Propeller Ice Shed Measurement

Ice buildup on aircraft propellers leads to a significant loss of performance by reducing thrust and increasing torque, as well as a loss of speed or altitude. As a countermeasure, propellers on aircraft with type approval CS-23 and CS-25 are equipped with de-icing systems. For historical reasons, these systems are designed to operate in CS-25 Appendix C icing conditions and usually do not cover the entire propeller surface. However, flight tests in CS-25 Appendix O conditions (super-cooled large droplets) have shown that unprotected areas of the propeller are also affected, particularly under this heavy icing. Wind tunnel tests by the FAA confirm this, although Appendix O conditions could only be approximately achieved here.

In comparison to the steadily increasing number of icing tests for small propellers, experimental icing data for large propellers is very sparse, as only very few icing wind tunnels worldwide are capable of testing them. Now, small-scale tests also provide some information about the aerodynamics on large propellers, which, however, does not apply to icing and makes large-scale tests indispensable. In order to carry out these tests, it is therefore essential to create a test facility with representative icing conditions and aerodynamics for large-scale propellers.

Another aspect of propeller icing is the flaking off of adhered ice mass, also known as the "ice shedding effect". These ice particles can cause structural damage when they impact the aircraft. The type approval regulations therefore require additional reinforcement of the areas at risk. The majority of the tests carried out here are limited to laboratory tests in which mass, impact speed and position are already defined. However, information about the positions of the impacts and the potential energy is not available due to the small number of tests. Therefore, in further tests in the icing wind tunnel with an actual propeller, a measuring device must be used which documents the ice impact at different angles and speeds and is suitable for the demanding environmental conditions.

The project presented is intended to improve the test environment for large-scale propeller icing tests and to document icing and ice shedding. The tests are carried out in icing conditions that are unique worldwide in RTA's icing wind tunnel. By involving a global supplier for large-scale propeller systems, the tests can be carried out in the representative approval area for large aircraft (CS-25). The propeller geometry will be freely accessible to the public as part of the project.

The concept development and the first tests of a system for measuring ice impact that is compatible with the RTA icing wind tunnel act as a catalyst for an even better understanding of icing phenomena on rotors and thus enable the development of even more efficient and powerful de-icing systems.

The significance of the research project for flight safety and aviation in general is reflected in the explicit interest shown by the US Federal Aviation Administration (FAA) and the European EASA. The establishment of the consortium also guarantees successful dissemination of the research results at international aerospace trade fairs such as those of the SAE or AIAA.

[Original text]
"Propeller Ice Shed Measurement"
Eisansatz an Propellern von Luftfahrzeugen führt zu großen Leistungseinbußen durch Verringerung des Schubs bei gleichzeitigem Anstieg des Drehmomentes sowie Geschwindigkeits- oder Höhenverlust. Als Gegenmaßnahme sind Propeller von Flugzeugen der Bauartzulassung CS-23 und CS-25 mit Enteisungssystemen ausgestattet. Aus historischen Gründen sind diese Systeme für den Betrieb in CS-25 Appendix C Vereisungsbedingung ausgelegt und decken üblicherweise nicht die gesamte Propellerfläche ab. Flugversuche in CS-25 Appendix O Bedingungen (Super-cooled Large Droplets) haben jedoch gezeigt, dass besonders unter dieser starken Vereisung auch ungeschützte Bereiche des Propellers betroffen sind. Windkanalversuche der FAA untermauern dies, obwohl hier die Appendix O Bedingungen nur annähernd erreicht werden konnten. 

Im Vergleich zur stetig steigenden Zahl an Vereisungstests für kleine Propeller liegen experimentelle Vereisungsdaten für große Propeller nur sehr spärlich vor, da weltweit nur sehr wenige Vereisungswindkanäle zu Tests derer im Stande sind. Nun geben kleinskalierte Tests auch teilweisen Aufschluss über die Aerodynamik auf großen Propellern, was jedoch für Vereisung nicht gilt und großskalierte Tests unabdingbar macht. Für die Durchführung dieser Tests ist folglich die Schaffung einer Testeinrichtung mit repräsentativen Vereisungsbedingungen sowie Aerodynamik für groß-skalierte Propeller unbedingt notwendig. 

Ein weiterer Aspekt der Propellervereisung ist das Abplatzen von angehafteter Eismasse, auch bezeichnet als „Ice-Shedding-Effekt“. Diese Eispartikel können beim Aufprall auf das Luftfahrzeug strukturellen Schaden verursachen. Die Bauartzulassungsvorschiften fordern daher eine zusätzliche Verstärkung der gefährdeten Bereiche. Die Mehrzahl der hier durchgeführten Tests beschränkt sich auf Laborversuche, in denen Masse, Aufprallgeschwindigkeit und Position bereits definiert sind. Information über die Positionen der Aufpralle sowie die potenzielle Energie ist aufgrund der wenigen Tests jedoch nicht vorhanden. Daher muss bei weitergehenden Versuchen im Vereisungswindkanal mit tatsächlichem Propeller Messvorrichtung zum Einsatz kommen, welche zum einen den Eisaufprall mit unterschiedlichen Winkeln und Geschwindigkeiten dokumentiert, sowie für die anspruchsvollen Umgebungsbedingungen geeignet ist. 

Das vorgestellte Projekt soll zum einen die Testumgebung für groß-skalierte Propeller-Vereisungstests verbessern, sowie die Vereisung und das Ice-Shedding dokumentieren. Die Tests werden in Appendix O Vereisungsbedingungen durchgeführt, welche weltweit einzigartig im Vereisungswindkanal von RTA erzeugt werden können. Durch Einbindung eines globalen Zulieferers für groß-skalierte Propellersysteme können die Tests im repräsentativen Zulassungsbereich für Großflugzeuge (CS-25) durchgeführt werden. Die Propellergeometrie wird im Zuge des Projektes frei öffentlich zugänglich. 

Die Konzeptentwicklung und die ersten Tests, eines mit dem RTA Vereisungswindkanal kompatiblen Systems zur Messung des Eisaufpralls, fungieren hierbei als Katalysator für ein noch besseres Verständnis der Vereisungsphänomene auf Rotoren und ermöglichen dadurch auch die Entwicklung von noch effizienteren und leistungsfähigeren Enteisungssystemen. 

Die Signifikanz des Forschungsvorhabens für die Flugsicherheit und Luftfahrt im Allgemeinen kommt durch das ausdrückliche Interesse durch die US-amerikanische Bundesluftfahrtverwaltung FAA sowie die europäische EASA zum Ausdruck. Die Aufstellung des Konsortiums garantiert weiters eine erfolgreiche Dissemination der Forschungsergebnisse auf internationalen Luft- und Raumfahrtmessen, wie die der SAE oder AIAA.