftungszeit ..................................... 59
4.5 Messverfahren der Eisadhäsionsfestigkeit .................. 61
4.5.1 Einführung in die Messverfahren .................... 62
4.5.2 Normalkraft-Belastung .............................. 65
4.5.3 Einseitig überlappender Zugscherversuch ............ 66
4.5.4 Doppelt überlappender Zugscherversuch .............. 68
4.5.5 Biegung ............................................ 71
4.5.6 Zentrifugentest .................................... 73
4.6 Bewertung bezüglich der Forschungshypothese ............... 76
5 Anforderungen und Methoden dieser Arbeit .................. 79
5.1 Messung der Eisadhäsionsfestigkeit ........................ 79
5.1.1 Anforderungen an ein quantitatives Messverfahren ... 80
5.1.2 Wahl eines geeigneten (qualitativen)
Messverfahrens ..................................... 81
5.2 Die Versuchszentrifuge .................................... 85
5.2.1 Spezielle Anforderungen an die Versuchszentrifuge .. 85
5.2.2 Auslegung der Zentrifuge ........................... 87
5.2.3 Auf die Eisprobe wirkende Kräfte ................... 90
5.3 Prinzipieller Versuchsablauf .............................. 94
5.4 Anforderungen an die Versuchsdurchführung ................. 95
5.4.1 Geometrische Anforderungen an die Proben ........... 95
5.4.2 Anforderungen an die Probenreinigung ............... 96
5.4.3 Anforderungen an die Vereisung ..................... 97
5.4.4 Definition der Anhaftungszeit ...................... 97
5.4.5 Aufzeichnung von Versuchsbedingungen
(Einflussgrößen) ...................................98
5.4.6 Zusammenfassung der Anforderungen an die
Versuchsdurchführung .............................. 100
5.5 Strategie zur Bestätigung der Forschungshypothese ........ 101
5.5.1 Begriffsklärung: Bezug zur DIN 1319 ............... 101
5.5.2 Statistische Aufbereitung der Messwerte ........... 104
5.5.3 Zusammenfassung ................................... 108
6 Durchführung der Experimente ............................. 109
6.1 Beschreibung des Versuchsaufbaus ......................... 109
6.1.1 Tiefkühlkammer .................................... 109
6.1.2 Windkanal ......................................... 110
6.1.3 Versuchszentrifuge ................................ 112
6.1.4 Messgeräte und Sensoren ........................... 114
6.2 Messung der Bruchkraft ................................... 117
6.2.1 Messung der Eismasse .............................. 119
6.2.2 Bahnradius der Eismasse ........................... 119
6.2.3 Drehzahlmessung ................................... 120
6.2.4 Bestimmung der Drehzahl zum Zeitpunkt der
Eisablösung ....................................... 121
6.2.5 Messunsicherheit der Bruchkraft ................... 123
6.3 Beschreibung der Proben .................................. 124
6.3.1 Vereisung im Windkanal ............................ 125
6.3.2 Verwendete Stoffe ................................. 127
6.3.3 Herstellung der Probenplatten und deren
Oberfläche ........................................ 129
6.3.4 Reinigen der Probenplatten ........................ 130
6.3.5 Eigenschaften der Oberfläche ...................... 131
7 Berechnung der Spannungsverteilung in der Grenzfläche .... 135
7.1 Ziel der Modellierung .................................... 135
7.2 Beschreibung des FE-Modells .............................. 135
7.3 Wirkung der Geomelrievariation auf die
Spannungsverteilung in der Grenzfläche ................... 139
7.4 Weitere Ergebnisse ....................................... 143
8 Gemessene Eisadhäsionsfestigkeit ......................... 149
8.1 Eisadhäsionsfestigkeit auf Probenplatten aus Aluminium ... 149
8.1.1 Diskussion der Einzelmesswerte .................... 150
8.1.2 Temperatur-und Zeitabhängigkeit ................... 151
8.1.3 Nicht beherrschbare Einflussgröße(n) .............. 152
8.2 Die natürliche Oxidschicht auf Aluminium ................. 154
8.3 Reproduzierbarkeitsmessung mit Edelstahlproben ........... 155
8.3.1 Diskussion der ersten 12 Messreihen ............... 156
8.3.2 Diskussion der Messreihen 13 bis 19 ............... 158
8.3.3 Reproduzierbarkeit der Eisform .................... 161
8.4 Goldbeschichtete Proben .................................. 163
8.5 Zentrale Ergebnisse zur Forschungshypothese .............. 165
8.6 Zusammenfassung der Messergebnisse ....................... 169
8.7 Schlussfolgerungen aus den Versuchsergebnissen ........... 171
9 Zusammenfassung .......................................... 175
9.1 Abgrenzung zum Stand des Wissens ......................... 176
9.2 Empfehlung für Eisschutzsysteme .......................... 177
9.3 Vollständige Angabe zu einer Messung bzw. einem
Messverfahren ............................................ 179
9.4 Offene Fragen dieser Arbeit .............................. 182
9.5 Abwandlung des vorgestellten Messverfahrens .............. 183
Literatur ..................................................... 185
Anhang ........................................................ 203
A Erkenntnisse neben der Forschungshypothese ................ 203
A.l Einfluss der Rauheit ...................................... 203
A.2 Doppelimpulse bei gestreckten Eisproben ................... 204
A.3 Eisablösung ohne Drehzahlsteigerung ....................... 206
A.4 Temperaturanstieg in der laufenden Zentrifuge ............. 208
A.5 Temperaturabhängige Eisformen ............................. 210
A.6 Einfluss der Eismasse auf die Messergebnisse .............. 211
| 
