Isdannelse på fly

Artikelinformation
Kategori:	Vejr
Indholdskilde:	SKYbrary
Indholdskontrol:		Indholdskontrol:	SKYbrary

Tag(s)

Icing

Beskrivelse

Denne artikel har til formål at behandle de grundlæggende aspekter af isdannelse på luftfartøjer og i deres motorers luftindtag. Den omhandler ikke dannelse af frost, som opstår ved sublimering, dvs. den proces, hvorved vanddamp fryser direkte på overflader under nulpunktet. Med denne undtagelse kræver dannelsen af is på et luftfartøjs ydre overflade eller på overfladerne i motorens luftindtag, at flydende vanddråber rammer den pågældende overflade. Normalt skal denne fugt være underafkølet, hvilket betyder, at den skal være i flydende form under 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Der er et par specifikke variationer i dette generelle scenarie, som vil blive behandlet senere:

problemer i forbindelse med forskellen mellem temperaturen på flyets overflade og temperaturen på den luft, som det passerer, har passeret eller vil passere igennem, især under stigning og nedstigning og i temperaturområdet +/-10 grader Celsius;
problemer, der skyldes temperatur- og/eller trykforskellen mellem den omgivende luft og luften i motorens luftindtag, oftest nedsættelser i lufttrykket eller stigninger i lufttemperaturen.

Is fra underafkølet fugt

Ice, der accretererer på de ydre dele af et luftfartøj, er oftest resultatet af virkningen af underafkølede vanddråber af forskellig størrelse på dette luftfartøj. Dette kan ske i skyerne eller ved flyvning gennem nedbør. Grunden til, at vanddråberne ikke alle fryser, så snart den omgivende temperatur falder til under 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , er frigivelsen af latent varme, når vandet ændrer tilstand til is. Der frigives så meget latent varme, at tilstandsændringen bremses, således at den finder sted gradvist, efterhånden som temperaturen falder yderligere. Dette fortsætter, indtil det meste af det underkølede vand ved ca. -20 °C-4 °F 253,15 K 455,67 °R er blevet til is. Iskorn, som allerede er fuldt dannet og tørre, når de rammer et fly, klæber ikke fast, men preller blot af. Derfor kan man forvente, at den relative alvorlighed af istilhæftning gradvist aftager, efterhånden som omgivelsestemperaturen falder til under 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , således at der kun er ringe, om nogen, risiko for istilhæftning under -20 °C-4 °F 253,15 K 455,67 °R . To faktorer er vigtige med hensyn til underafkølede vanddråber:

deres tilstedeværelse, som vil påvirke hastigheden af en eventuel istilvækst, og
deres størrelse, som vil påvirke alvoren af denne tilvækst ved at påvirke dens hastighed i negativ retning.

Både mængden og dråbestørrelserne af underafkølede vanddråber i skyen er størst ved temperaturer lige under 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R og begge falder, når temperaturen falder. Størrelsen af de underkølede vanddråber er meget vigtig med hensyn til potentialet for at fremkalde isophobning. Større dråber har større inerti og påvirkes mindre af luftstrømmen omkring flyet end mindre dråber, så de vil ramme en større del af flyets overflade end mindre dråber. Dette er især tilfældet med hensyn til luftstrømmen under flyvning omkring vingernes og empennagens forkant. Det er også de større dråber, der producerer klar eller glaseret is, som er velkendt som den isform, der giver anledning til størst bekymring, og som ofte også er den vanskeligste at opdage visuelt.

Molke og underafkølet fugt

De fleste underafkølede dråber i skyer er mellem 1 mikron (0,001 mm) og 50 mikron (0,05 mm) i diameter. (Til sammenligning er tykkelsen af et gennemsnitligt menneskehår ca. 100 mikron). Lag (stratiforme) skyer indeholder typisk gennemsnitlige dråbediametre på op til 40 mikron. Vertikalt udviklede (cumuliforme) skyer af moderat omfang har typisk gennemsnitlige dråbediametre på op til 50 mikron (0,05 mm), men store Cumulonimbus (Cb)-skyer indeholder ofte meget mere flydende vand, herunder store mængder i dråber med diametre på op til og over 100 mikron (0,1 mm).

Frysende regn og frysende støvregn

Nedbørsdråber, der er fri af skyen, er meget større end dem inden for skyen, og hvis de er underafkølede, beskrives de som dannende frysende støvregn, hvor dråberne har en diameter på mellem 50 og 500 mikrometer (0,05 mm og 0,5 mm) og frysende regn, hvor dråberne har en diameter på over 500 mikrometer (0,5 mm). Frysende regn har ofte meget større dråber med en diameter på 2 mm eller mere, men hvis de kommer meget over 6 mm i diameter, vil de have tendens til at gå i stykker.

Frisende regn under skyen dannes, når regndråberne bliver underafkølet ved passage gennem et luftlag, der har en temperatur under frysepunktet. Da lufttemperaturen normalt stiger i takt med, at højden mindskes, forudsætter frostregn, at der findes en inversion af lufttemperaturen. Sådanne forhold kan forekomme under en fremrykkende varmfront eller en varm okklusion, hvor en forholdsvis varm luftmasse overskygger koldere luft. Eksistensen af frostregn betyder normalt, at der vil være varmere luft (over 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) over.

De mindre underkølede dråber i frysende støvregn kan også dannes på denne måde, men det anses generelt for, at de oftere opstår ved en anden proces kaldet kollisions-koalescensprocessen. Når nogle dråber i en sky ved kondensation vokser til ca. 30 mikrometer i diameter, begynder de at sætte sig og falder hurtigt nok til, at de kolliderer med nogle mindre dråber. Hvis dråberne derefter smelter sammen, dannes der en større dråbe, som nu har endnu bedre mulighed for at “fange” mindre dråber. Under gunstige forhold kan denne proces give dråber af støvregnstørrelse i en superkølet sky, som regel nær toppen, hvor de største dråber normalt findes i enhver sky. Dataindsamlingen har varieret, men nogle undersøgelser har rapporteret, at frysende dråber i ikke-konvektive skyer dannes i mere end 80 % af tilfældene ved kollisions-koalescensprocessen. Så det er vigtigt, at når man befinder sig i frysende støvregn, kan man ikke antage, at der vil være varmere luft (over 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) over den.

Icing Severity

Udtrykket “isdannelsesgrad” handler i bund og grund om den hastighed, hvormed der sker en betydelig istilvækst. Beskrivelserne af underafkølede vanddråber har indtil nu været baseret på deres størrelse. Disse sammenlignende diametre er vigtige – typiske drypdråber har en diameter, der er 10 gange større end typiske skydråber, og typiske regndråber har en diameter, der er 100 gange større end typiske skydråber. Størrelsen, som den beskrives ved diameteren, er dog ikke det, der har størst betydning for potentialet for istilvækst ved nedslag. Det, der virkelig gør forskellen, er mængden (eller massen) af vand i en dråbe, da det er dette, der styrer mængden af vand, som vil ramme flyet, og også hvor langt bagud for stagnationspunktet for luftstrømmen foran en forkantflade, som dråberne vil ramme flyet. Sidstnævnte punkt er af stor betydning, da store dråber kan ramme langt ud over forkanterne i områder, der ikke er isfri eller isfri, og de kan også blive til is, når de strømmer bagud og kommer i kontakt med den overflade, de oprindeligt ramte.

Det er vigtigt at bemærke, at en dråbes volumen ikke er proportionalt med dens diameter, men ca. med kuben af halvdelen af diameteren (dvs. radius). Hvis man derfor tager 20 mikrometer (0,02 mm) som en typisk diameter for en skydråbe og 2000 mikrometer (2 mm) som den typiske diameter for en frostregndråbe, så selv om disse dråbers diameter kun adskiller sig med en faktor 100, adskiller deres volumen og dermed deres masse sig med en faktor i størrelsesordenen 1.000.000.

Det er denne langt større masse af underafkølede vanddråber i frysende nedbør sammenlignet med dem i sky, selv i cumulonimbussky, som udelukker ethvert fly fra at foretage en længerevarende flyvning – og i de fleste tilfælde enhver flyvning – i frysende nedbør uden sky.

Differencer mellem den omgivende temperatur og flyets hudtemperatur

Der er en række faktorer, som varierer isens tilbøjelighed til at ophobe sig på et fly:

Når et fly bevæger sig gennem luften, hæver det resulterende kinetiske hjerte, der skyldes både kompression ved lufthindringspunkter og friktion ved luftpassageflader, flyets hudtemperatur over den omgivende lufts temperatur i nærheden. Det omfang, hvori dette sker, og derfor omfanget af dets betydning for isdannelse, er blevet beregnet til at være direkte proportional med kvadratet på 1/100 x den sande lufthastighed i knob. Piloter vil være opmærksomme på den deraf følgende forskel mellem SAT og TAT, som kan observeres at stige med hastigheden, da virkningen af stigningen i sand lufthastighed er større end den modsatte virkning af faldet i lufttætheden.
Hvis et luftfartøj stiger op i koldere luft, og frosne eller halvfrosne aflejringer hviler på vingernes eller de vandrette haleplansoverflader eller i de tilhørende huller i flyvestyringshængslerne, er der mulighed for, at disse aflejringer kan fryse helt til og sætte sig fast på flyskroget på stedet. Dette vil dog normalt kun være et væsentligt problem, hvis stigningen samtidig sker under forhold, der kan forventes at give en uafhængig betydelig istilhæftning.
Når et luftfartøj falder fra stor højde, vil stigningen i strukturens overfladetemperatur, når den omgivende luft varmes op, sandsynligvis sakke bagud i forhold til stigningen i den omgivende lufttemperatur, især i tilfælde af vinger, der anvendes som brændstoftanke, og som stadig indeholder en betydelig mængde brændstof. Dette gælder især, når brændstof “tankes” til brug på den næste flyvesektor i stedet for at blive taget op på det oprindelige bestemmelsessted. Brændstoffets betydning skyldes, at det har en tendens til, at dets temperatur genoprettes langsommere efter forudgående kuldeopblødning end den struktur, der indeholder det. En særlig effekt af dette er dannelsen af “brændstofis” på vingeundersiden, fordi det er her, det kolde brændstof er i direkte kontakt med vingestrukturen. En sådan klar is er ofte stadig til stede under den efterfølgende turnaround, selv når OAT er flere grader over frysepunktet.

Motorens luftindtag er iset

Alle luftfartøjer, der er certificeret til flyvning under isdannende forhold, er udstyret med anti-isningssystemer. Disse forhindrer dannelse af isdannelse på luftindtagslæber og styrevinger ved hjælp af elektrisk opvarmede måtter, cirkuleret varm motorolie eller aftræksluft, der trækkes ud af motoren. Længere inde i et luftindtag kan der imidlertid dannes is i ubeskyttede områder, selv når et luftfartøj ikke flyver under isdannende forhold, som det i øjeblikket er defineret med henblik på motorcertificering. Der er to sådanne omstændigheder: afkøling af fugtig luft over frysepunktet ved trykreduktion i stempelmotorer og smeltning af iskrystaller, der opvarmes efter at være kommet ind i turbinemotorer.

I det første tilfælde accelereres fugtig luft, der kommer ind i en stempelmotors indtag ved en temperatur over 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , derefter ved en sugeeffekt gennem en reduceret kanal. Denne “venturi”-effekt reducerer temperaturen, hvilket får fugten til at kondensere og udfældes på luftkanalens vægge som is. Se “Piston Engine Induction Icing” for yderligere oplysninger. I denne artikel beskrives også to andre typer af induktionsisdannelse, der forekommer i stempelmotorer.

I det andet tilfælde indtages høje tætheder af meget små iskrystaller i meget kold luft fra stor højde i gasturbiner med høj bypass-luft. De fryser derefter enten midlertidigt til og løsner sig som større isstykker og forårsager afbrydelse af motorens luftstrøm eller forårsager mekanisk skade enten som isstykker eller via diskrete gennemstrømninger af flydende vand. For yderligere oplysninger henvises til High Level Ice Crystal Icing: Effekter på motorer.

Icing Forecasts

Der findes ingen definitioner for absolut isdannelsesgrad i luftfartsprognoser. De relative kvalifikationer let, moderat og alvorlig anvendes dog generelt (kun med hensyn til risikoen for isdannelse på flyskrog) på en måde, som i det mindste har rimelig konsistens regionalt i forbindelse med den type prognose, hvori de anvendes. De fleste prognosemagere forstår, at et udtryk som “let isdannelse” vil blive fortolket ret forskelligt af en besætning på en kommerciel transportflyvning og en privatpilot, der spekulerer på, om de sandsynligvis vil være i stand til at gennemføre deres planlagte flyvning uden alle isdannelsesforhold. Som følge heraf præsenteres prognoser for lav isdannelse normalt på en sådan måde, at de er specielt tilgængelige for piloter af lette fly, der er sårbare over for virkningerne af isdannelse. I de prognoser, der primært er beregnet til erhvervsmæssig lufttransport, vil moderat og kraftig isdannelse imidlertid blive anvendt på en måde, der afspejler deres sandsynlige betydning for luftfartøjer, som er certificeret til rutineflyvning under “isdannelsesforhold”, fordi de er udstyret med passende isbeskyttelsessystemer. Denne brug af prognoser på et højere niveau i den almindelige luftfart kan give anledning til misforståelser om de isforhold, der kan forventes, og kan undertiden føre til uhensigtsmæssig flyveplanlægning. Pointen er, at de relative prognoser for isningsgrad ikke kan og ikke tager hensyn til brugeren og det fly, han flyver, så fortolkningen af prognoser er lige så meget et spørgsmål om vurdering som overvågning af den tilsyneladende isningsrealitet, når man først er i luften.

Med alle ovenstående forbehold kan et kort kig på de sædvanlige “beskrivelser” og “definitioner” af isningsforhold, som anvendes af prognosemagere, stadig være nyttige. Beskrivelserne forudsætter alle, at et luftfartøj er certificeret til “flyvning under isdannende forhold”.

Let isdannelse beskrives ofte som forhold af en sådan art, at “det ikke er nødvendigt at ændre kurs eller højde, og at der ikke forekommer tab af flyvehastighed. Det er af nogle blevet defineret mere strengt som en isophobning pr. time på den ydre vinge på mellem 0,25 tommer og 1 tomme (0,6 til 2,5 cm).
Moderat isdannelse er typisk blevet beskrevet som isophobning, der fortsætter med at stige, men ikke med en hastighed, der er tilstrækkelig til at påvirke flyvesikkerheden, medmindre det fortsætter i en længere periode, men der kan være tab af flyvehastighed. En definition baseret på en istilvæksthastighed pr. time på den yderste vinge på 1 til 3 tommer (2,5 til 7,5 til 7,5 cm) er en definition, der er baseret på en istilvækst pr. time på den yderste vinge.5 cm)
Severe Icing er blevet beskrevet på forskellig vis som istilvækst:
- hvor enten isdannelseshastigheden eller isophobningen overstiger luftfartøjets tolerance;
- som fortsætter med at ophobes og begynder at påvirke et luftfartøjs præstationer og manøvredygtighed alvorligt;
- med en sådan hastighed, at isbeskyttelsessystemerne ikke formår at fjerne isophobningen, og at isen ophobes på steder, der normalt ikke er udsat for isdannelse;
- således at det er nødvendigt at forlade tilstanden øjeblikkeligt for at bevare fuld kontrol over luftfartøjet.

Det er generelt accepteret, at selv om certificering af luftfartøjer til flyvning under isdannende forhold sjældent omfatter nogen angivne begrænsninger, er intet luftfartøj godkendt til flyvning under alvorlige isdannende forhold, og at alvorlige isdannende forhold kan forekomme ved enhver isophobningshastighed.

I Nordamerika anvendes udtrykkene klar, rim eller blandet oftere i prognosemateriale end andre steder, og de er både tænkt og taget som en proxy for dråbestørrelse uanset andre faktorer såsom temperatur og væskevandindhold. I denne brug angiver en prognose for rim-isdannelse mindre dråbestørrelser, og en prognose for blandet eller klar isdannelse angiver større dråbestørrelser, men med kun en vag og udefineret grænse mellem de to.

Endeligt er et “rent luftfartøj” ved rotation et væsentligt krav for flyvning i eller ind i isdannende forhold for de luftfartøjer, der er godkendt til det. Det opnås ved anvendelse af passende afisnings- eller anti-isningsvæsker på jorden, som har en tilstrækkelig holdover-tid i forhold til de fremherskende forhold. Anti-isning opnås næsten altid ved hjælp af fortykkede væsker, der klæber til flyskroget og derefter gradvist skæres af under startrullen, således at de alle er blevet smidt af ved 100KIAS. Der findes ingen godkendt væskebeskyttelse mod frostregn eller frysende støvregn, og derfor er det normalt ikke muligt at lette under sådanne forhold.

Isdannelse under flyvning
Isdannelse – opsamlingseffektivitet
Flyvemaskiner og risici for isdannelse under flyvning
Isdannelse ved stempelmotorinduktion
Frostregn
Cumulonimbus (Cb)
Flyvemaskiner på jorden, de/anti-Icing
Flyvemaskiners isbeskyttelsessystemer
High Level Ice Crystal Icing: Effekter på motorer

Videre læsning

Uddrag fra Transport Canada Aviation Safety Letter 1/2007: 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, januar 2015

SKYbrary Wiki