Warum ist die B787 eines der wenigen Flugzeuge mit elektrothermischer Flügelenteisung?

Zum Teil, weil 787 für keinen Zweck Zapfluft zur Verfügung hat. Seine Triebwerke ziehen traditionell keine Zapfluft. Jedes pneumatische System saugt Luft von anderen Pumpen an. Daher wird ein elektrothermisches Flügel-Anti-Eis-System benötigt, da keine Zapfluft verfügbar ist.

Herkömmliche Anti-Eis-Systeme verwenden Triebwerkszapfluft durch das pneumatische System. Triebwerkszapfluft ist Luft, die durch den Triebwerkskompressor auf hohen Druck komprimiert wird. Aufgrund thermodynamischer Effekte erwärmt sich die Luft auch auf ziemlich hohe Temperaturen. Diese Luft wird dann durch Ventile aus dem Triebwerk abgelassen, um das pneumatische System des Flugzeugs zu versorgen. Die pneumatische Luft wird dann auf die Innenseite der Vorderkante des Flügels oder der Triebwerksverkleidung gesprüht, um eine Eisansammlung zu verhindern.

Die Triebwerksentlüftung ist eine sehr teure Energiequelle in einem Flugzeug, da das Komprimieren von Luft nicht so effizient ist, der Triebwerkskern etwas größer sein muss, um den erhöhten Luftstrom aufzunehmen, und das pneumatische System selbst normalerweise eines der am wenigsten zuverlässigen Systeme auf dem Markt ist Flugzeug. Das System verwendet auch viele große Kanäle, die schwer sind und viel Platz einnehmen, was größere Passagen in der Struktur vorschreibt, was wiederum mehr Gewicht bedeutet. Zapfluft ist jedoch verfügbar, was sie zu einer attraktiven Energiequelle macht.

Die 787 verzichtete jedoch auf den überwiegenden Teil des pneumatischen Systems (siehe den oben geposteten Link Sports Racer http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/qtr_4_06/article_04_3.html ). Dadurch sinkt der spezifische Kraftstoffverbrauch der Motoren erheblich. Reduziert das Gewicht und entfernt ein sehr unzuverlässiges System aus dem Flugzeug.

Die 787 kommt damit durch, weil sie über sehr fortschrittliche elektrische Starter/Generatoren verfügt. Die Generatoren können jeweils rund 500 KW leisten, deutlich mehr als jedes andere Boeing-Flugzeug. Da so viel Energie zur Verfügung steht, sind elektronische Heizdecken für Anti-Eis machbar, kein anderes Boeing-Flugzeug hat die überschüssige Energie, um elektrische Anti-Eis an den Flügeln zu verwenden. Die Heizdecken sind nicht nur viel leichter, sondern nutzen die Energie auch effizienter.

Obwohl die Generatoren immer noch Strom von den Triebwerken abziehen und den Kraftstoffverbrauch erhöhen, ist der Prozess viel effizienter als die Verwendung von Zapfluft.

FYI: Die Generatoren sind auch die Motorstarter, wodurch eine weitere wichtige pneumatische Komponente in anderen Flugzeugen entfällt.

Der Grund ist, dass es neu ist. Die B787 ist eines der wenigen jüngsten Beispiele für ein Flugzeug, bei dem die Ingenieure wieder ans Reißbrett gehen und wirklich innovativ sein durften. Es ist damit eines der wenigen Beispiele einer wirklich neuen Flugzeuggeneration. Meistens, wenn ein Luft- und Raumfahrtingenieur gebeten wird, an einem neuen Flugzeug zu arbeiten, muss er aus vielen Gründen stark auf „erbte“ Systeme zurückgreifen, die sich bereits im Flug bewährt haben. Nur wenn es einen anspruchsvollen Business Case für völlig neue Designs gibt, darf ein Ingenieur innovativ sein. Die B787 sollte ein Langstreckenflugzeug sein, das mit größeren Flugzeugen (wie der A380) mit mehr Sitzplätzen konkurrieren würde. Die Idee war, mehr Flüge mit den gleichen oder besseren Pro-Kopf-Kosten anzubieten. Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, musste die 787 deutlich treibstoffeffizienter werden.

Es gibt zwei große Änderungen, die ein elektrothermisches Vereisungsschutzsystem erforderlich machen: 1) die Verwendung von Verbundwerkstoffen und 2) die Eliminierung des Zapfluftsystems, auf das viele andere hingewiesen haben. Zapfluft ist per Definition eine Ineffizienz. Das System pochiert heiße Luft aus den Strahltriebwerken, um eine Eisbildung an den Flügeln zu verhindern. Andernfalls wäre die gesamte Energie des Zapfluftsystems zur Schuberzeugung verwendet worden. Und diese heiße Luft ist viel heißer, als sie wirklich sein müsste, um das Flugzeug vor Eisbildung zu schützen. In der gesamten Luftfahrtindustrie besteht ein großer Wunsch, ineffiziente Zapfluftsysteme loszuwerden, diese Systeme sind jedoch in die Flugzeugstruktur integriert, sodass sie wirklich nicht beseitigt werden können, bis ein bestimmtes Flugzeugmodell vollständig neu konstruiert ist.

Der andere Faktor, den ich erwähnte, waren zusammengesetzte Strukturen. Die B787 ist das erste große Verkehrsflugzeug, das größtenteils aus Verbundwerkstoffen besteht. Verbundwerkstoffe machen das Flugzeug leichter und damit treibstoffeffizienter. Wie ich bereits erwähnt habe, ist Zapfluft heißer als nötig, um das Flugzeug vor Eis zu schützen. Es ist auch heißer, als die meisten Kohlefaser-Verbundwerkstoffe vertragen können. Die heiße Zapfluft wird vom Triebwerk durch die Tragflächen zu den Vorderkanten der Tragflächen geleitet, so dass bei Flugzeugen aus Verbundwerkstoffen Bedenken bestehen, die Flugzeugstruktur durch extrem heiße Luft zu beschädigen. Elektrothermische Systeme räumen dieses Problem aus, indem Wärme nur dort und dann zugeführt wird, wo sie benötigt wird, und nur mit der erforderlichen Energie. Es gibt Hochtemperatur-Verbundwerkstoffe, aber sie sind teurer, und da Bleed-Air ineffizient ist, ist es besser, sich für Elektrothermie zu entscheiden.

Wir werden sehen, dass alle großen Flugzeuge in Zukunft auf elektrisch basierten Eisschutz umsteigen werden. Es gab tatsächlich andere „neue“ Flugzeugmodelle seit der 787, aber es ist alles eine Frage, ob der Geschäftsnutzen für diese Modelle stark genug war, um eine kostspielige Überarbeitung und Neuzertifizierung (z. B. bei der FAA) zu rechtfertigen. . Beispielsweise hat ein kleineres 737-Flugzeug, das normalerweise innerhalb desselben Kontinents fliegt, einen geringeren Antriebsbedarf für diese Effizienz. Allerdings plant Boeing, alle seine Modelle im Bild der 87er neu zu gestalten, wenn die Zeit reif ist. Und andere Flugzeug-OEMs nehmen ähnliche Änderungen vor.