Eisbildung an Flugzeugen

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Vereisung

Beschreibung

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen der Eisbildung an Flugzeugen und in deren Lufteinlässen. Er berücksichtigt nicht die Bildung von Reif, der durch Sublimation entsteht, also durch das direkte Gefrieren von Wasserdampf auf Oberflächen unter Null. Mit dieser Ausnahme setzt die Bildung von Eis an der Außenfläche eines Flugzeugs oder an den Oberflächen in den Lufteinlässen seiner Triebwerke voraus, dass flüssige Wassertropfen auf die betreffende Oberfläche auftreffen. Normalerweise muss diese Feuchtigkeit unterkühlt sein, d. h. sie muss in flüssiger Form unter 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R vorliegen. Es gibt eine Reihe spezifischer Variationen dieses allgemeinen Szenarios, die später betrachtet werden:

Probleme im Zusammenhang mit dem Unterschied zwischen der Temperatur der Flugzeugaußenhaut und der Temperatur der Luft, die sie durchströmt, durchströmt hat oder durchströmen wird, insbesondere während des Steig- und Sinkflugs und im Temperaturbereich von +/-10 Grad Celsius;
Probleme, die sich aus dem Temperatur- und/oder Druckunterschied zwischen der Umgebungsluft und der Luft in den Lufteinlässen der Triebwerke ergeben, wobei es sich meistens um eine Verringerung des Luftdrucks oder einen Anstieg der Lufttemperatur handelt.

Vereisung durch unterkühlte Feuchtigkeit

Vereisung, die sich an den Außenteilen eines Flugzeugs bildet, ist meist das Ergebnis des Auftreffens von unterkühlten Wassertröpfchen unterschiedlicher Größe auf das Flugzeug. Dies kann innerhalb von Wolken oder beim Durchfliegen von Niederschlägen geschehen. Der Grund, warum die Wassertröpfchen nicht alle gefrieren, sobald die Umgebungstemperatur unter 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R fällt, ist die Freisetzung von latenter Wärme, wenn Wasser seinen Zustand in Eis ändert. Es wird so viel latente Wärme freigesetzt, dass die Zustandsänderung verlangsamt wird, so dass sie bei weiter sinkender Temperatur allmählich erfolgt. Dies setzt sich fort, bis bei etwa -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R der größte Teil des unterkühlten Wassers zu Eis geworden ist. Eiskörner, die sich bereits vollständig gebildet haben und trocken sind, wenn sie auf ein Flugzeug treffen, bleiben nicht haften, sondern prallen einfach ab. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die relative Schwere der Eisbildung allmählich abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur unter 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R sinkt, so dass unter -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R nur noch ein geringes, wenn überhaupt, Risiko der Eisbildung besteht. Zwei Faktoren sind in Bezug auf unterkühlte Wassertröpfchen wichtig:

das Ausmaß ihres Vorhandenseins, das sich auf die Geschwindigkeit der Eisbildung auswirkt; und
ihre Größe, die sich auf die Schwere dieser Bildung auswirkt, indem sie ihre Geschwindigkeit negativ beeinflusst.

Bei Temperaturen knapp unter 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R sind sowohl die Menge als auch die Tröpfchengröße der unterkühlten Wassertröpfchen in der Wolke am größten und beide nehmen mit sinkender Temperatur ab. Die Größe der unterkühlten Wassertröpfchen ist sehr wichtig für das Potenzial, Eisablagerungen zu verursachen. Größere Tröpfchen haben eine größere Trägheit und werden von der Luftströmung um das Flugzeug weniger beeinflusst als kleinere Tröpfchen, so dass sie auf einen größeren Teil der Flugzeugoberfläche auftreffen als kleinere Tröpfchen. Dies gilt insbesondere für die Luftströmung im Flug um die Vorderkante der Flügel und des Leitwerks. Es sind auch die größeren Tröpfchen, die klares oder glasiges Eis erzeugen, das als die Eisform anerkannt ist, die am meisten Anlass zur Sorge gibt und oft auch am schwierigsten visuell zu erkennen ist.

Wolken und unterkühlte Feuchtigkeit

Die meisten unterkühlten Tröpfchen in Wolken haben einen Durchmesser zwischen 1 Mikrometer (0,001 mm) und 50 Mikrometer (0,05 mm). (Zum Vergleich: Die Dicke eines durchschnittlichen menschlichen Haares beträgt etwa 100 Mikrometer). Schichtwolken (stratiform) haben in der Regel einen durchschnittlichen Tröpfchendurchmesser von bis zu 40 Mikrometern. Vertikal entwickelte (cumuliforme) Wolken mäßigen Ausmaßes haben typischerweise einen durchschnittlichen Tröpfchendurchmesser von bis zu 50 Mikrometern (0,05 mm), aber große Cumulonimbuswolken (Cb) enthalten oft viel mehr flüssiges Wasser, einschließlich großer Mengen an Tröpfchen mit Durchmessern von bis zu 100 Mikrometern (0,1 mm) und mehr.

Gefrierender Regen und gefrierender Nieselregen

Niederschlagströpfchen, die sich außerhalb der Wolke befinden, sind viel größer als die innerhalb der Wolke, und wenn sie unterkühlt sind, werden sie als gefrierender Nieselregen bezeichnet, bei dem die Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 50 und 500 Mikrometer (0,05 mm und 0,5 mm) haben, und als gefrierender Regen, wenn die Tröpfchen einen Durchmesser von mehr als 500 Mikrometer (0,5 mm) haben. Gefrierender Regen hat oft viel größere Tröpfchen mit einem Durchmesser von 2 mm oder mehr, obwohl sie bei einem Durchmesser von mehr als 6 mm dazu neigen, sich aufzulösen.

Gefrierender Regen unter Wolken bildet sich, wenn Regentropfen durch den Durchgang durch eine Luftschicht mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt unterkühlt werden. Da die Lufttemperaturen normalerweise mit abnehmender Höhe zunehmen, setzt gefrierender Regen das Vorhandensein einer Lufttemperaturinversion voraus. Solche Bedingungen können unter einer heranrückenden Warmfront oder einer Warmokklusion auftreten, bei der eine relativ warme Luftmasse kältere Luft überlagert. Das Vorhandensein von gefrierendem Regen bedeutet normalerweise, dass darüber wärmere Luft (über 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) vorhanden ist.

Die kleineren unterkühlten Tröpfchen des gefrierenden Nieselregens können sich auch auf diese Weise bilden, aber es wird allgemein angenommen, dass sie eher durch einen anderen Prozess entstehen, der als Kollisions-Koaleszenz-Prozess bezeichnet wird. Wenn einige Tröpfchen in einer Wolke durch Kondensation einen Durchmesser von etwa 30 Mikrometern erreichen, beginnen sie sich abzusetzen und fallen so schnell, dass sie mit einigen kleineren Tröpfchen zusammenstoßen. Wenn die Tröpfchen dann zusammenfließen, entsteht ein größeres Tröpfchen, das nun eine noch bessere Chance hat, kleinere Tröpfchen „einzufangen“. Unter günstigen Bedingungen kann dieser Prozess in einer unterkühlten Wolke Tropfen in Nieselregengröße erzeugen, in der Regel in der Nähe der Spitze, wo sich in der Regel die größten Tröpfchen in einer Wolke befinden. Die Datenerfassung variiert, aber einige Studien haben berichtet, dass gefrierender Nieselregen in nicht-konvektiven Wolken in mehr als 80 Prozent der Fälle durch den Kollisions-Koaleszenz-Prozess entsteht. Wichtig ist also, dass bei gefrierendem Nieselregen nicht davon ausgegangen werden kann, dass darüber wärmere Luft (über 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) vorhanden ist.

Vereisungsgrad

Der Begriff „Vereisungsgrad“ bezieht sich im Wesentlichen auf die Geschwindigkeit, mit der eine signifikante Eisbildung auftritt. Die bisherigen Beschreibungen von unterkühlten Wassertröpfchen beziehen sich auf ihre Größe. Diese vergleichenden Durchmesser sind wichtig – typische Nieseltröpfchen haben den 10-fachen Durchmesser typischer Wolkentröpfchen und typische Regentröpfchen haben den 100-fachen Durchmesser typischer Wolkentröpfchen. Die durch den Durchmesser beschriebene Größe ist jedoch nicht ausschlaggebend für das Potenzial zur Eisbildung durch Aufprall. Was wirklich den Unterschied ausmacht, ist das Volumen (oder die Masse) des in einem Tröpfchen enthaltenen Wassers, da dies die Wassermenge bestimmt, die auf das Flugzeug auftrifft, und auch, wie weit hinter dem Staupunkt der Luftströmung vor einer Vorderkante die Tröpfchen auf das Flugzeug treffen. Der letztgenannte Punkt ist von erheblicher Bedeutung, da große Tropfen weit jenseits der Vorderkanten in Bereichen auftreffen können, die nicht vereist oder enteist sind, und sich auch in Eis verwandeln können, wenn sie nach hinten fließen und mit der ursprünglich getroffenen Oberfläche in Kontakt kommen.

Es ist wichtig zu wissen, dass das Volumen eines Tropfens nicht proportional zu seinem Durchmesser ist, sondern ungefähr dem Kubus des halben Durchmessers (d. h. dem Radius) entspricht. Wenn also 20 Mikrometer (0,02 mm) als typischer Durchmesser eines Wolkentröpfchens und 2000 Mikrometer (2 mm) als typischer Durchmesser eines gefrierenden Regentropfens angenommen werden, dann unterscheiden sich die Durchmesser dieser Tröpfchen zwar nur um den Faktor 100, aber ihr Volumen und damit ihre Masse unterscheiden sich um einen Faktor in der Größenordnung von 1.000.000.

Es ist diese weitaus größere Masse an unterkühlten Wassertröpfchen im gefrierenden Niederschlag im Vergleich zu denen in der Wolke, selbst in der Cumulonimbuswolke, die jedes Flugzeug daran hindert, einen längeren Flug – und in den meisten Fällen überhaupt einen Flug – in gefrierendem Niederschlag ohne Wolken zu unternehmen.

Unterschiede zwischen Umgebungs- und Luftfahrzeughauttemperatur

Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Neigung zur Eisbildung an einem Flugzeug beeinflussen:

Wenn sich ein Flugzeug durch die Luft bewegt, hebt die resultierende kinetische Erwärmung aufgrund der Kompression an Stellen, an denen die Luft behindert wird, und der Reibung an den Oberflächen des Luftdurchgangs die Luftfahrzeughauttemperatur über die der Umgebungsluft in der Nähe an. Das Ausmaß, in dem dies geschieht, und damit die Bedeutung für die Eisbildung, ist nach Berechnungen direkt proportional zum Quadrat von 1/100 x der wahren Fluggeschwindigkeit in Knoten. Piloten werden sich der daraus resultierenden Differenz zwischen SAT und TAT bewusst sein, die mit der Geschwindigkeit zunimmt, da der Effekt des Anstiegs der wahren Fluggeschwindigkeit größer ist als der gegenteilige Effekt der Abnahme der Luftdichte.
Wenn ein Flugzeug in kältere Luft steigt und gefrorene oder halbgefrorene Ablagerungen auf den Oberseiten der Tragflächen oder Höhenleitwerksflächen oder in den entsprechenden Scharnierspalten der Flugsteuerung liegen, besteht die Möglichkeit, dass diese Ablagerungen vollständig gefrieren und sich an Ort und Stelle mit der Flugzeugzelle verbinden. Dies stellt jedoch in der Regel nur dann ein nennenswertes Problem dar, wenn der Steigflug gleichzeitig unter Bedingungen erfolgt, die unabhängig voneinander zu einer erheblichen Eisbildung führen können.
Wenn ein Flugzeug aus großer Höhe absteigt, wird der Anstieg der Oberflächentemperatur der Struktur bei Erwärmung der Umgebungsluft wahrscheinlich hinter dem Anstieg der Temperatur der Umgebungsluft zurückbleiben, insbesondere bei Tragflächen, die als Kraftstofftanks verwendet werden und noch eine erhebliche Menge an Kraftstoff enthalten. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Treibstoff für den nächsten Flugsektor „getankt“ wird, anstatt ihn am ursprünglichen Zielort aufzunehmen. Die Bedeutung des Treibstoffs liegt darin, dass er dazu neigt, sich langsamer von der vorherigen Kälteeinwirkung zu erholen als die Struktur, die ihn enthält. Eine besondere Auswirkung davon ist die Bildung von „Treibstoff-Eis“ auf der Unterseite eines Flügels, da hier der kalte Treibstoff in direktem Kontakt mit der Flügelstruktur steht. Solches Klareis ist oft noch während des anschließenden Turnarounds vorhanden, selbst wenn die OAT mehrere Grad über dem Gefrierpunkt liegt.

Vereisung der Triebwerkslufteinlässe

Alle für den Flug unter Vereisungsbedingungen zugelassenen Flugzeuge sind mit Vereisungsschutzsystemen ausgestattet. Diese verhindern die Vereisung von Lufteinlasslippen und Leitschaufeln durch den Einsatz von elektrisch beheizten Matten, zirkulierendem heißem Motoröl oder aus dem Motor abgesaugter Zapfluft. Im Inneren eines Lufteinlasses kann sich jedoch in ungeschützten Bereichen Eis bilden, auch wenn ein Flugzeug nicht unter Vereisungsbedingungen fliegt, wie sie derzeit für die Triebwerkszulassung definiert sind. Es gibt zwei solcher Fälle: die Abkühlung feuchter Luft über dem Gefrierpunkt durch Druckminderung in Kolbentriebwerken und das Schmelzen von Eiskristallen, die nach dem Eintritt in Turbinentriebwerke erwärmt werden.

Im ersten Fall wird feuchte Luft, die mit einer Temperatur über 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R in den Ansaugtrakt eines Kolbentriebwerks eintritt, durch eine Sogwirkung durch einen verengten Kanal beschleunigt. Durch diesen „Venturi“-Effekt sinkt die Temperatur, so dass die Feuchtigkeit auskondensiert und sich als Eis an den Wänden des Luftkanals niederschlägt. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Vereisung durch Induktion bei Kolbenmotoren. In diesem Artikel werden auch zwei andere Arten der Ansaugvereisung beschrieben, die bei Kolbenmotoren auftreten.

Im zweiten Fall werden hohe Dichten sehr kleiner Eiskristalle in sehr kalter Luft aus großer Höhe in Gasturbinen mit hohem Nebenstrom angesaugt. Sie frieren dann entweder vorübergehend ein und lösen sich als größere Eisstücke ab, was zu einer Unterbrechung des Triebwerksluftstroms führt, oder sie verursachen mechanische Schäden, entweder als Eisstücke oder durch diskreten Durchsatz von flüssigem Wasser. Weitere Informationen finden Sie unter High Level Ice Crystal Icing: Auswirkungen auf Triebwerke.

Vereisungsvorhersagen

Es gibt keine Definitionen für die absolute Vereisungsschwere in der Luftfahrtvorhersage. Die relativen Qualifikationen leicht, mäßig und schwer werden jedoch im Allgemeinen (nur in Bezug auf das Vereisungsrisiko der Flugzeugzelle) in einer Weise verwendet, die zumindest regional im Zusammenhang mit der Art der Vorhersage, in der sie verwendet werden, einigermaßen konsistent ist. Die meisten Meteorologen sind sich darüber im Klaren, dass ein Begriff wie „leichte Vereisung“ von der Besatzung eines Verkehrsflugzeugs anders interpretiert wird als von einem Privatpiloten, der sich fragt, ob er seinen geplanten Flug ohne Vereisungsbedingungen durchführen kann. Daher werden die Vorhersagen für leichte Vereisung in der Regel so präsentiert, dass sie speziell für Piloten von Leichtflugzeugen, die für die Auswirkungen von Vereisung anfällig sind, zugänglich sind. In den Vorhersagen, die in erster Linie für den gewerblichen Luftverkehr erstellt werden, werden mäßige und starke Vereisung jedoch in Begriffen verwendet, die ihre wahrscheinliche Bedeutung für Luftfahrzeuge widerspiegeln, die für Routineflüge unter „Vereisungsbedingungen“ zugelassen sind, weil sie mit entsprechenden Eisschutzsystemen ausgestattet sind. Diese Verwendung von Vorhersagen auf höherer Ebene durch die allgemeine Luftfahrt kann zu Missverständnissen über die zu erwartenden Vereisungsbedingungen und manchmal zu einer unangemessenen Flugplanung führen. Der Punkt ist, dass die relativen Vorhersagen der Vereisungsschwere den Benutzer und das von ihm geflogene Flugzeug nicht berücksichtigen können und dies auch nicht tun, so dass die Interpretation der Vorhersagen ebenso eine Frage des Urteilsvermögens ist wie die Überwachung der offensichtlichen Vereisungsrealität, sobald sie in der Luft ist.

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Vorbehalte kann ein kurzer Blick auf die üblichen „Beschreibungen“ und „Definitionen“ der Vereisungsbedingungen, die von den Meteorologen verwendet werden, dennoch hilfreich sein. Die Beschreibungen gehen alle davon aus, dass ein Flugzeug für den „Flug unter Vereisungsbedingungen“ zugelassen ist.

Leichte Vereisung wird oft als Bedingungen beschrieben, bei denen „keine Kurs- oder Höhenänderung erforderlich ist und kein Geschwindigkeitsverlust auftritt. Sie wurde von einigen strenger definiert als eine Rate der Eisbildung pro Stunde auf dem Außenflügel zwischen 0,25 Zoll und 1 Zoll (0,6 bis 2,5 cm).
Mäßige Vereisung wird typischerweise als Eisbildung beschrieben, die zwar weiter zunimmt, aber nicht in einem Maße, das die Sicherheit des Fluges beeinträchtigt, es sei denn, sie hält über einen längeren Zeitraum an, aber die Fluggeschwindigkeit kann beeinträchtigt werden. Eine Definition, die auf einer Eiswachstumsrate von 2,5 bis 7,5 cm (1 bis 3 Zoll) pro Stunde auf dem Außenflügel basiert.5 cm)
Schwere Vereisung wurde auf verschiedene Weise als Eisansatz beschrieben:
- wenn entweder die Vereisungsrate oder die Eisansammlung die Toleranz des Luftfahrzeugs übersteigt;
- wenn sie sich weiter aufbaut und beginnt, die Leistung und Manövrierfähigkeit eines Luftfahrzeugs ernsthaft zu beeinträchtigen;
- in einem solchen Ausmaß, dass die Eisschutzsysteme versagen, um die Eisansammlung zu entfernen, und sich Eis an Stellen ansammelt, die normalerweise nicht für Vereisung anfällig sind;
- so dass ein sofortiges Verlassen des Zustands notwendig ist, um die volle Kontrolle über das Luftfahrzeug zu behalten.

Es ist allgemein anerkannt, dass, obwohl die Zulassung eines Luftfahrzeugs für den Flug unter Vereisungsbedingungen nur selten Einschränkungen enthält, kein Luftfahrzeug für den Flug unter schweren Vereisungsbedingungen zugelassen ist, und dass schwere Vereisungsbedingungen bei jeder Eisansammlungsrate auftreten können.

In Nordamerika werden die Begriffe „clear“, „rime“ oder „mixed“ häufiger in Vorhersagematerial verwendet als anderswo und sind als Ersatz für die Tröpfchengröße gedacht und werden auch so verstanden, unabhängig von anderen Faktoren wie Temperatur und Flüssigwassergehalt. Bei dieser Verwendung bedeutet eine Vorhersage von Reifvereisung kleinere Tropfengrößen und eine Vorhersage von gemischter oder klarer Vereisung größere Tropfengrößen, wobei die Grenze zwischen den beiden nur vage und undefiniert ist.

Schließlich ist ein „sauberes Luftfahrzeug“ bei der Rotation eine wesentliche Voraussetzung für den Flug in oder in die Vereisungsbedingungen für die so zugelassenen Luftfahrzeuge. Dies wird durch die Verwendung geeigneter Enteisungs- oder Vereisungsschutzmittel am Boden erreicht, die eine für die vorherrschenden Bedingungen ausreichende Haltedauer haben. Vereisungsschutz wird fast immer durch eingedickte Flüssigkeiten erreicht, die an der Zelle haften und dann während des Startrollens allmählich abscheren, so dass sie bis 100KIAS vollständig abgetrennt sind. Es gibt keinen zugelassenen Flüssigkeitsschutz gegen gefrierenden Regen oder gefrierenden Nieselregen, so dass ein Abflug bei diesen Bedingungen im Allgemeinen nicht möglich ist.

Vereisung während des Fluges
Vereisung – Auffangeffizienz
Flugzeug und Vereisungsrisiken während des Fluges
Kolbentriebwerksinduktionsvereisung
Gefrierender Regen
Cumulonimbus (Cb)
FlugzeugbodenvereisungVereisung
Flugzeugeisschutzsysteme
Hochgradige Eiskristallvereisung: Effects on Engines

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