Formation de glace sur les avions

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Givrage

Description

Cet article vise à aborder les bases de la formation de glace sur les avions et dans les entrées d’air de leurs moteurs. Il ne considère pas la formation de givre qui est créée par la sublimation, le processus par lequel la vapeur d’eau gèle directement sur des surfaces inférieures à zéro. À cette exception près, la formation de glace sur la surface extérieure d’un aéronef ou sur les surfaces situées dans les entrées d’air de ses moteurs nécessite que des gouttes d’eau liquide entrent en contact avec la surface concernée. Habituellement, cette humidité doit être surfondue, c’est-à-dire qu’elle doit être sous forme liquide en dessous de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Il existe quelques variations spécifiques de ce scénario général qui seront examinées ultérieurement :

problèmes liés à la différence entre la température de la peau de l’avion et la température de l’air qu’il traverse, a traversé ou traversera, notamment pendant la montée et la descente et dans la plage de température +/-10 degrés Celsius ;
problèmes découlant de la différence de température et/ou de pression entre l’air ambiant et l’air à l’intérieur des entrées d’air des moteurs, le plus souvent des réductions de la pression de l’air ou des augmentations de la température de l’air.

Glace provenant de l’humidité surfondue

La glace qui s’accrédite sur les parties externes d’un aéronef est le plus souvent le résultat de l’impact de gouttelettes d’eau surfondue de différentes tailles sur cet aéronef. Cela peut se produire à l’intérieur d’un nuage ou lors d’un vol dans des précipitations. La raison pour laquelle les gouttelettes d’eau ne gèlent pas toutes dès que la température ambiante descend sous 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R est la libération de chaleur latente lorsque l’eau change d’état pour devenir de la glace. La quantité de chaleur latente libérée est telle que le changement d’état est ralenti de sorte qu’il s’effectue progressivement à mesure que la température continue de baisser. Cela continue jusqu’à ce que, vers -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R , la plupart de l’eau surfondue se soit transformée en glace. Les grains de glace déjà entièrement formés et secs lorsqu’ils heurtent un avion n’adhèrent pas mais rebondissent simplement. Par conséquent, on peut s’attendre à ce que la gravité relative de l’accrétion de glace diminue progressivement à mesure que la température ambiante descend en dessous de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R de sorte que le risque d’accrétion reste faible, voire nul, en dessous de -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R . Deux facteurs sont importants en ce qui concerne les gouttelettes d’eau surfondue:

l’étendue de leur présence, qui affectera le taux de toute accrétion de glace ; et
leur taille, qui affectera la gravité de cette accrétion en influençant négativement son taux.

La quantité et la taille des gouttelettes d’eau surfondue dans le nuage sont toutes deux maximales à des températures juste inférieures à 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R et toutes deux diminuent lorsque la température baisse. La taille des gouttelettes d’eau surfondue est très importante en ce qui concerne le potentiel d’induire une accrétion de glace. Les grosses gouttelettes ont une plus grande inertie et sont moins influencées par l’écoulement de l’air autour de l’avion que les petites gouttelettes, de sorte qu’elles toucheront une plus grande partie de la surface de l’avion que les petites gouttelettes. C’est notamment le cas de l’écoulement d’air en vol autour du bord d’attaque des ailes et de l’empennage. Ce sont également les plus grosses gouttelettes qui produisent de la glace claire ou glacée, qui est bien reconnue comme la forme de glace la plus préoccupante et qui est souvent aussi la plus difficile à détecter visuellement.

Nuages et humidité surfondue

La majorité des gouttelettes surfondues dans les nuages ont un diamètre compris entre 1 micron (0,001 mm) et 50 microns (0,05 mm). (À titre de comparaison, l’épaisseur d’un cheveu humain moyen est d’environ 100 microns). Les nuages en couches (stratiformes) contiennent généralement des gouttelettes dont le diamètre moyen peut atteindre 40 microns. Les nuages à développement vertical (cumuliformes) d’échelle modérée contiennent généralement des diamètres moyens de gouttelettes allant jusqu’à 50 microns (0,05 mm), mais les grands nuages Cumulonimbus (Cb) contiennent souvent beaucoup plus d’eau liquide, y compris de grandes quantités en gouttelettes dont le diamètre peut atteindre et dépasser 100 microns (0,1 mm).

Pluie verglaçante et bruine verglaçante

Les gouttelettes de précipitation qui sont hors des nuages sont beaucoup plus grosses que celles qui se trouvent à l’intérieur des nuages et, si elles sont surfondues, elles sont décrites comme créant une bruine verglaçante où les gouttelettes ont un diamètre compris entre 50 et 500 microns (0,05mm et 0,5mm) et une pluie verglaçante où les gouttelettes dépassent 500 microns (0,5mm) de diamètre. La pluie verglaçante a souvent des gouttelettes beaucoup plus grosses de 2 mm de diamètre ou plus, bien que si elles dépassent de beaucoup 6 mm de diamètre, elles auront tendance à se briser.

La pluie verglaçante sous les nuages se forme lorsque les gouttelettes de pluie sont surfondues par le passage à travers une couche d’air dont la température est inférieure à zéro. Comme la température de l’air augmente normalement à mesure que l’altitude diminue, la pluie verglaçante implique l’existence d’une inversion de température de l’air. De telles conditions peuvent se produire sous l’avancée d’un front chaud ou d’une occlusion chaude où une masse d’air relativement chaude recouvre de l’air plus froid. L’existence de pluie verglaçante signifie normalement qu’il y aura de l’air plus chaud (au-dessus de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) au-dessus.

Les plus petites gouttelettes surfondues de la bruine verglaçante peuvent également se former de cette manière, mais on considère généralement qu’elles apparaissent plus souvent par un processus différent appelé processus de collision-coalescence. Lorsque, par condensation, certaines gouttelettes d’un nuage atteignent un diamètre d’environ 30 micromètres, elles commencent à se déposer, tombant assez vite pour entrer en collision avec d’autres gouttelettes plus petites. Si les gouttelettes coalescent, une gouttelette plus grosse est produite et elle a encore plus de chances de « capturer » les petites gouttelettes. Dans des conditions favorables, ce processus peut produire des gouttes de la taille d’une bruine dans un nuage surfondu, généralement près du sommet, où l’on trouve généralement les plus grosses gouttelettes dans tout nuage. Les données recueillies varient, mais certaines études ont indiqué que la bruine verglaçante dans les nuages non convectifs se forme plus de 80 % du temps par le processus de collision-coalescence. Ainsi, et c’est important, lorsqu’on se trouve dans une bruine verglaçante, on ne peut pas supposer que de l’air plus chaud (au-dessus de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) existera au-dessus.

Sévérité du givrage

Le terme « sévérité du givrage » concerne essentiellement la vitesse à laquelle une accrétion significative de glace se produit. Jusqu’à présent, les descriptions des gouttelettes d’eau surfondue ont été faites en termes de taille. Ces diamètres comparatifs sont importants – les gouttelettes de bruine typiques ont un diamètre 10 fois supérieur à celui des gouttelettes de nuage typiques et les gouttelettes de pluie typiques ont un diamètre 100 fois supérieur à celui des gouttelettes de nuage typiques. La taille telle que décrite par le diamètre n’est cependant pas ce qui importe le plus en termes de potentiel d’accrétion de glace par impact. Ce qui fait vraiment la différence, c’est le volume (ou la masse) d’eau contenu dans une gouttelette, car c’est ce qui détermine la quantité d’eau qui frappera l’avion et aussi la distance en arrière du point de stagnation de l’écoulement de l’air, en avant de la surface du bord d’attaque, à laquelle les gouttelettes frapperont l’avion. Ce dernier point est d’une importance considérable car de grosses gouttelettes peuvent impacter bien au-delà des bords d’attaque dans des zones qui ne sont pas antigivrées ou dégivrées et peuvent également se transformer en glace lorsqu’elles s’écoulent vers l’arrière au contact de la surface initialement touchée.

Il est important de noter que le volume d’une gouttelette n’est pas proportionnel à son diamètre mais à environ le cube de la moitié du diamètre (c’est-à-dire le rayon). Par conséquent, si l’on prend 20 microns (0,02 mm) comme diamètre typique d’une gouttelette de nuage et 2000 micromètres (2 mm) comme diamètre typique d’une gouttelette de pluie verglaçante, alors, bien que les diamètres de ces gouttelettes ne diffèrent que d’un facteur 100, leur volume, et donc leur masse, diffèrent d’un facteur qui est de l’ordre de 1 000 000.

C’est cette masse largement supérieure de gouttelettes d’eau surfondue dans les précipitations verglaçantes par rapport à celles des nuages, même des cumulonimbus, qui empêche tout aéronef d’entreprendre une période significative de vol soutenu – et dans la plupart des cas tout vol – dans des précipitations verglaçantes dégagées des nuages.

Différences entre la température ambiante et la température de la peau de l’aéronef

Il existe un certain nombre de facteurs qui font varier la propension à l’accrétion de glace sur un aéronef :

Lorsqu’un aéronef se déplace dans l’air, le cœur cinétique résultant dû à la fois à la compression aux points d’obstruction de l’air et à la friction aux surfaces de passage de l’air élève la température de la peau de l’aéronef au-dessus de celle de l’air ambiant à proximité. On a calculé que l’ampleur de ce phénomène, et donc son importance pour la formation de glace, est directement proportionnelle au carré de 1/100 x la vitesse vraie en nœuds. Les pilotes seront conscients de la différence conséquente entre la SAT et la TAT que l’on peut observer augmenter avec la vitesse puisque l’effet de l’augmentation de la vitesse vraie est plus important que l’effet opposé de la diminution de la densité de l’air.
Si un avion monte dans de l’air plus froid et que des dépôts gelés ou semi gelés reposent sur les surfaces supérieures des ailes ou des surfaces horizontales de l’empennage ou dans les espaces d’articulation des commandes de vol connexes, il est possible que ces dépôts gèlent complètement et se fixent à la cellule in situ. Toutefois, cela ne constituera généralement un problème important que si la montée est effectuée simultanément dans des conditions susceptibles de produire indépendamment une accrétion importante de glace.
Lorsqu’un avion descend de haute altitude, l’augmentation de la température de surface de la structure au fur et à mesure que l’air ambiant se réchauffe est susceptible d’être en retard sur l’augmentation de la température de l’air ambiant, en particulier dans le cas des ailes utilisées comme réservoirs de carburant qui contiennent encore une quantité importante de carburant. Cela s’applique particulièrement lorsque le carburant est « stocké » pour être utilisé sur le secteur de vol suivant plutôt que d’être soulevé à la destination initiale. L’importance du carburant réside dans sa tendance à se rétablir plus lentement que la structure qui le contient. Un effet particulier de cette tendance est la formation de « glace de carburant » sur l’intrados d’une aile, car c’est là que le carburant froid est en contact direct avec la structure de l’aile. Une telle glace transparente est souvent encore présente pendant le virage suivant, même lorsque l’OAT est de plusieurs degrés au-dessus du point de congélation.

Givrage des entrées d’air moteur

Tous les aéronefs certifiés pour le vol dans des conditions givrantes sont équipés de systèmes antigivrage. Ceux-ci empêchent la formation de glace sur les lèvres d’entrée d’air et les aubes directrices en utilisant des tapis chauffés électriquement, de l’huile moteur chaude en circulation ou de l’air de purge extrait du moteur. Cependant, plus loin à l’intérieur d’une entrée d’air, de la glace peut se former dans des zones non protégées, même lorsqu’un avion ne vole pas dans des conditions givrantes telles qu’elles sont actuellement définies aux fins de la certification des moteurs. Il existe deux circonstances de ce type : le refroidissement de l’air humide au-dessus de la température de congélation par réduction de la pression dans les moteurs à piston ; et la fonte des cristaux de glace qui sont réchauffés après être entrés dans les moteurs à turbine.

Dans le premier cas, l’air humide entrant dans une admission de moteur à piston à une température supérieure à 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R est ensuite accéléré par un effet d’aspiration à travers un canal réduit. Cet effet « venturi » réduit sa température, ce qui entraîne la condensation de la charge d’humidité et sa précipitation sur les parois du canal d’air sous forme de glace. Voir Givrage par induction des moteurs à pistons pour plus de détails. Cet article décrit également deux autres types de givrage par induction qui se produisent dans les moteurs à piston.

Dans le second cas, de fortes densités de très petits cristaux de glace dans de l’air très froid et à haute altitude sont ingérées dans des turbines à gaz à forte dérivation. Ils gèlent alors temporairement et se détachent sous forme de morceaux de glace plus gros, ce qui perturbe le flux d’air du moteur, ou causent des dommages mécaniques, soit sous forme de morceaux de glace, soit par le biais de débits discrets d’eau liquide. Pour plus d’informations, se référer à High Level Ice Crystal Icing : Effets sur les moteurs.

Prévisions de givrage

Il n’existe aucune définition de la gravité absolue du givrage dans les prévisions aéronautiques. Cependant, les qualifications relatives de léger, modéré et sévère sont généralement utilisées (en ce qui concerne le risque de givrage de la cellule uniquement) d’une manière qui présente au moins une cohérence raisonnable au niveau régional dans le contexte du type de prévision dans lequel elles sont utilisées. La plupart des prévisionnistes comprennent qu’un terme tel que « givrage léger » sera interprété différemment par l’équipage d’un avion de transport commercial et par un pilote privé qui se demande s’il sera en mesure d’effectuer le vol prévu en dehors de toute condition de givrage. En conséquence, les prévisions de givrage à basse altitude sont généralement présentées de manière à être spécifiquement accessibles aux pilotes d’avions légers vulnérables aux effets de tout givrage. Cependant, les prévisions fournies principalement pour le transport aérien commercial utiliseront les termes de givrage modéré et de givrage fort pour refléter leur importance probable pour les aéronefs qui sont certifiés pour le vol de routine dans des « conditions givrantes » parce qu’ils sont équipés de systèmes appropriés de protection contre la glace. Cette utilisation par l’aviation générale de présentations de prévisions de plus haut niveau peut donner lieu à des malentendus sur les conditions de givrage auxquelles on peut s’attendre, et parfois conduire à une planification de vol inappropriée. Le fait est que les prévisions relatives de la gravité du givrage ne peuvent pas et ne tiennent pas compte de leur utilisateur et de l’aéronef qu’il pilote, de sorte que l’interprétation des prévisions est autant une question de jugement que le suivi de la réalité apparente du givrage une fois en l’air.

Avec toutes les mises en garde ci-dessus, un bref regard sur les « descriptions » et les « définitions » habituelles des conditions de givrage utilisées par les prévisionnistes peut encore être utile. Les descriptions supposent toutes qu’un aéronef est certifié pour le « vol dans des conditions givrantes ».

Le givrage léger est souvent décrit comme des conditions telles qu' »aucun changement de cap ou d’altitude n’est nécessaire et aucune perte de vitesse ne se produit ». Il a été défini plus rigoureusement par certains comme un taux d’accrétion de glace par heure sur l’aile extérieure compris entre 0,25 pouce et 1 pouce (0,6 à 2,5 cm).
Le givrage modéré a été typiquement décrit comme une accrétion de glace qui continue à augmenter mais pas à un taux suffisant pour affecter la sécurité du vol, à moins qu’elle ne se poursuive pendant une période prolongée, mais la vitesse de l’air peut être perdue. Une définition basée sur un taux d’accrétion de glace par heure sur l’aile extérieure de 1 à 3 pouces (2,5 à 7.5 cm)
Le givrage sévère a été diversement décrit comme une accrétion de glace :
- dans lequel soit le taux de givrage, soit l’accumulation de glace dépasse la tolérance de l’aéronef;
- qui continue à s’accumuler et commence à affecter sérieusement les performances et la manœuvrabilité d’un aéronef;
- à un taux tel que les systèmes de protection contre la glace ne parviennent pas à éliminer l’accumulation de glace et que la glace s’accumule dans des endroits qui ne sont pas normalement sujets au givrage;
- de sorte qu’une sortie immédiate de la condition est nécessaire pour conserver la pleine maîtrise de l’aéronef.

Il est généralement admis que, bien que la certification des aéronefs pour le vol dans des conditions givrantes comporte rarement des restrictions énoncées, aucun aéronef n’est approuvé pour le vol dans des conditions de givrage sévère, et que des conditions de givrage sévère peuvent se produire à n’importe quel taux d’accumulation de glace.

En Amérique du Nord, les termes clair, givre ou mixte sont plus souvent utilisés dans le matériel de prévision qu’ailleurs et sont à la fois prévus et pris comme une approximation de la taille des gouttelettes indépendamment d’autres facteurs tels que la température et la teneur en eau liquide. Dans cette utilisation, une prévision de givre givré indique des tailles de gouttes plus petites et une prévision de givre mixte ou clair indique des tailles de gouttes plus grandes mais avec seulement une frontière vague et indéfinie entre les deux.

Enfin, un « avion propre » à la rotation est une exigence essentielle pour le vol dans ou vers des conditions givrantes pour les avions ainsi approuvés. Elle est obtenue par l’utilisation de fluides appropriés de dégivrage ou d’antigivrage au sol qui ont un temps de rétention suffisant pour les conditions qui prévalent. L’antigivrage est presque toujours obtenu par des fluides épaissis qui adhèrent à la cellule et se détachent progressivement pendant le roulement au décollage, de sorte qu’ils ont tous été éliminés à 100KIAS. Il n’existe pas de protection approuvée des fluides contre les conditions de pluie ou de bruine verglaçante et le départ dans ces conditions n’est donc généralement pas possible.

Givrage en vol
Givrage – Efficacité de la collecte
Risques de givrage de l’aéronef et en vol
Givrage à l’induction du moteur à piston
Pluie verglaçante
Cumulonimbus (Cb)
Dégivrage/antigivrage au sol de l’aéronef.Givrage
Systèmes de protection contre le givre des aéronefs
Givrage par cristaux de glace de haut niveau : Effets sur les moteurs

Lectures complémentaires

Extrait de la lettre de sécurité aérienne 1/2007 de Transports 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
Formation sur la contamination critique des surfaces des aéronefs pour les équipages et le personnel au sol, Transports Canada, 2004
Phénomènes météorologiques dangereux : contenu élevé en eau glacée, Bureau of Meteorology Australia, janvier 2015

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