Von 10.000 Metern über dem Meeresspiegel bis in die Tiefen des Weltraums: Wie Heizelemente Luft- und Raumfahrtausrüstung schützen

Wir alle wissen, dass gewöhnliche elektronische Produkte in extremen Umgebungen Schwierigkeiten haben, zu funktionieren. Allerdings fliegen Raumschiffe in Höhen von Zehntausenden Metern und Satelliten befinden sich im Vakuum, ohne den Schutz und die Temperaturregulierung der Atmosphäre. Ihre Betriebsumgebungen sind äußerst rau. Heizelemente spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Gewährleistung des normalen Betriebs von Raumfahrzeugen und Satelliten in solch komplexen Umgebungen.

Was ist ein Heizelement?

Ein Heizelement ist ein flexibles, integriertes Heizelement mit kontrollierbarer Dicke, das durch einen Hochtemperatur-Heiß--Aushärtungsprozess geformt wird. Es zeichnet sich durch Vorteile wie hohe Flexibilität, Dünnheit, hohe Isolationsfestigkeit, Ungiftigkeit und gute Hitzebeständigkeit aus und eignet sich daher für Heizanwendungen, die kleine Flächen und eine leichte Bauweise erfordern. Es wird im Allgemeinen in PI-Heizelemente und Silikon-Heizelemente unterteilt.

Eine typische Struktur besteht aus einer inneren Schicht aus Heizkreisen aus Messing, Edelstahl oder Eisen-{0}}Chrom--Aluminiumlegierungen zur Wärmeerzeugung; und eine Außenschicht aus Polyimidfolie oder Silikonfolie als isolierende Abdeckung, um Sicherheit und strukturelle Stabilität zu gewährleisten.

PI- und Silikon-Heizelemente werden nicht nur in der Unterhaltungselektronik und in der Industrie, sondern auch in der Luft- und Raumfahrt häufig eingesetzt und bieten Sicherheit für den Betrieb von Raumfahrzeugen und Satelliten.

Luftfahrtanwendungen von Heizoberflächenhalterungen – Flugzeugenteisung

Warum ist Anti--Enteisung und Enteisung- notwendig?

Verkehrsflugzeuge fliegen typischerweise in Höhen von bis zu 12.000 Metern, wo die Kabinentemperaturen auf -40 bis -50 Grad sinken können. Solche niedrigen Temperaturen können leicht zu Fehlfunktionen kritischer Komponenten wie elektronischer Geräte und Sensoren führen. Gleichzeitig können sich auf den Oberflächen von Instrumenten, Sensoren und Linsen Feuchtigkeit und Nebel ansammeln, was zu Betriebsproblemen führt.

Darüber hinaus verändert Flugzeugvereisung die aerodynamische Form des Flugzeugs, verschlechtert seine aerodynamische Leistung und wirkt sich direkt auf Stabilität und Handling aus. Daher stellen Vereisungsschutzsysteme für Flugzeuge das höchste Maß an Flugzeugsicherheit dar.

Beispielsweise kann eine Vereisung des Staurohrs katastrophale Folgen haben. Dies kann Piloten daran hindern, den Status des Flugzeugs genau einzuschätzen und korrekte Kontrollentscheidungen zu treffen. In extremen Fällen, wie zum Beispiel beim Unfall der Air France AF447, blockierten Eiskristalle das Staurohr, was zu inkonsistenten Fluggeschwindigkeitsmessungen auf beiden Seiten führte und schließlich eine Kettenreaktion auslöste, die zum Strömungsabriss und Absturz des Flugzeugs führte.

Prinzipien der Flugzeugvereisung und-Enteisung
Unter Flugzeugvereisung versteht man das Phänomen, dass sich während des Fluges durch das Gefrieren von Wassertröpfchen oder die Sublimation von Wasserdampf Eisschichten auf den Oberflächen von Flugzeugkomponenten bilden. Zu den gängigen Arten von Zuckerguss gehören:

„Trockeneis“ tritt in Eiskristallwolken auf;

„Sublimationsglasur“, die durch die direkte Sublimation von Wasserdampf entsteht;

Und am häufigsten kommt es zu „Tröpfchenvereisung“, die entsteht, wenn unterkühlte Wassertröpfchen auf die Flugzeugoberfläche auftreffen und dort gefrieren.

Um die Vereisung von Flugzeugen zu bekämpfen, setzen Flugzeugingenieure verschiedene Methoden zur Vereisung und Enteisung ein. Hierzu zählen in erster Linie flüssiger Vereisungsschutz und thermischer Vereisungsschutz. Letztere lassen sich je nach Wärmequelle weiter in gasförmige -thermische Vereisungsschutz- und elektrothermische Vereisungsschutz-unterteilen.

Elektrische thermische Anti--Systeme verwenden hauptsächlich elektrisch beheizte Elemente, um die Oberflächen von Komponenten zu erwärmen und so eine Vereisung zu verhindern. Die häufigsten Anwendungen sind Windschutzscheiben, Propeller und Staurohre. Aufgrund des geringen Leistungsverlusts und der gleichmäßigen Erwärmung wird der elektrothermische Vereisungsschutz häufig in modernen großen Verkehrsflugzeugen eingesetzt.

Darüber hinaus können Heizelemente an Stellen wie der Vorderkante von Tragflächen, Heckflossen und Triebwerkslufteinlässen integriert werden, um durch intermittierendes Erhitzen in regelmäßigen Abständen kleine Mengen an Eisansammlungen zu entfernen. Diese Lösung ist energieeffizient-, hat eine schnelle Reaktionszeit und bietet eine präzise Steuerung, wodurch sie sich besonders für kleine Flugzeuge und Drohnen eignet und effektiv Flugsicherheit bei geringem Energieverbrauch gewährleistet.

Auch im Inneren von Flugzeugen spielen PI-Heizelemente eine entscheidende Rolle: Sie sorgen für eine stabile Erwärmung von Instrumenten, Sensoren und Linsen und verhindern so, dass diese in der Umgebung in großer Höhe und niedriger{1}}Temperatur ausfallen. Dank ihrer geringen Gasfreisetzungsrate und Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und Feuchtigkeit können PI-Heizelemente Wärme präzise leiten, Feuchtigkeit effektiv ableiten und ein Beschlagen verhindern, während gleichzeitig Schäden an Präzisionsgeräten vermieden werden.

Anwendungen von Heizelementen in der Luft- und Raumfahrt – Satelliten-Wärmekontrolle

Warum ist eine Satelliten-Wärmekontrolle erforderlich?

Der Weltraum stellt eine raue Umgebung mit extrem hohen und niedrigen Temperaturen und drastischen Temperaturschwankungen dar. Besonders wenn sich Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn befinden, unterliegt ihre äußere thermische Umgebung drastischen Veränderungen, wobei die Temperaturschwankungen zwischen -150 und 150 Grad liegen. Um den normalen Betrieb ihrer Bordausrüstung aufrechtzuerhalten und ihre Lebensdauer zu maximieren, müssen Satelliten mit thermischen Kontrollsystemen ausgestattet sein, um sicherzustellen, dass sie innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs arbeiten.

Satelliten-Wärmekontrolle – Passive und aktive Wärmekontrolle
Die Satelliten-Wärmekontrolle wird grob in passive und aktive Wärmekontrolle eingeteilt, je nachdem, ob sie Energie verbraucht.

Die passive Wärmekontrolle beruht zur Regulierung der Temperatur in erster Linie auf den physikalischen Eigenschaften von Materialien und dem strukturellen Design. Beispiele hierfür sind das Aufbringen von Wärmeschutzbeschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften auf die Außenhülle des Satelliten, die Verwendung mehrschichtiger Isoliermaterialien und die Installation von Wärmerohren oder Heizkörpern. Obwohl diese Technologie sehr zuverlässig ist, da sie nicht auf Feedback-Kontrolle angewiesen ist, kann sie sich nicht in Echtzeit an Umgebungsveränderungen anpassen, was zu einer geringeren Kontrollierbarkeit führt.

Die aktive Wärmekontrolltechnologie nutzt die Temperatur des Satelliten als Steuerungsrückmeldung, passt die Strahlungs- und Wärmeleitfähigkeitsparameter aktiv an und heizt und kühlt aktiv, um die Temperatur des Satelliten aufrechtzuerhalten. Die typischste Anwendung ist ein elektrischer Heizthermostat, der Heizelemente wie elektrische Heizplatten verwendet, um Komponenten zu erwärmen, die eine Temperaturerhaltung erfordern.

Angesichts der zunehmenden Komplexität von Weltraumforschungsmissionen müssen Wärmekontrollkomponenten vier Anforderungen erfüllen: geringes Gewicht, geringer Energieverbrauch, hohe Präzision und hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Vor diesem Hintergrund sind Heizelemente mit ihrer schnellen Erwärmung, chemischen Korrosionsbeständigkeit, gleichmäßigen Wärmeverteilung und langen Lebensdauer zu einer idealen Wahl für die Beheizung von Satelliten und Nutzlasten in Weltraumumgebungen geworden. Durch den direkten Anschluss von Heizelementen an Komponenten können Geräte und Maschinen schnell die entsprechende Betriebstemperatur erreichen. Da die Heizelemente außerdem für eine gleichmäßige Wärmeübertragung sorgen, werden ungleichmäßige Erwärmung oder kalte Stellen vermieden und ein stabiler Gerätebetrieb gewährleistet.

Als Kernkomponente der thermischen Kontrollsysteme von Flugzeugen versorgen Heizelemente kritische Geräte und Strukturteile mit der notwendigen Wärme und sorgen so für einen stabilen Betrieb innerhalb festgelegter Temperaturbereiche. Die Rolle von Heizelementen in der Luft- und Raumfahrt geht heute weit über die eines einfachen Heizelements hinaus.

Von der Vereisung und Enteisung von Flugzeugen bis zur präzisen thermischen Steuerung von Satelliten weist der Entwicklungsverlauf eindeutig auf Flexibilität, geringes Gewicht und Intelligenz hin. Vor diesem Hintergrund entwickelt sich die neue Generation flexibler Heizelemente, repräsentiert durch PI-Heizelemente, aufgrund ihrer hohen Leistung und hohen Anpassungsfähigkeit allmählich zu einer wichtigen Technologierichtung im Bereich der thermischen Steuerung in der Luft- und Raumfahrt.