Tvorba ledu na letadlech

Informace o článku
Kategorie:	Počasí
Zdroj obsahu:	SKYbrary
Řízení obsahu:	SKYbrary

Tag(s)

Námraza

Popis

Tento článek je zaměřen na základy tvorby námrazy na letadlech a ve vstupech vzduchu do jejich motorů. Nezabývá se tvorbou námrazy, která vzniká sublimací, tedy procesem, při němž vodní pára mrzne přímo na povrchu pod bodem mrazu. Až na tuto výjimku vyžaduje tvorba ledu na vnějším povrchu letadla nebo na povrchu v přívodu vzduchu k motoru dopad kapek kapalné vody na daný povrch. Obvykle musí být tato vlhkost přechlazená, což znamená, že musí být v kapalném stavu pod 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R . V tomto obecném scénáři existuje několik specifických variant, které budou posouzeny později:

problémy související s rozdílem mezi teplotou pláště letadla a teplotou vzduchu, kterým letadlo prochází, procházelo nebo bude procházet, zejména během stoupání a klesání a v teplotním rozmezí +/-10 stupňů Celsia;
problémy vyplývající z rozdílu teploty a/nebo tlaku mezi okolním vzduchem a vzduchem uvnitř vstupů vzduchu do motoru, nejčastěji snížení tlaku vzduchu nebo zvýšení teploty vzduchu.

Led z přechlazené vlhkosti

Led, který se usazuje na vnějších částech letadla, je nejčastěji výsledkem dopadu přechlazených kapek vody různých velikostí na toto letadlo. K tomu může dojít uvnitř oblačnosti nebo při průletu srážkami. Důvodem, proč všechny kapičky vody nezmrznou, jakmile okolní teplota klesne pod 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , je uvolňování latentního tepla při změně skupenství vody na led. Uvolňuje se tolik latentního tepla, že se změna stavu zpomaluje, takže probíhá postupně, jak teplota stále klesá. To pokračuje, dokud se přibližně při -20 °C-4 °F 253,15 K 455,67 °R většina přechlazené vody nepromění v led. Zrnka ledu, která se již plně zformovala a jsou suchá, při nárazu do letadla nepřilnou, ale jednoduše se odrazí. Proto lze očekávat, že relativní závažnost akrece ledu se bude postupně snižovat s poklesem okolní teploty pod 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , takže pod -20 °C-4 °F 253,15 K 455,67 °R zůstává jen malé, pokud vůbec nějaké, riziko akrece. U přechlazených kapiček vody jsou důležité dva faktory:

rozsah jejich přítomnosti, který ovlivní rychlost případné akrece ledu, a
jejich velikost, která ovlivní závažnost této akrece tím, že nepříznivě ovlivní její rychlost.

Jak množství, tak i velikost kapiček přechlazených vodních kapek v mraku jsou největší při teplotách těsně pod 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R a obojí se snižuje s klesající teplotou. Velikost přechlazených kapiček vody je velmi důležitá s ohledem na potenciál vyvolat akreci ledu. Větší kapky mají větší setrvačnost a jsou méně ovlivňovány prouděním vzduchu kolem letadla než menší kapky, takže budou dopadat na větší část povrchu letadla než menší kapky. To platí zejména pro proudění vzduchu za letu kolem náběžné hrany křídel a trupu. Jsou to také větší kapky, které vytvářejí čirý nebo ledový led, který je dobře známý jako forma ledu, která vzbuzuje největší obavy a je často také nejhůře vizuálně zjistitelná.

Mraky a přechlazená vlhkost

Většina přechlazených kapek v mracích má průměr od 1 mikronu (0,001 mm) do 50 mikronů (0,05 mm). (Pro srovnání, tloušťka průměrného lidského vlasu je přibližně 100 mikronů). Vrstevnaté (stratiformní) mraky obvykle obsahují kapičky o průměrném průměru až 40 mikronů. Vertikálně vyvinutá (kumulovitá) oblaka středního rozsahu mají obvykle průměr kapek do 50 mikronů (0,05 mm), ale velká oblaka typu Cumulonimbus (Cb) často obsahují mnohem více kapalné vody, včetně velkého množství v kapkách o průměru až 100 mikronů (0,1 mm) a více.

Mrznoucí déšť a mrznoucí mrholení

Srážkové kapky, které jsou mimo oblak, jsou mnohem větší než kapky uvnitř oblaku, a pokud jsou přechlazené, popisují se jako vytváření mrznoucího mrholení, kde kapky mají průměr mezi 50 a 500 mikrony (0,05 mm a 0,5 mm), a mrznoucího deště, kde průměr kapek přesahuje 500 mikronů (0,5 mm). Mrznoucí déšť má často mnohem větší kapky o průměru 2 mm a více, i když pokud jejich průměr výrazně přesáhne 6 mm, mají tendenci se rozpadat.

Mrznoucí déšť pod mrakem vzniká, když jsou dešťové kapky přechlazeny průchodem vrstvou vzduchu, která má teplotu pod bodem mrazu. Protože teplota vzduchu se obvykle zvyšuje se snižující se nadmořskou výškou, mrznoucí déšť předpokládá existenci inverze teploty vzduchu. Takové podmínky mohou nastat pod postupující teplou frontou nebo teplou okluzí, kde relativně teplá vzduchová hmota překrývá chladnější vzduch. Existence mrznoucího deště obvykle znamená, že výše bude teplejší vzduch (nad 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ).

Tímto způsobem mohou vznikat i menší přechlazené kapičky mrznoucího mrholení, ale obecně se má za to, že častěji vznikají jiným procesem, který se nazývá kolizně-koalescenční proces. Když kondenzací některé kapičky v oblaku narostou do průměru přibližně 30 mikrometrů, začnou se usazovat a padat dostatečně rychle, takže se srazí s některými menšími kapičkami. Pokud se pak kapky srazí, vznikne větší kapka, která má nyní ještě větší šanci „zachytit“ menší kapky. Za příznivých podmínek může tento proces vytvořit kapky o velikosti mrholení v přechlazeném oblaku, obvykle blízko jeho vrcholu, kde se obvykle nacházejí největší kapky v každém oblaku. Údaje o zachycení se liší, ale některé studie uvádějí, že mrznoucí mrholení v nekonvekčních oblacích vzniká ve více než 80 % případů procesem kolize-koalescence. Důležité tedy je, že při mrznoucím mrholení nelze předpokládat, že se nad ním bude vyskytovat teplejší vzduch (nad 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ).

Závažnost námrazy

Termín „závažnost námrazy“ se v podstatě týká rychlosti, s jakou dochází k výrazné akreci námrazy. Dosavadní popisy přechlazených kapiček vody se týkaly jejich velikosti. Tyto srovnávací průměry jsou důležité – typické kapky mrholení mají průměr 10krát větší než typické kapky mraku a typické kapky deště mají průměr 100krát větší než typické kapky mraku. Velikost popsaná průměrem však není tím, co je nejdůležitější z hlediska možnosti akumulace ledu nárazem. To, co skutečně rozhoduje, je objem (nebo hmotnost) vody obsažené v kapce, protože to je to, co určuje množství vody, které dopadne na letadlo, a také to, jak daleko za bodem stagnace proudění vzduchu před náběžnou hranou budou kapky dopadat na letadlo. Tento poslední bod má značný význam, protože velké kapky mohou dopadat daleko za náběžnými hranami v oblastech, které nejsou proti námraze nebo bez námrazy, a mohou se také měnit v led, když proudí směrem vzad v kontaktu s povrchem, který byl původně zasažen.

Je důležité si uvědomit, že objem kapky není úměrný jejímu průměru, ale přibližně krychli poloviny průměru (tj. poloměru). Pokud tedy za typický průměr kapky mraku považujeme 20 mikrometrů (0,02 mm) a za typický průměr kapky mrznoucího deště 2000 mikrometrů (2 mm), pak ačkoli se průměry těchto kapek liší pouze 100krát, jejich objem, a tedy i hmotnost, se liší řádově 1 000 000krát.

Je to právě tato výrazně větší hmotnost přechlazených vodních kapiček v mrznoucích srážkách ve srovnání s kapičkami v mraku, dokonce i v mraku typu cumulonimbus, která znemožňuje jakémukoli letadlu podniknout delší dobu trvalého letu – a ve většině případů jakýkoli let – v mrznoucích srážkách bez mraku.

Rozdíl mezi okolní teplotou a teplotou pokožky letadla

Existuje řada faktorů, které mění náchylnost k akreci ledu na letadle:

Při pohybu jakéhokoli letadla vzduchem zvyšuje výsledné kinetické teplo v důsledku stlačení v místech překážky vzduchu a tření na plochách průchodu vzduchu teplotu pokožky letadla nad teplotu okolního vzduchu v okolí. Rozsah, v jakém k tomu dochází, a tedy i rozsah jeho významu pro tvorbu námrazy, byl vypočten jako přímo úměrný čtverci 1/100 x skutečné rychlosti letu v uzlech. Piloti si budou vědomi následného rozdílu mezi SAT a TAT, který lze pozorovat, že se zvyšuje s rychlostí, protože účinek zvýšení skutečné rychlosti letu je větší než opačný účinek snížení hustoty vzduchu.
Pokud letadlo stoupá do chladnějšího vzduchu a zmrzlé nebo částečně zmrzlé usazeniny spočívají na horních plochách křídel nebo vodorovných ocasních plochách nebo v souvisejících mezerách závěsů řízení letu, existuje možnost, že tyto usazeniny mohou zcela zmrznout a na místě se připojit k draku. To však obvykle představuje významný problém pouze v případě, že stoupání probíhá současně v podmínkách, které mohou nezávisle na sobě způsobit významný nárůst ledu.
Když letadlo klesá z velké výšky, je pravděpodobné, že nárůst teploty povrchu konstrukce při oteplení okolního vzduchu bude zaostávat za nárůstem teploty okolního vzduchu, zejména v případě křídel používaných jako palivové nádrže, které stále obsahují značné množství paliva. To platí zejména v případech, kdy se palivo „tankuje“ pro použití v dalším sektoru letu namísto čerpání v původním místě určení. Význam paliva spočívá v tom, že jeho teplota se po předchozím namočení do chladu zotavuje pomaleji než konstrukce, která ho obsahuje. Jedním z konkrétních důsledků tohoto jevu je tvorba „palivového ledu“ na spodním povrchu křídla, protože zde je studené palivo v přímém kontaktu s konstrukcí křídla. Takový čirý led je často přítomen i při následném obratu, i když je OAT několik stupňů nad bodem mrazu.

Engine Air Inlet Icing

Všechna letadla certifikovaná pro lety v podmínkách námrazy jsou vybavena systémy proti námraze. Ty zabraňují tvorbě námrazy na vstupních hranách vzduchu a naváděcích lopatkách pomocí elektricky vyhřívaných rohoží, cirkulujícího horkého motorového oleje nebo vypouštěného vzduchu odsávaného z motoru. Nicméně dále uvnitř vstupu vzduchu se může led tvořit na nechráněných místech, i když letadlo nelétá v podmínkách námrazy, jak jsou v současnosti definovány pro účely certifikace motorů. Existují dvě takové okolnosti: ochlazení vlhkého vzduchu nad teplotu mrazu snížením tlaku v pístových motorech a tání krystalků ledu, které se zahřívají po vstupu do turbínových motorů.

V prvním případě je vlhký vzduch vstupující do sání pístového motoru o teplotě nad 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R následně urychlován sacím účinkem přes snížený kanál. Tento „Venturiho“ efekt snižuje jeho teplotu a způsobuje, že vlhkostní zátěž kondenzuje ven a sráží se na stěnách vzduchového kanálu ve formě ledu. Podrobnější informace naleznete v části Indukční námraza pístového motoru. Tento článek popisuje také dva další typy indukční námrazy, které se vyskytují v pístových motorech.

V druhém případě dochází k nasátí vysoké hustoty velmi malých krystalků ledu ve velmi chladném vzduchu ve velkých výškách do plynových turbín s vysokým obtokem. Ty pak buď dočasně zmrznou a oddělí se jako větší kusy ledu, což způsobí narušení proudění vzduchu v motoru, nebo způsobí mechanické poškození buď jako kusy ledu, nebo prostřednictvím diskrétních průchodů kapalné vody. Další informace naleznete na stránce High Level Ice Crystal Icing:

Předpovědi námrazy

V letecké předpovědi neexistují definice absolutní závažnosti námrazy. Nicméně relativní kvalifikace lehká, střední a silná se obecně používají (pouze s ohledem na riziko námrazy na draku letadla) způsobem, který má alespoň přiměřenou regionální konzistenci v kontextu typu předpovědi, ve které se používají. Většina předpovědních pracovníků chápe, že termín „lehká námraza“ bude interpretován poněkud odlišně posádkou dopravního letadla a soukromým pilotem, který se zajímá o to, zda bude pravděpodobně schopen uskutečnit svůj plánovaný let bez jakýchkoli námrazových podmínek. V důsledku toho jsou předpovědi nízké námrazy obvykle prezentovány tak, aby byly přístupné zejména pilotům lehkých letadel zranitelných vůči účinkům jakékoliv námrazy. V předpovědích poskytovaných především pro obchodní leteckou dopravu se však používá termínů mírná a silná námraza, které odrážejí jejich pravděpodobný význam pro letadla, která jsou certifikována pro rutinní lety v „podmínkách námrazy“, protože jsou vybavena příslušnými systémy ochrany proti námraze. Toto používání předpovědí vyšší úrovně v obecném letectví může vést k nedorozumění ohledně podmínek námrazy, které lze očekávat, a někdy k nevhodnému plánování letů. Jde o to, že relativní předpovědi závažnosti námrazy nemohou brát a neberou v úvahu jejich uživatele a letadlo, které pilotuje, takže interpretace předpovědí je stejně tak věcí úsudku jako sledování zdánlivé reality námrazy po vstupu do vzduchu.

Při všech výše uvedených výhradách může být přesto užitečný stručný pohled na obvyklé „popisy“ a „definice“ podmínek námrazy používané předpovědními pracovníky. Všechny popisy předpokládají, že letadlo je certifikováno pro „let v podmínkách námrazy“.

Lehká námraza je často popisována jako takové podmínky, že „není nutná změna kurzu nebo výšky a nedochází ke ztrátě rychlosti. Někteří ji přísněji definují jako rychlost nárůstu námrazy za hodinu na vnějším křídle v rozmezí 0,25 až 1 palec (0,6 až 2,5 cm).
Mírná námraza je obvykle popisována jako nárůst ledu, který se stále zvětšuje, ale ne takovou rychlostí, aby ovlivnil bezpečnost letu, pokud netrvá delší dobu, ale může dojít ke ztrátě rychlosti letu. Definice založená na rychlosti nárůstu ledu za hodinu na vnějším křídle 1 až 3 palce (2,5 až 7.5 cm)
Silná námraza byla různě popisována jako akrece ledu:
- , kdy buď rychlost tvorby námrazy, nebo akumulace ledu překračuje toleranci letadla;
- , která pokračuje a začíná vážně ovlivňovat výkony a ovladatelnost letadla;
- takovou rychlostí, že systémy ochrany proti námraze nedokáží odstranit akumulaci ledu a led se hromadí v místech, která nejsou normálně náchylná k tvorbě námrazy;
- tak, že je nutné okamžité opuštění stavu, aby bylo zachováno plné řízení letadla.

Všeobecně se uznává, že ačkoli certifikace letadla pro let v podmínkách námrazy zřídkakdy zahrnuje jakákoli uvedená omezení, žádné letadlo není schváleno pro let v podmínkách silné námrazy a že podmínky silné námrazy mohou nastat při jakékoli míře akumulace námrazy.

V Severní Americe se v předpovědních materiálech častěji než jinde používají termíny clear, rime nebo mixed, které jsou zamýšleny i brány jako zástupce velikosti kapek bez ohledu na další faktory, jako je teplota a obsah kapalné vody. V tomto pojetí znamená předpověď „rime ice“ menší velikost kapek a předpověď „mixed“ nebo „clear ice“ větší velikost kapek, přičemž hranice mezi těmito dvěma pojmy je pouze nejasná a neurčitá.

Nakonec, „čisté letadlo“ při rotaci je základním požadavkem pro let v podmínkách námrazy nebo do nich pro ta letadla, která jsou takto schválena. Toho se dosahuje použitím vhodných pozemních odmrazovacích nebo protiledových kapalin, které mají dostatečnou dobu výdrže pro převládající podmínky. Ochrana proti námraze se téměř vždy provádí pomocí zahuštěných kapalin, které ulpívají na draku letadla a během vzletu se postupně stahují tak, aby byly všechny odstraněny do rychlosti 100KIAS. Neexistuje žádná schválená ochrana kapalin proti mrznoucímu dešti nebo mrznoucímu mrholení, takže odlet v těchto podmínkách není obecně možný.

Namrzání za letu
Namrzání – účinnost sběru
Rizika namrzání letadla a za letu
Namrzání při indukci pístového motoru
Namrzající déšť
Kumulonimbus (Cb)
Namrzání letadla na zemi
Anti-Icing
Systémy ochrany letadel proti námraze
Námraza z ledových krystalů vysoké úrovně: Účinky na motory

Další četba

Výtah z Dopisu o bezpečnosti letectví 1/2007 organizace Transport Canada: The Adverse Aerodynamic Effects of Inflight Icing on Airplane Operation
Aircraft Icing Handbook, Version 1 by Civil Aviation Authority of New Zealand
Appendix C ‚Icing Conditions‘ to CFR 14 Part 25, FAA, 2014
An Inferred European Climatology of Icing Conditions, Including Supercooled Large Droplets, B. Bernstein, 2005
Getting to grips with Cold Weather Operations, Airbus, 2000
Aircraft Critical Surface Contamination Training for Aircrew and Groundcrew, Transport Canada, 2004
Hazardous Weather Phenomena: High Ice Water Content, Bureau of Meteorology Australia, January 2015

SKYbrary Wiki