Enteisung und Allwetterfähigkeit bei Marinehubschraubern

Marinehubschrauber müssen auch bei niedrigen Temperaturen, tiefen Wolken und schlechter Sicht einsatzfähig bleiben. Für Such- und Rettungsaufgaben, Transporte und den Flugbetrieb von Schiffen aus ist das ein wichtiger Teil ihrer Leistungsfähigkeit. Vereisungsschutzanlagen helfen dabei, Rotoren, Triebwerkseinläufe, Scheiben und weitere empfindliche Bauteile funktionsfähig zu halten.

Dabei arbeiten mehrere technische Fähigkeiten zusammen. Enteisung, Vereisungsschutz und Instrumentenflugfähigkeit erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Erst im Zusammenspiel mit geeigneter Navigation, Flugregelung, Wetterinformationen und ausgebildeten Besatzungen entsteht die Fähigkeit, anspruchsvolle Wetterlagen zu bewältigen.

Wie Vereisung im Flug entsteht

Ein häufiger Auslöser sind unterkühlte Wassertropfen. Sie bleiben auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig und können beim Auftreffen auf ein Luftfahrzeug gefrieren. Solche Tropfen kommen beispielsweise in Wolken und unter bestimmten Bedingungen in Niederschlägen vor.

Entscheidend ist deshalb nicht allein die Außentemperatur. Auch der Flüssigwassergehalt, die Tropfengröße, die Dauer des Aufenthalts und die Eigenschaften der angeströmten Oberfläche beeinflussen den Eisansatz. Ein Flug durch kalte, trockene Luft ist hinsichtlich der Vereisung anders zu bewerten als ein Flug durch eine Wolke mit flüssigen Wassertröpfchen.

Die entstehenden Eisformen unterscheiden sich. Schnell gefrierende kleine Tropfen können raues, milchig erscheinendes Raueis bilden. Langsameres Gefrieren kann klarere, kompaktere Ablagerungen entstehen lassen. Auch Mischformen sind möglich. Für die Schutzanlage zählt, welche Eismengen und Eisformen an welchen Bauteilen auftreten.

Warum Rotorblätter besonders empfindlich reagieren

Rotorblätter sind aerodynamische Tragflächen. Schon Veränderungen ihrer Oberflächen und Profilvorderkanten können die Umströmung beeinflussen. Eisansatz kann den Widerstand erhöhen und die Auftriebserzeugung beeinträchtigen. Der Hubschrauber benötigt dann unter Umständen mehr Leistung, während seine verfügbaren Flugleistungen abnehmen.

Das zusätzliche Gewicht ist dabei nur ein Teil des Problems. Verteilt sich das Eis ungleichmäßig oder löst es sich unterschiedlich von den Blättern, können Unwuchten und Vibrationen entstehen. Diese belasten Rotor, Antrieb und Zelle und können die Beherrschbarkeit verschlechtern.

Auch der Heckrotor verdient besondere Aufmerksamkeit. Er erfüllt bei konventionellen Hubschraubern wesentliche Aufgaben beim Drehmomentausgleich und der Richtungssteuerung. Vereisungsschutz muss daher das gesamte relevante Rotorsystem berücksichtigen. Die Luftfahrttechnik untersucht außerdem, ob abgelöste Eisstücke andere Bauteile treffen und beschädigen können.

Vereisung verhindern und vorhandenes Eis entfernen

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden unterschiedliche Verfahren häufig unter „Enteisung“ zusammengefasst. Technisch ist eine Unterscheidung sinnvoll:

• Anti-Icing oder Vereisungsschutz soll verhindern, dass sich Eis auf einer geschützten Oberfläche aufbaut.
• De-Icing oder Enteisung entfernt Eis, das sich bereits gebildet hat.

Beide Funktionen können innerhalb einer Anlage miteinander kombiniert werden. Eine Oberfläche kann beispielsweise durch fortlaufende Wärmezufuhr geschützt werden, während eine andere zeitweise beheizt wird, um angesetztes Eis abzulösen.

Eine Anlage, die Eis in bestimmten Abständen entfernt, muss auch mit den Ablagerungen zwischen diesen Vorgängen zurechtkommen. Bei der Auslegung werden deshalb nicht nur die Heizwirkung, sondern auch verbleibendes Eis und dessen Einfluss auf Flugverhalten und Leistung betrachtet.

Welche Bauteile geschützt werden müssen

Eine umfassende Schutzanlage betrachtet mehrere Bereiche des Hubschraubers:

• Hauptrotor: Erhalt der aerodynamischen Eigenschaften und Begrenzung problematischer Eisablagerungen.
• Heckrotor: Schutz der für Drehmomentausgleich und Steuerung benötigten Rotorfunktion.
• Triebwerkseinläufe: Vermeidung gefährlicher Einschränkungen der Luftzufuhr und schädlicher Eisaufnahme.
• Cockpitscheiben: Erhalt ausreichender Sicht durch die geschützten Scheibenbereiche.
• Messsonden: Schutz empfindlicher Einrichtungen, beispielsweise zur Erfassung von Luftdaten.

Welche Flächen tatsächlich beheizt oder auf andere Weise geschützt werden, ist konstruktionsabhängig. Auch Leitwerksflächen können in das Schutzkonzept einbezogen sein.

Die einzelnen Aufgaben sind dabei nicht austauschbar. Eine freie Cockpitscheibe sagt beispielsweise nichts darüber aus, ob die Rotorblätter ausreichend geschützt sind. Ebenso verhindert eine beheizte Messsonde keine Vereisung am Triebwerkseinlauf.

Wie beheizte Rotorblätter arbeiten

Bei einem elektrothermischen System wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. In die Rotorblätter integrierte Heizelemente erwärmen dafür vorgesehene Bereiche, insbesondere an vereisungsgefährdeten Vorderkanten.

Im Enteisungsbetrieb muss nicht zwangsläufig die gesamte Eisablagerung vollständig geschmolzen werden. Wärme kann die Haftung an der Oberfläche so weit vermindern, dass sich das Eis unter Einwirkung der Drehbewegung und der Luftströmung ablöst. Die genaue Arbeitsweise und die Heizzyklen gehören zur jeweiligen Systemauslegung.

Das Verfahren verlangt eine abgestimmte Wärmeverteilung. Zu wenig Wärme kann unzureichenden Schutz bedeuten. Zugleich müssen Bauteile und Werkstoffe vor unzulässiger Erwärmung geschützt werden. Auch die Stromversorgung der rotierenden Baugruppen und die Überwachung der Anlage sind technische Aufgaben.

Deshalb besteht Rotorenteisung aus mehr als einer leistungsstarken Heizung. Sensorik, elektrische Versorgung, Regelung und Rotorblattkonstruktion müssen zusammenpassen.

Eiserkennung und Energieversorgung gehören dazu

Ein Eisdetektor kann die Besatzung und die Systemsteuerung auf Vereisung aufmerksam machen. Er erfasst die Bedingungen beziehungsweise den Eisansatz an seiner Messstelle. Daraus entsteht jedoch kein vollständiges Bild jeder einzelnen Oberfläche des Hubschraubers.

Anzeigen, Warnungen und Überwachungsfunktionen helfen dabei, den Zustand der Schutzanlage zu beurteilen. Je nach Ausführung werden Heizfunktionen automatisch gesteuert oder durch die Besatzung aktiviert. Welche Betriebsweise vorgesehen ist, ergibt sich aus dem jeweiligen System und seinen Betriebsunterlagen.

Wärme benötigt außerdem Energie. Elektrische Heizungen stellen Anforderungen an Generatoren, Leitungen und Leistungsverteilung. Triebwerksseitige Schutzsysteme können abhängig von der Konstruktion auch warme Verdichterluft nutzen. Solche Verbraucher müssen im gesamten Energie- und Leistungshaushalt berücksichtigt werden.

Bei Störungen kann sich deshalb nicht nur die Schutzwirkung verändern. Auch die für weitere Verbraucher verfügbare Versorgung und die zulässigen Einsatzmöglichkeiten können betroffen sein.

Vereisungsschutz in der NH90-Familie

NHIndustries beschreibt die NH90-Plattform als für den Betrieb bei Tag, Nacht und unterschiedlichen Wetterbedingungen ausgelegt. Der Hersteller nennt auch den Betrieb unter kontinuierlichen Vereisungsbedingungen innerhalb der zugrunde gelegten Anforderungen.

Airbus führt den NH90 ausdrücklich als Plattform für das Full Icing Protection System, kurz FIPS, auf. Zu dessen beschriebenen Bestandteilen gehören beheizte Haupt- und Heckrotorblätter sowie Einrichtungen zum Schutz weiterer gefährdeter Bereiche. Für spanische NH90-Konfigurationen nennt Airbus außerdem eine Kombination aus Enteisungssystem, Wetterradar, Wärmebildsensorik und verbesserter Navigation.

Diese Herstellerangaben zeigen, wie mehrere Fähigkeiten zusammengeführt werden können. Die konkrete Ausstattung und die freigegebenen Grenzen einer nationalen Variante lassen sich daraus jedoch nicht vollständig ableiten.

Für die Marine ist beispielsweise der NH90 Sea Lion auf Such- und Rettungseinsätze, Transportaufgaben und den Betrieb von Schiffen aus ausgerichtet. Seine Wettertauglichkeit ist deshalb im Zusammenhang mit diesen unterschiedlichen Aufgaben zu betrachten.

Was Allwetterfähigkeit tatsächlich bedeutet

„Allwetterfähigkeit“ beschreibt die Möglichkeit, einen Hubschrauber auch unter anspruchsvollen meteorologischen Bedingungen einzusetzen. Dazu gehören neben Vereisungsschutz unter anderem zuverlässige Fluglageanzeigen, Navigation, geeignete Sensoren und eine leistungsfähige automatische Flugregelung.

Der Instrumentenflug ermöglicht die Führung des Luftfahrzeugs anhand seiner Instrumente und der vorgesehenen Verfahren, wenn die Außensicht dafür nicht ausreicht. Instrumentenflugfähigkeit und Vereisungsfreigabe sind jedoch unterschiedliche Voraussetzungen. Eine geeignete Cockpitausrüstung allein schützt weder Rotoren noch Triebwerke vor Eis.

Ein Autopilot kann die Arbeitsbelastung der Besatzung verringern. Wetterradar und weitere Sensoren unterstützen die Lagebeurteilung. Welche Wetterbedingungen beherrschbar sind, hängt trotzdem vom gesamten Luftfahrzeug, seiner funktionsfähigen Ausrüstung und den geltenden Einsatzgrenzen ab.

Über See kommt eine weitere Ebene hinzu: Ein sicher durchführbarer Streckenflug bedeutet noch nicht, dass auch ein Windenmanöver oder eine Landung auf einem bewegten Flugdeck möglich ist. Wind, Sicht, Seegang und Schiffsbewegungen beeinflussen diese Aufgaben zusätzlich.

Wo auch umfassende Schutzsysteme Grenzen haben

Besonders große unterkühlte Tropfen können Bereiche erreichen, die außerhalb der vorgesehenen Schutzflächen liegen. Solche Bedingungen werden als Supercooled Large Droplets, kurz SLD, bezeichnet. Eis kann dann an Stellen entstehen, die eine vorhandene Schutzanlage nicht ausreichend erfasst.

Auch gefrierender Regen, gefrierender Nieselregen und unterschiedliche Schnee- oder Mischphasenbedingungen müssen gesondert betrachtet werden. Die Freigabe für bestimmte Vereisungsbedingungen ist keine pauschale Freigabe für jede Kombination dieser Erscheinungen.

Wettervorhersagen unterstützen die Planung, können die tatsächlichen Bedingungen entlang einer Flugstrecke aber nicht lückenlos beschreiben. Eiserkennung, Systemüberwachung und die Beurteilung durch die Besatzung bleiben deshalb während des Einsatzes wichtig.

Maßgeblich sind die für das konkrete Luftfahrzeug freigegebenen Bedingungen, die verfügbare Leistung und der aktuelle technische Zustand. Aus der Bezeichnung eines Schutzsystems lässt sich kein universeller Grenzwert für alle Marinehubschrauber ableiten.

Winterbetrieb beginnt bereits am Boden

Vereisung ist nicht ausschließlich ein Problem während des Fluges. Abgestellte Hubschrauber können Reif, Schnee oder gefrierenden Niederschlag aufnehmen. Besonders kritisch sind Ablagerungen an Rotorblättern, Steuerflächen und im Bereich der Triebwerkseinläufe.

Vorhandene Bordheizungen ersetzen deshalb keine gründliche Vorbereitung. Welche Reinigungs-, Enteisungs- und Schutzverfahren eingesetzt werden dürfen, richtet sich nach den jeweiligen Herstellervorgaben. Ungeeignete Mittel können Bauteile und Werkstoffe beschädigen.

Hinzu kommt die Gefahr durch Eis und Schnee, die beim Anlassen oder durch den Rotorluftstrom bewegt werden. Die technische Vorbereitung schützt damit sowohl das Luftfahrzeug als auch Personal und Ausrüstung in seiner Umgebung. Sie bildet die Grundlage dafür, dass die Schutzsysteme ihre vorgesehenen Aufgaben im Flug erfüllen können.

Fazit

Vereisungsschutz erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Marinehubschraubern erheblich. Sein praktischer Wert entsteht durch die abgestimmte Absicherung von Rotoren, Triebwerken, Sicht und Messsystemen. Ob ein konkreter Auftrag möglich ist, entscheidet sich jedoch am Zusammenwirken dieser Technik mit Wetterlage, Leistungsreserven und Besatzung. Gerade die anspruchsvollen Aufgaben über See verlangen deshalb eine Betrachtung des gesamten Einsatzes.