Development of a measuring system for the temporally resolved documentation of icing processes in aviation

As part of the approval processes for aircraft or relevant aircraft systems for operation under known icing conditions, tests are carried out in specially equipped icing wind tunnels. The basic aim is to document the tests and their results as accurately as possible. This data is then used to provide evidence to the authorities, for the development or optimization of flight systems or for scientific purposes.

There is currently no measuring system with which the temporal progression of ice growth or de-icing processes can be quantitatively documented. In the best case, individual 3D scans of the final ice structure are currently being created. This means that no information is yet available about the ice growth itself or, for example, the ice structure before a de-icing cycle. However, this information would be very relevant from a scientific and industrial or process engineering point of view.

The cooperative research project "4D Aircraft Icing" aims to investigate an innovative measurement system for the time-resolved, three-dimensional documentation of ice growth and de-icing processes. A 3D scanning method is being developed with which ice surfaces and their morphological changes can be measured dynamically and with the highest possible accuracy in three dimensions during the ongoing test in an icing wind tunnel. Here, the challenging optical properties of ice (transparency, reflections or light scattering) and the critical conditions inside the icing wind tunnel (low temperatures, supercooled water droplets, ...) must be taken into account, which make the use of conventional systems considerably more difficult and require the use of specially tailored methods. During the preparation and implementation of an international research project with the aim of developing the next generation of icing simulation tools (ICE GENESIS, project management Airbus), it became apparent that time-resolved documentation of icing processes would be highly interesting and valuable for the further development of the icing sector (also for future projects and developments). Research showed that there is no such technology worldwide. The necessity of the project is underlined by the submission of two relevant letters of intent (LoI) from companies active internationally in the aviation sector - Safran Aircraft Engines and Aerotex UK.

[Original text]
"Entwicklung eines Messsystems zur zeitlich aufgelösten Dokumentation von Vereisungsvorgängen in der Luftfahrt"
Im Zuge von Zulassungsprozessen von Luftfahrzeugen bzw. relevanten Flugzeugsystemen für den Betrieb unter bekannten Vereisungsbedingungen werden Tests in speziell ausgerüsteten Vereisungswindkanälen durchgeführt. Grundlegend ist es anzustreben, die Versuche bzw. deren Ergebnisse möglichst genau zu dokumentieren. Diese Daten werden dann zur Nachweisbringung gegenüber den Behörden, für die Entwicklung bzw. Optimierung von Flugsystemen oder für wissenschaftliche Zwecke verwendet.
Derzeit existiert kein Messsystem, mit dem der zeitliche Verlauf des Eiswachstums oder der Enteisungsvorgänge quantitativ dokumentiert werden kann. Im besten Fall werden aktuell einzelne 3D-Scans der finalen Eisstruktur erstellt. Damit sind noch keine Informationen über das Eiswachstum selbst oder beispielsweise die Eisstruktur vor einem Enteisungszyklus verfügbar. Diese Informationen wären jedoch aus wissenschaftlicher und industrieller bzw. verfahrenstechnischer Sicht sehr relevant. 

Das kooperative Forschungsprojekt „4D-Aircraft-Icing“ zielt auf die Untersuchung eines innovativen Messsystems für die zeitaufgelöste, dreidimensionale Dokumentation von Eiswachstums- bzw. Enteisungsprozessen ab. Es wird eine 3D-Scanmethode erarbeitet, mit welcher Eisoberflächen und deren morphologische Veränderung während des laufenden Versuches in einem Vereisungswindkanal dynamisch und mit möglichst hoher Genauigkeit dreidimensional vermessen werden können. Hier müssen speziell die herausfordernden optischen Eigenschaften von Eis (Transparenz, Spiegelungen oder Lichtstreuungen) und die kritischen Bedingungen im Inneren des Vereisungswindkanals (niedrige Temperaturen, unterkühlte Wassertropfen, …) berücksichtigt werden, die den Einsatz konventioneller Systeme erheblich erschweren und die Verwendung speziell abgestimmter Methoden erfordern.
Im Zuge der Vorbereitungen bzw. Durchführung eines internationalen Forschungsvorhabens mit dem Ziel die nächste Generation von Vereisungssimulationstools zu entwickeln (ICE GENESIS, Projektleitung Airbus), hat sich gezeigt, dass eine zeitaufgelöste Dokumentation von Vereisungsprozessen hochinteressant und wertvoll für die Weiterentwicklung des Vereisungssektors wäre (auch für zukünftige Projekte und Entwicklungen). Eine Recherche zeigte, dass es weltweit keine solche Technologie gibt. Die Notwendigkeit des Vorhabens wird untermauert durch die Vorlage von zwei relevanten Letters-of-Intents (LoI) von international in der Luftfahrt tätigen Unternehmen - Safran Aircraft Engines und Aerotex UK.