Entwicklung eines Tragflächenprüfstandes zur Untersuchung der Vereisungseigenschaften von Slippery Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS)

Abstract

Vereisung stellt in der Luftfahrt ein ernstzunehmendes Risiko dar. Zu den unmittelbaren Folgen von Eisanhaftungen insbesondere auf Flugzeugtragflächen gehören die Veränderung der Profilgeometrie und die Erhöhung des Gesamtgewichts, welche im Extremfall bis hin zum Strömungsabriss führen können. Herkömmliche Maßnahmen gegen die Vereisung von Flugzeugen können in Anti- und De-Icing Ansätze unterschieden werden, wobei beiden jedoch Defizite hinsichtlich Effizienz und Effektivität gemein sind. Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich diese Arbeit mit einer neuartigen Anti-Icing Methode basierend auf einer Kombination von nano- bzw. mikrostrukturierten Oberflächen und einem hochviskosen Silikonöl, um sogennante Slippery Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) zu erzeugen. Dazu wurden Stahlbleche zunächst mithilfe eines Femtosekundenlasers strukturiert und anschließend perforiert, wobei verschiedene Strukturgeometrien berücksichtigt wurden. Durch die Perforation konnten die rauen, laserstrukturierten Edelstahloberflächen durch die Rückseite mit Silikonöl versorgt werden. Die so erzeugten Oberflächen wurden auf ihre Speicherfähigkeit, Benetzung- und Vereisungseigenschaften untersucht, wobei sich bereits in den Voruntersuchungen zeigte, dass der Abrollwinkel aller hergestellten SLIPS auf unter 5 ° gesenkt werden konnte. Die DIMPLES-Struktur wies darüber hinaus die beste Silikonöl-Speicherfähigkeit auf und wurde daher für die Untersuchung der Vereisungseigenschaften ausgewählt. Zur Erprobung der Resistenz gegen das Vereisen wurden zwei eigens gefertigte Prüfstände für den am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU-Wien zur Verfügung stehenden Klima-Windkanal konzipiert, um die Untersuchungen unter dynamischen Vereisungsbedingungen durchführen zu können. Der erste Prüfstand ermöglichte die Befestigung kleiner Blechproben über einer Ölversorgung, während der zweite, modular aufgebaute Prüfstand mit einem symmetrischen NACA- 0012 Querschnitt einer Tragflügelsektion nachempfunden war. Beide Prüfstände konnten in den Versuchen eine kontinuierliche Ölversorgung der SLIPS-Oberflächen sicherstellen. Im experimentellen Teil dieser Arbeit zeigte sich, dass durch die Verwendung von SLIPS die anhaftende Eismasse im Vergleich zu Referenzproben in allen Versuchen verringert werden konnte. Auch der Vereisungsprozess unterschied sich, da das Eis bei den SLIPS deutlich weniger, bis gar nicht anhaftete und visuell auf der Oberfläche zu schwimmen schien. Es kam außerdem zum sogenannten „Shedding“, also zum Abbrechen größerer Ansammlungen von Eis, induziert durch den aerodynamischen Staudruck. Darüber hinaus konnte beim Einsatz der kontinuierlichen Ölzufuhr im Tragflächenprüfstand erstmals die Bewegung der Eisakkumulationen genauer beobachtet werden. Zusammenfassend konnte in den Experimenten gezeigt werden, dass die entstehende Eisschicht nicht an den SLIPS haftete, sondern sich durch das fortschreitende Anhaften von Wasser und Eis an abrollenden Wassertropfen bildete. Bei einem finalen Versuch mit hoher Windgeschwindigkeit (~150 km/h) konnte allerdings durch das vollständige Abtragen der Wassertropfen eine umfassende Anti-Icing Wirkung beobachtet werden.

Icing is a serious risk in aviation. Immediate consequences of ice adhesion, especially on aircraft wings, include changes in the airfoil geometry and an overall weight increase, which in extreme cases may lead to a stall. Conventional measures against icing on aircraft can be distinguished into anti-icing and de-icing approaches, yet both are deficient regarding efficiency and effectiveness.Against this background, this work analyzed a novel anti-icing method based on a combination of nano- or micro-structured surfaces and high-viscosity silicone oil to create so-called Slippery Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS).For this purpose, stainless-steel sheets were structured using a femtosecond laser and subsequently perforated, drawing on three different structural geometries. The perforation allowed to supply the rough, laser-structured sheet surfaces with silicone oil through the backside. The surfaces created in this way were tested for their storage capacity, wetting, and icing properties. Preliminary tests already showed that the roll-off angle of all SLIPS produced could be reduced to less than 5 °. The DIMPLES structure additionally exhibited the best silicone oil storage capacity and was therefore selected for further investigation of the icing properties.To test the resistance to icing, two custom-made test stands were designed for the climatic wind channel available at the Institute for Production Engineering and Photonic Technologies at TU Vienna, allowing to conduct tests in dynamic icing conditions. In the first test stand, small steel sheet samples were mounted above an oil supply, while in the second, modular test stand, a symmetrical NACA- 0012 wing cross-section was modeled. Both test stands were able to ensure a continuous oil supply to the SLIPS surfaces during the tests.In the experimental part of this work, it was shown that by using SLIPS, the adhesive ice mass could be reduced in all tests when compared to reference samples. Additionally, a differing icing process could be observed, as the forming ice had little to no adhesion to the modified surfaces, visually appearing to float on the SLIPS tested. In addition, so-called "shedding" occurred, i.e., larger ice accumulations breaking off due to aerodynamic pressure. Furthermore, drawing on the continuous oil supply in the wing test stand for the first time allowed for more precise observation of moving ice.In summary, the experiments showed that when using SLIPS, the forming ice layer did not adhere to the surface itself but was rather formed by the progressive adhesion of water and ice to water drops rolling of the SLIPS. In this context, a final test at a higher wind speed (~150 km/h) proved a comprehensive anti-icing effect due to the wind speed-induced complete removal of water drops.