Jään muodostuminen lentokoneissa

Artikkelin tiedot
Kategoria:	Sää
Sisällön lähde:	SKYbrary
Sisällön ohjaus:	SKYbrary

Tag(s)

Jäätyminen

Kuvaus

Tämän artikkelin tarkoituksena on käsitellä jäänmuodostuksen perusteita lentokoneissa ja niiden moottoreiden ilmanottoaukoissa. Siinä ei käsitellä pakkasen muodostumista, joka syntyy sublimoitumalla eli prosessilla, jossa vesihöyry jäätyy suoraan nollan alapuolisille pinnoille. Tätä poikkeusta lukuun ottamatta ilma-aluksen ulkopintaan tai moottorin ilmanottoaukkojen pinnoille kiinnittyvän jään muodostuminen edellyttää, että nestemäiset vesipisarat osuvat kyseiseen pintaan. Yleensä kosteuden on oltava alijäähtynyttä, eli sen on oltava nestemäisessä muodossa alle 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Tässä yleisessä skenaariossa on pari erityistä variaatiota, joita tarkastellaan myöhemmin:

ongelmat, jotka liittyvät ilma-aluksen kuoren lämpötilan ja sen ilman lämpötilan väliseen eroon, jonka läpi ilma-alus kulkee, on kulkenut tai tulee kulkemaan, erityisesti nousun ja laskeutumisen aikana ja lämpötila-alueella +/-10 celsiusastetta;
ongelmat, jotka johtuvat ympäröivän ilman ja moottorin ilmanottoaukkojen sisäpuolella sijaitsevan ilman välisestä lämpötila- ja/ tai paine-erosta, joka johtuu tavallisimmin paineen pienenemisestä tai lämpötilan noususta.

Superjäähtyneestä kosteudesta johtuva jää

Lentokoneen ulkoisiin osiin kertyvä jää on useimmiten seurausta erikokoisten superjäähtyneiden vesipisaroiden vaikutuksesta kyseiseen lentokoneeseen. Tämä voi tapahtua pilven sisällä tai lennettäessä sateen läpi. Syy siihen, miksi kaikki vesipisarat eivät jäädy heti, kun ympäristön lämpötila laskee alle 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R , on piilevän lämmön vapautuminen veden vaihtaessa olomuotoaan jääksi. Latenttia lämpöä vapautuu niin paljon, että olomuodon muutos hidastuu niin, että se tapahtuu asteittain lämpötilan laskiessa edelleen. Tämä jatkuu, kunnes noin -20 °C-4 °F 253,15 K 455,67 °R mennessä suurin osa alijäähtyneestä vedestä on muuttunut jääksi. Jäähiukkaset, jotka ovat jo täysin muodostuneet ja ovat kuivia, kun ne törmäävät lentokoneeseen, eivät tartu kiinni vaan yksinkertaisesti kimpoavat. Näin ollen jään kertymisen suhteellisen vakavuuden voidaan olettaa vähitellen vähenevän, kun ympäristön lämpötila laskee alle 0 °C:n ja 32 °F:n 273,15 K 491,67 °R niin, että alle -20 °C:n ja 4 °F:n lämpötilan alle jää vain vähän, jos lainkaan, riskiä jään kertymiselle. Alijäähtyneiden vesipisaroiden suhteen kaksi tekijää ovat tärkeitä:

niiden esiintymisen laajuus, joka vaikuttaa mahdollisen jään kertymisnopeuteen, ja
niiden koko, joka vaikuttaa tuon kertymisen voimakkuuteen vaikuttamalla haitallisesti sen nopeuteen.

Pilvessä olevien alijäähtyneiden vesipisaroiden määrä ja pisarakoko ovat suurimmat lämpötiloissa, jotka ovat hieman alle 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ja molemmat pienenevät lämpötilan laskiessa. Alijäähtyneiden vesipisaroiden koolla on suuri merkitys sen kannalta, voivatko ne aiheuttaa jään kertymistä. Suuremmilla pisaroilla on suurempi inertia ja ilma-aluksen ympärillä oleva ilmavirtaus vaikuttaa niihin vähemmän kuin pienempiin pisaroihin, joten ne osuvat suurempaan osaan ilma-aluksen pintaa kuin pienemmät pisarat. Tämä pätee erityisesti lennon aikana siipien etureunan ja keulan ympärillä tapahtuvaan ilmavirtaukseen. Suuremmat pisarat tuottavat myös kirkasta jäätä, joka on tunnetusti eniten huolta aiheuttava jäämuoto ja jota on usein myös vaikein havaita silmämääräisesti.

Pilvet ja alijäähtynyt kosteus

Pilvien alijäähtyneistä pisaroista suurin osa on halkaisijaltaan 1 mikronin (0,001 mm) ja 50 mikronin (0,05 mm) väliltä. (Vertailun vuoksi, keskimääräisen ihmisen hiuksen paksuus on noin 100 mikronia). Kerrospilvissä (stratiformisissa pilvissä) pisaroiden keskimääräinen halkaisija on tyypillisesti jopa 40 mikronia. Pystysuoraan kehittyneissä (cumuliform) kohtalaisen laajoissa pilvissä pisaroiden keskihalkaisija on tyypillisesti enintään 50 mikronia (0,05 mm), mutta suuret Cumulonimbus (Cb) -pilvet sisältävät usein paljon enemmän nestemäistä vettä, myös suuria määriä pisaroita, joiden halkaisija on jopa 100 mikronia (0,1 mm) tai enemmän.

Freezing Rain ja Freezing Drizzle

Pilven ulkopuolella olevat sadepisarat ovat paljon suurempia kuin pilven sisällä olevat pisarat, ja jos ne ovat alijäähtyneitä, niiden kuvataan synnyttävän Freezing Drizzleä, jossa pisaroiden läpimitta on 50-500 mikrometriä (0,05 mm ja 0,5 mm), ja Freezing Rainiä, jossa pisaroiden läpimitta on yli 500 mikrometriä (0,5 mm). Jäätävässä sateessa on usein paljon suurempia pisaroita, joiden halkaisija on 2 millimetriä tai enemmän, vaikka jos niiden halkaisija on paljon yli 6 millimetriä, niillä on taipumus hajota.

Pilven alapuolella oleva jäätävä sade muodostuu, kun sadepisarat jäähtyvät alijäähtyessään kulkeutumalla sellaisen ilmakerroksen läpi, jonka lämpötila on alle nollan. Koska ilman lämpötila yleensä nousee korkeuden pienentyessä, jäätävä sade edellyttää ilman lämpötilainversion olemassaoloa. Tällaisia olosuhteita voi esiintyä etenevän lämpimän rintaman alapuolella tai lämpimän peittymän alapuolella, jossa suhteellisen lämmin ilmamassa on kylmemmän ilman yläpuolella. Jäätävän sateen olemassaolo tarkoittaa yleensä sitä, että yläpuolella on lämpimämpää ilmaa (yli 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ).

Pakkasroiskeen pienemmät alijäähtyneet pisarat voivat muodostua myös tällä tavoin, mutta yleisesti katsotaan, että ne syntyvät yleisemmin erilaisen prosessin, niin sanotun törmäys-koalesenssi-prosessin, kautta. Kun osa pilven pisaroista kasvaa tiivistymisen seurauksena halkaisijaltaan noin 30 mikrometrin kokoisiksi, ne alkavat laskeutua ja putoavat niin nopeasti, että ne törmäävät pienempiin pisaroihin. Jos pisarat sitten yhdistyvät, syntyy suurempi pisara, jolla on nyt entistä paremmat mahdollisuudet ”vangita” pienempiä pisaroita. Suotuisissa olosuhteissa tämä prosessi voi tuottaa tihkupisaran kokoisia pisaroita alijäähtyneessä pilvessä, yleensä lähellä pilven huippua, jossa on yleensä suurimmat pisarat missä tahansa pilvessä. Tietojen talteenotto on vaihdellut, mutta joissakin tutkimuksissa on raportoitu, että jäätävä tihkusade muodostuu konvektiottomissa pilvissä yli 80 prosentissa tapauksista törmäys-koalesenssiprosessin avulla. Tärkeää on siis, että jäätävän tihkusateen ollessa kyseessä ei voida olettaa, että sen yläpuolella olisi lämpimämpää ilmaa (yli 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ).

Jäätymisen voimakkuus

Käsitteellä ”jäätymisen voimakkuus” tarkoitetaan lähinnä sitä, millä nopeudella tapahtuu merkittävää jään kertymistä. Tähänastiset kuvaukset jäähtyneistä vesipisaroista ovat koskeneet niiden kokoa. Nämä vertailtavat halkaisijat ovat tärkeitä – tyypillisten tihkupisaroiden halkaisija on 10 kertaa suurempi kuin tyypillisten pilvipisaroiden ja tyypillisten sadepisaroiden halkaisija on 100 kertaa suurempi kuin tyypillisten pilvipisaroiden. Läpimitalla kuvattu koko ei kuitenkaan ole se, millä on eniten merkitystä, kun on kyse mahdollisesta jään kertymisestä törmäyksessä. Ratkaisevaa on pisaran sisältämän veden tilavuus (tai massa), sillä se määrää lentokoneeseen iskeytyvän veden määrän ja myös sen, kuinka kaukana ilmavirran pysähtymispisteestä etureunan pinnan edessä pisarat iskeytyvät lentokoneeseen. Tämä jälkimmäinen seikka on erittäin tärkeä, koska suuret pisarat voivat iskeytyä pitkälle etureunojen taakse alueilla, jotka eivät ole jäästä suojattuja tai jäästä poistettuja, ja ne voivat myös muuttua jääksi, kun ne virtaavat perässä kosketuksiin alun perin osuneen pinnan kanssa.

On tärkeää huomata, että pisaran tilavuus ei ole verrannollinen sen halkaisijaan vaan suunnilleen halkaisijan puolen kuutioon (eli säteeseen). Jos siis pilvipisaran tyypilliseksi halkaisijaksi katsotaan 20 mikrometriä (0,02 mm) ja jäätävän sadepisaran tyypilliseksi halkaisijaksi 2000 mikrometriä (2 mm), niin vaikka näiden pisaroiden halkaisijat eroavat toisistaan vain 100-kertaisesti, niiden tilavuus ja siten myös massa eroavat toisistaan 1 000 000-kertaisesti.

Juuri tämä jäähtyneiden vesipisaroiden huomattavasti suurempi massa jäätävässä sateessa verrattuna pilvessä, jopa kumulonimbus-pilvessä, oleviin vesipisaroihin estää lentokoneen lentämisen huomattavan pitkälle jatkuvaan lentoon – ja useimmissa tapauksissa mihin tahansa lentoon – pilvettömässä jäätävässä sateessa.

Ympäristön ja ilma-aluksen iholämpötilan väliset erot

On olemassa useita tekijöitä, jotka vaihtelevat jään kertymisalttiutta ilma-alukseen:

Kun mikä tahansa ilma-alus liikkuu ilmassa, siitä aiheutuva kineettinen sydämenlyönti, joka johtuu sekä puristuksesta ilman tukkeutumispisteissä että kitkasta ilman läpäisevillä pinnoilla, nostaa ilma-aluksen iholämpötilaa korkeammaksi kuin ympäröivän ulkoilman lämpö lähistöllä. Tämän tapahtuman laajuuden ja siten sen merkityksen jään muodostumiselle on laskettu olevan suoraan verrannollinen 1/100 x todellisen ilmanopeuden neliöön solmuina. Lentäjät ovat tietoisia tästä johtuvasta SAT:n ja TAT:n välisestä erosta, jonka voidaan havaita kasvavan nopeuden kasvaessa, koska todellisen lentonopeuden kasvun vaikutus on suurempi kuin ilman tiheyden pienenemisen päinvastainen vaikutus.
Jos ilma-alus nousee kylmempään ilmaan ja jäätyneitä tai puolijäätyneitä kerrostumia on siipien yläpinnoilla tai vaakasuorassa olevan pyrstötason pinnoilla tai niihin liittyvissä ohjainlaippojen väleissä, on olemassa mahdollisuus, että nämä kerrostumat voivat jäätyä kokonaan ja kiinnittyä lentokoneen runkoon paikan päällä. Tämä on kuitenkin yleensä merkittävä ongelma vain, jos nousu tapahtuu samanaikaisesti olosuhteissa, jotka todennäköisesti aiheuttavat itsenäisesti merkittävää jään kertymistä.
Kun ilma-alus laskeutuu suurelta korkeudelta, rakenteen pintalämpötilan nousu ympäröivän ilman lämmetessä on todennäköisesti jäljessä ympäröivän ilman lämpötilan noususta, erityisesti polttoainesäiliöinä käytetyissä siivissä, joissa on vielä merkittävä määrä polttoainetta. Tämä pätee erityisesti silloin, kun polttoainetta ”tankataan” käytettäväksi seuraavalla lentosektorilla sen sijaan, että se nostettaisiin ylös alkuperäisessä määränpäässä. Polttoaineen merkitys on siinä, että sen lämpötila palautuu aiemmasta kylmäkastumisesta hitaammin kuin polttoainetta sisältävän rakenteen. Yksi tämän erityinen vaikutus on ”polttoainejään” muodostuminen siiven alapinnalle, koska kylmä polttoaine on siellä suorassa kosketuksessa siipirakenteeseen. Tällaista kirkasta jäätä on usein vielä myöhemmän käännöksen aikana, vaikka OAT olisi useita asteita pakkasen yläpuolella.

Moottorin ilmanottoaukon jäätyminen

Kaikki lentokoneet, jotka on hyväksytty lentämään jäätävissä olosuhteissa, on varustettu jäätymisenestojärjestelmillä. Ne estävät ilmanottohuulten ja ohjainsiipien jäänmuodostuksen käyttämällä sähkölämmitteisiä mattoja, kiertävää kuumaa moottoriöljyä tai moottorista poistettua poistoilmaa. Jäätä voi kuitenkin muodostua suojaamattomille alueille kauempana ilmanottoaukon sisäpuolella silloinkin, kun ilma-alus ei lennä moottorin hyväksyntää varten nykyisin määritellyissä jäätävissä olosuhteissa. Tällaisia olosuhteita on kaksi: kostean ilman jäähtyminen jäätymislämpötilan yläpuolelle paineenalennuksen avulla mäntämoottoreissa ja jääkiteiden sulaminen, jotka lämpenevät turbiinimoottoreihin päästyään.

Ensimmäisessä tapauksessa mäntämoottorin imuilmanottoaukkoon tuleva kostea ilma, jonka lämpötila on korkeampi kuin 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R kiihdytetään tällöin imuvaikutuksen avulla supistetun kanavan läpi. Tämä ”venturi-ilmiö” alentaa sen lämpötilaa, jolloin kosteuskuorma tiivistyy ja saostuu ilmakanavan seinämille jääksi. Katso lisätietoja kohdasta Mäntämoottorin imuilman jäätyminen. Tässä artikkelissa kuvataan myös kaksi muuta mäntämoottoreissa esiintyvää induktiojäätymisen tyyppiä.

Toisessa tapauksessa erittäin kylmässä, korkealla sijaitsevassa ilmassa olevat hyvin pienet jääkiteet kulkeutuvat suurina tiheyksinä korkean ohituksen kaasuturbiineihin. Ne joko jäätyvät tilapäisesti ja irtoavat suurempina jääpaloina aiheuttaen moottorin ilmavirtauksen häiriöitä tai aiheuttavat mekaanisia vaurioita joko jääpaloina tai nestemäisen veden erillisinä läpivirtauksina. Lisätietoja on osoitteessa High Level Ice Crystal Icing: Effects on Engines.

Icing Forecasts

Lentoliikenne-ennusteissa ei ole määritelmiä jään absoluuttiselle vakavuudelle. Suhteellisia määritelmiä ”kevyt”, ”kohtalainen” ja ”vakava” käytetään kuitenkin yleensä (vain lentokoneen rungon jäätymisriskin osalta) tavalla, joka on ainakin kohtuullisen johdonmukainen alueellisesti sen ennustetyypin yhteydessä, jossa niitä käytetään. Useimmat ennusteiden laatijat ymmärtävät, että kaupallisen liikenteen lentohenkilökunta ja yksityislentäjä, joka miettii, pystyykö hän todennäköisesti suorittamaan suunnittelemansa lennon ilman jäätymisolosuhteita, tulkitsevat termiä ”kevyt jäätyminen” melko eri tavalla. Tämän vuoksi matalaa jäätymistä koskevat ennusteet esitetään yleensä siten, että ne ovat erityisesti sellaisten kevyiden ilma-alusten lentäjien saatavilla, jotka ovat alttiita mahdollisen jäätymisen vaikutuksille. Ensisijaisesti kaupallista lentoliikennettä varten laadituissa ennusteissa käytetään kuitenkin kohtalaista ja voimakasta jäätymistä sellaisina termeinä, jotka kuvastavat niiden todennäköistä merkitystä ilma-aluksille, jotka on hyväksytty suorittamaan rutiinilentoja ”jäätävissä olosuhteissa”, koska ne on varustettu asianmukaisilla jäätymissuojajärjestelmillä. Tämä yleisilmailun käyttämä korkeamman tason ennusteiden esittäminen voi aiheuttaa väärinkäsityksiä odotettavissa olevista jäätymisolosuhteista ja johtaa joskus epäasianmukaiseen lentosuunnitteluun. Kyse on siitä, että jään vakavuuden suhteellisissa ennusteissa ei voida eikä oteta huomioon niiden käyttäjää ja hänen lentämäänsä ilma-alusta, joten ennusteiden tulkinta on yhtä lailla harkinnanvaraista kuin näennäisen jään todellisuuden seuraaminen ilmassa.

Kaikkien edellä esitettyjen varoitusten lisäksi lyhyt katsaus ennusteiden laatijoiden käyttämiin tavanomaisiin ”kuvauksiin” ja ”määritelmiin” jäätymisolosuhteista voi silti olla hyödyllinen. Kaikissa kuvauksissa oletetaan, että ilma-alus on hyväksytty ”lentämään jäätävissä olosuhteissa”.

Kevyt jäätyminen kuvataan usein sellaisiksi olosuhteiksi, että ”kurssin tai korkeuden muuttaminen ei ole tarpeen eikä nopeuden menetystä tapahdu”. Jotkut ovat määritelleet sen tarkemmin niin, että jään kertyminen ulkosiipeen tunnissa on 0,25 tuuman ja 1 tuuman (0,6-2,5 cm) välillä.
Kohtalainen jäätyminen on tyypillisesti kuvattu jään kertymiseksi, joka lisääntyy edelleen, mutta ei niin nopeasti, että se vaikuttaisi lennon turvallisuuteen, ellei se jatku pitkään, mutta ilmanopeus voi vähentyä. Määritelmä, joka perustuu siihen, että jään kertymisnopeus tunnissa ulkosiivessä on 1 – 3 tuumaa (2,5 – 7 tuumaa).5 cm)
Vaikeaa jäätymistä on kuvattu eri tavoin jään kertymisenä:
- jossa joko jäätymisnopeus tai jään kertyminen ylittää ilma-aluksen sietokyvyn;
- jossa jään kertyminen jatkuu ja alkaa vaikuttaa vakavasti ilma-aluksen suorituskykyyn ja ohjattavuuteen;
- sella nopeudella, että jäänsuojausjärjestelmät eivät kykene poistamaan jään kertymistä ja jäätä kertyy paikkoihin, jotka eivät normaalisti ole alttiita jään muodostumiselle;
- sella tavalla, että välitön poistuminen tilasta on tarpeen ilma-aluksen täydellisen hallinnan säilyttämiseksi.

Yleisesti hyväksytään, että vaikka ilma-aluksen hyväksyntä jäätävissä olosuhteissa lentämistä varten sisältää harvoin ilmoitettuja rajoituksia, yhtään ilma-alusta ei ole hyväksytty lentämään vakavissa jäätävissä olosuhteissa ja että vakavia jäätäviä olosuhteita voi esiintyä millä tahansa jään kerääntymisasteella.

Pohjois-Amerikassa käytetään ennustemateriaalissa useammin kuin muualla termejä clear (kirkas), rime (rime) tai mixed (sekoittunut), ja ne on sekä tarkoitettu että mielletään pisarakokoa kuvaaviksi riippumatta muista tekijöistä, kuten lämpötilasta ja nestemäisen veden pitoisuudesta. Tässä käytössä ennuste rime-jäästä tarkoittaa pienempiä pisarakokoja ja ennuste mixed- tai clear-jäästä tarkoittaa suurempia pisarakokoja, mutta näiden kahden välillä on vain epämääräinen ja määrittelemätön raja.

Loppujen lopuksi ”puhdas ilma-alus” pyörimisvaiheessa on olennainen vaatimus, joka koskee lentämistä jäätävissä olosuhteissa tai jäätäviin olosuhteisiin niiden ilma-alusten osalta, jotka ovat saaneet tällaisen hyväksynnän. Se saavutetaan käyttämällä asianmukaisia maanpäällisiä jäänpoisto- tai jäänestonestoaineita, joilla on vallitseviin olosuhteisiin nähden riittävä viipymäaika. Jäätymisenesto saavutetaan lähes aina paksuuntuneilla nesteillä, jotka tarttuvat lentokoneen runkoon ja irtoavat vähitellen lentoonlähdön aikana niin, että kaikki nesteet ovat irronneet 100 kilometrin korkeuteen mennessä. Jäätyvää sadetta tai jäätävää tihkusadetta vastaan ei ole olemassa hyväksyttyä nestesuojaa, joten lentoonlähtö näissä olosuhteissa ei yleensä ole mahdollista.

Lennon aikana tapahtuva jäätyminen
Jäätyminen – keräystehokkuus
Lentokoneen ja lennon aikana tapahtuvan jäätymisen riskit
Mäntämoottorin induktiojäätyminen
Pakkassade
Cumulonimbus (Cb)
Lentokoneen maanpinnan suojaus/Anti…Icing
Aircraft Ice Protection Systems
High Level Ice Crystal Icing: Effects on Engines

SKYbrary Wiki