Infrared spectroscopic cloud water phase determination in icing conditions

The icing of aircraft components is a fundamental problem in ensuring safety in aviation and is therefore also a central topic in the approval of aircraft. The regulations of the aviation authorities (EASA - Certification Specifications and FAA - Code of Federal Regulations 14) require proof of conformity with these provisions in different icing conditions (e.g. EASA CS-25, Appendices C/O/P, and CS-E) in order to ensure the operational suitability of aircraft and their components. In recent years, other icing conditions that are critical for safe flight operations have been included in the legislation on a case-by-case basis. These include so-called supercooled large droplets (SLD), mixed phase (mixed liquid and frozen water components) and ice crystal icing environments (high proportion of ice crystals). These environmental conditions can only be reproduced to a limited extent in the internationally available icing test infrastructure, but will be essential in the future for testing and certifying aircraft components and de-icing technologies, as well as for validating numerical simulation models for the aviation industry. Due to a lack of suitable measurement technology for the proportions of liquid water droplets and frozen ice particles in the total water content (liquid and ice water content), the requirements of these certification criteria are difficult to meet.
This is where the exploratory project "AquaPhase" comes in. The aim of this is to develop, evaluate and subsequently establish as a standard a practical concept for phase differentiation, i.e. for distinguishing between water droplets and ice particles or snow for icing research and development, based on infrared spectroscopic technologies. The project involves the design of a measuring system and the experimental validation of the technology, which should enable reliable measurement of the phase proportions in icing environments without the disadvantages of complex optical measurement of particle morphology. As a result, a highly relevant, preferably automated measuring system for testing and certification purposes for icing infrastructure operators and the aviation industry will be designed and the technical and economic potential will be analyzed and evaluated as a foundation for future R&D projects.

[Original text]
"Infrared spectroscopic cloud water phase determination in icing conditions"
Die Vereisung von Luftfahrzeugkomponenten stellt eine grundlegende Problematik bei der Gewährleistung der Sicherheit in der Luftfahrt dar und ist damit auch ein zentrales Thema in der Zulassung von Luftfahrzeugen. Das Regulativ der Luftfahrtbehörden (EASA - Certification Specifications und FAA - Code of Federal Regulations 14) fordert für die Sicherstellung der Betriebstauglichkeit von Flugzeugen und dessen Komponenten den Nachweis der Konformität mit diesen Bestimmungen in unterschiedlichen Vereisungsbedingungen (z.B. EASA CS-25, Appendices C/O/P, und CS-E). Anlassbezogen wurden in den letzten Jahren weitere, für den sicheren Flugbetrieb kritische Vereisungsbedingungen in die Gesetzgebung aufgenommen. Zu diesen zählen sogenannte Supercooled-Large-Droplet- (große unterkühlte Tropfen, SLD), Mixed-Phase- (gemischt flüssige und gefrorene Wasser-Bestandteile) und Ice-Crystal-Icing-Umgebungen (hoher Anteil an Eiskristallen). Diese Umgebungsbedingungen können nur bedingt zuverlässig und reproduzierbar in der heute international verfügbaren Vereisungstestinfrastruktur nachgestellt werden, sind jedoch künftig in der Erprobung und Zertifizierung von Luftfahrzeugkomponenten und Enteisungstechnologien, sowie der Validierung von numerischen Simulationsmodellen für die Luftfahrtindustrie unerlässlich. Mangels geeigneter Messtechnik für die Anteile flüssiger Wassertropfen und gefrorener Eispartikel am Gesamtwassergehalt (Liquid- und Ice-Water-Content) sind die Anforderungen dieser Zertifizierungskriterien nur schwer zu erfüllen.
Hier setzt das Sondierungsprojekt „AquaPhase“ an. Dieses hat zum Ziel, auf Basis von infrarot-spektroskopischen Technologien ein praktikables Konzept zur Phasenunterscheidung, also zur Unterscheidung von Wassertropfen und Eispartikeln bzw. Schnee für die Vereisungsforschung und -entwicklung auszuarbeiten, zu evaluieren und in weiterer Folge als Standard zu etablieren. Im Vorhaben erfolgt der Entwurf eines Messsystems und die experimentelle Validierung der Technologie, welche eine zuverlässige Messung der Phasenanteile in Vereisungsumgebungen, ohne die Nachteile einer aufwendigen optischen Messung der Partikelmorphologie, ermöglichen soll. In der Folge wird ein für Vereisungsinfrastruktur-Betreiber und Luftfahrtindustrie hochrelevantes, möglichst automatisiertes Messsystem zu Test- und Zertifizierungszwecken entworfen und das technische sowie ökonomische Potenzial als Grundstein für zukünftige F&E-Vorhaben analysiert und bewertet.