Jégképződés a repülőgépeken

Cikkinformációk
Kategória: Jégképződés a repülőgépeken:	SKYbrary

Tag(s)

Icing

Description

Ez a cikk a repülőgépeken és a motorok légbeömlő nyílásaiban kialakuló jégképződés alapjaival kíván foglalkozni. Nem foglalkozik a fagyképződéssel, amely szublimációval jön létre, vagyis azzal a folyamattal, amelynek során a vízgőz közvetlenül a nulla fok alatti felületeken fagy meg. Ezt a kivételtől eltekintve a repülőgép külső felületén vagy a hajtóművek légbeömlő nyílásaiban lévő felületekre tapadó jég kialakulásához az szükséges, hogy folyékony vízcseppek érjék az érintett felületet. Általában ennek a nedvességnek túlhűtöttnek kell lennie, azaz 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R alatt folyékony formában kell lennie. Ennek az általános forgatókönyvnek van néhány speciális változata, amelyeket a későbbiekben tárgyalunk:

a repülőgép bőre és a levegő hőmérséklete közötti különbséggel kapcsolatos problémák, különösen emelkedés és süllyedés közben és a +/-10 Celsius fokos hőmérsékleti tartományban;
a környezeti levegő és a hajtóművek légbeömlő nyílásaiban lévő levegő közötti hőmérséklet- és/vagy nyomáskülönbségből eredő problémák, leggyakrabban a légnyomás csökkenése vagy a levegő hőmérsékletének növekedése.

A szuperhűtött nedvességből származó jég

A repülőgép külső részein felhalmozódó jég leggyakrabban a különböző méretű szuperhűtött vízcseppeknek az adott repülőgépre való hatásának eredménye. Ez történhet felhőben vagy csapadékon átrepüléskor. Az ok, amiért a vízcseppek nem fagynak meg mind, amint a környezeti hőmérséklet 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R alá csökken, a látens hő felszabadulása, amint a víz jéggé változik. Annyi látens hő szabadul fel, hogy az állapotváltozás lelassul, így a hőmérséklet további csökkenésével fokozatosan megy végbe. Ez addig folytatódik, amíg körülbelül -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R -re a túlhűlt víz nagy része jéggé nem változik. A már teljesen kialakult és száraz jégszemek, amikor a repülőgépnek ütköznek, nem tapadnak meg, hanem egyszerűen lepattannak. Ezért a jég összetapadásának relatív súlyossága várhatóan fokozatosan csökken, ahogy a környezeti hőmérséklet 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R alá csökken, így -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R alatt az összetapadás kockázata csekély, ha egyáltalán marad. A túlhűlt vízcseppek tekintetében két tényező fontos:

a jelenlétük kiterjedése, ami befolyásolja az esetleges jégakkumuláció sebességét; és
a méretük, ami befolyásolja ennek a jégakkumulációnak a súlyosságát azáltal, hogy hátrányosan befolyásolja annak sebességét.

A felhőben lévő szuperhűtött vízcseppek mennyisége és cseppmérete egyaránt 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R alatti hőmérsékleten a legnagyobb, és mindkettő csökken a hőmérséklet csökkenésével. A túlhűlt vízcseppek mérete nagyon fontos a jégakkréció kiváltásának lehetősége szempontjából. A nagyobb cseppeknek nagyobb a tehetetlensége, és kevésbé befolyásolja őket a repülőgép körüli légáramlás, mint a kisebb cseppeket, így a kisebb cseppeknél nagyobb felületet érintenek a repülőgép felületén. Ez különösen igaz a szárnyak és a vezérsíkok elülső éle körüli repülés közbeni légáramlásra. Szintén a nagyobb cseppek azok, amelyek tiszta vagy mázas jeget hoznak létre, amely jól ismert, mint a leginkább aggasztó jégforma, és gyakran vizuálisan is a legnehezebben észlelhető.

Felhők és a túlhűtött nedvesség

A felhőkben lévő túlhűtött cseppek többsége 1 mikron (0,001 mm) és 50 mikron (0,05 mm) közötti átmérőjű. (Összehasonlításképpen: az átlagos emberi hajszál vastagsága körülbelül 100 mikron). A réteges (réteges) felhők jellemzően akár 40 mikron átmérőjű átlagos cseppeket tartalmaznak. A közepes méretű, függőlegesen fejlett (cumuliform) felhők jellemzően legfeljebb 50 mikron (0,05 mm) átlagos cseppátmérőjűek, de a nagy Cumulonimbus (Cb) felhők gyakran sokkal több folyékony vizet tartalmaznak, beleértve a nagy mennyiségű, akár 100 mikron (0,1 mm) átmérőjű cseppeket is.

Fagyos eső és fagyos cseppek

A felhőtől mentes csapadékcseppek sokkal nagyobbak, mint a felhőn belüli cseppek, és ha túlhűlnek, akkor fagyos cseppek keletkezéséről beszélünk, amikor a cseppek átmérője 50 és 500 mikron (0,05 mm és 0,5 mm) között van, és fagyos eső, amikor a cseppek átmérője meghaladja az 500 mikron (0,5 mm) átmérőt. A Fagyos eső gyakran sokkal nagyobb, 2 mm vagy annál nagyobb átmérőjű cseppekből áll, bár ha ezek átmérője jóval meghaladja a 6 mm-t, akkor hajlamosak szétesni.

A felhő alatti fagyos eső akkor alakul ki, amikor az esőcseppek a fagypont alatti hőmérsékletű légrétegen áthaladva szuperhűlnek. Mivel a levegő hőmérséklete a magasság csökkenésével általában emelkedik, a fagyott eső a levegő hőmérsékletének inverzióját feltételezi. Ilyen körülmények előfordulhatnak egy előrenyomuló melegfront vagy egy meleg okklúzió alatt, ahol egy viszonylag meleg légtömeg hidegebb levegő fölé kerül. A fagyos eső megléte általában azt jelenti, hogy melegebb levegő (0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) felett van.

A fagyott cseppek kisebb szuperhűtött cseppjei is kialakulhatnak ilyen módon, de általában úgy tartják, hogy ezek gyakrabban egy másik folyamat, az úgynevezett ütközés-összeolvadási folyamat révén jönnek létre. Amikor a kondenzáció révén néhány csepp a felhőben körülbelül 30 mikrométeres átmérőjűre nő, elkezdenek leülepedni, és elég gyorsan esnek ahhoz, hogy néhány kisebb cseppel összeütközzenek. Ha a cseppek ezután összeolvadnak, egy nagyobb csepp keletkezik, és ennek most még nagyobb esélye van arra, hogy “befogja” a kisebb cseppeket. Kedvező körülmények között ez a folyamat cseppméretű cseppeket hozhat létre egy szuperhűtött felhőben, általában a csúcs közelében, ahol általában a legnagyobb cseppek találhatók minden felhőben. Az adatok rögzítése változó, de egyes tanulmányok arról számoltak be, hogy a nem konvektív felhőkben a fagyos cseppköd az esetek több mint 80 százalékában az ütközés-összeolvadási folyamat révén alakul ki. Fontos tehát, hogy fagyos cseppköd esetén nem feltételezhető, hogy felette melegebb levegő (0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R felett) van.

Jegesedési súlyosság

A “jegesedési súlyosság” kifejezés lényegében arról szól, hogy milyen sebességgel történik jelentős jégakkumuláció. A túlhűlt vízcseppek eddigi leírásai a méretükre vonatkoztak. Ezek az összehasonlító átmérők fontosak – a tipikus cseppek átmérője tízszerese a tipikus felhőcseppeknek, a tipikus esőcseppek átmérője pedig százszorosa a tipikus felhőcseppeknek. Az átmérő által leírt méret azonban nem az, ami a leginkább számít a jég ütközés általi felhalmozódásának lehetősége szempontjából. Ami igazán számít, az a cseppben lévő víz térfogata (vagy tömege), mivel ez határozza meg a repülőgépbe becsapódó víz mennyiségét, valamint azt, hogy a légáramlás stagnálási pontjától hátrafelé, a belépőél-felület előtt milyen messze fognak a cseppek a repülőgépbe csapódni. Ez utóbbi pont jelentős jelentőséggel bír, mivel a nagy cseppek messze a belépő élek mögött csapódhatnak be olyan területeken, amelyek nem jégmentesítettek vagy jégmentesítettek, és jéggé is válhatnak, amint a kezdetben érintett felülettel érintkezve hátrafelé áramlanak.

Fontos megjegyezni, hogy a csepp térfogata nem az átmérőjével, hanem körülbelül az átmérő felének (azaz a sugárnak) a kockájával arányos. Ha tehát egy felhőcsepp tipikus átmérőjének 20 mikrométert (0,02 mm), egy fagyott esőcsepp tipikus átmérőjének pedig 2000 mikrométert (2 mm) veszünk, akkor bár e cseppek átmérője csak 100-szoros eltérést mutat, a térfogatuk, és így a tömegük is 1 000 000-es nagyságrendben különbözik.

A fagyott csapadékban a felhőben – még a gomolyfelhőben is – lévő vízcseppekhez képest a túlhűlt vízcseppeknek ez a jóval nagyobb tömege az, ami kizárja, hogy a repülőgépek jelentős időtartamú tartós repülést – és a legtöbb esetben bármilyen repülést – vállaljanak a felhőtől mentes fagyott csapadékban.

Különbségek a környezeti és a repülőgép bőrhőmérséklete között

Egy sor tényező változtatja a jég felhalmozódásának hajlamát a repülőgépen:

Amikor bármely repülőgép a levegőben mozog, az ebből eredő kinetikus szívás mind a légtorlódás pontjain történő összenyomás, mind a súrlódás miatt a levegő áthaladási felületein a repülőgép bőrhőmérsékletét a környező környezeti levegő hőmérséklete fölé emeli. A számítások szerint ennek mértéke, és így a jégképződésre gyakorolt jelentősége egyenesen arányos a csomóban kifejezett valós légsebesség 1/100 x négyzetével. A pilóták tisztában vannak a SAT és a TAT közötti következetes különbséggel, amely a sebesség növekedésével megfigyelhető, mivel a valódi légsebesség növekedésének hatása nagyobb, mint a légsűrűség csökkenésének ellentétes hatása.
Ha egy repülőgép hidegebb levegőbe emelkedik, és fagyott vagy félig fagyott lerakódások pihennek a szárnyak vagy a vízszintes faroklemez felszínén vagy a kapcsolódó repülésirányító csuklóhézagokban, fennáll annak a lehetősége, hogy ezek a lerakódások teljesen megfagynak és helyben a légiszekrényhez kapcsolódnak. Ez azonban általában csak akkor jelent jelentős problémát, ha az emelkedés egyidejűleg olyan körülmények között történik, amelyek valószínűleg önállóan jelentős jégfelhalmozódást eredményeznek.
Mikor egy repülőgép nagy magasságból ereszkedik, a szerkezet felületi hőmérsékletének növekedése a környezeti levegő felmelegedésével valószínűleg elmarad a környezeti levegő hőmérsékletének növekedésétől, különösen az üzemanyagtartályként használt szárnyak esetében, amelyek még jelentős mennyiségű üzemanyagot tartalmaznak. Ez különösen akkor érvényes, ha az üzemanyagot a következő repülési szektorban történő felhasználásra “tankolják”, az eredeti célállomáson történő felszállás helyett. Az üzemanyag jelentősége abban rejlik, hogy az üzemanyag hőmérséklete lassabban áll helyre az előzetes lehűlés után, mint az azt tartalmazó szerkezeté. Ennek egyik különleges hatása az “üzemanyagjég” kialakulása a szárny alsó felületén, mivel itt a hideg üzemanyag közvetlenül érintkezik a szárnyszerkezettel. Az ilyen tiszta jég gyakran még akkor is jelen van a későbbi fordulás során, amikor a hőmérséklet több fokkal fagypont felett van.

Hajtóműlevegő-bemeneti jegesedés

Minden jeges körülmények között történő repülésre engedélyezett repülőgépet jegesedésgátló rendszerrel szereltek fel. Ezek elektromos fűtésű szőnyegek, keringetett forró motorolaj vagy a hajtóműből elszívott levegővezető levegő segítségével megakadályozzák a légbeszívó ajkak és a vezérsíkok jegesedését. A légbeömlőnyílás belsejében azonban a védtelen területeken jég képződhet, még akkor is, ha a repülőgép nem a hajtóművek tanúsítása szempontjából jelenleg meghatározott jegesedési körülmények között repül. Két ilyen körülmény van: a nedves levegő fagypont feletti lehűlése a dugattyús hajtóművekben nyomáscsökkentéssel; és a jégkristályok olvadása, amelyek a turbinahajtóművekbe való belépést követően felmelegednek.

Az első esetben a dugattyús hajtóművek szívónyílásába belépő nedves levegő 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R feletti hőmérsékleten, majd a szívóhatás által egy csökkentett csatornán keresztül felgyorsul. Ez a “venturi-hatás” csökkenti a hőmérsékletét, aminek következtében a nedvességterhelés kicsapódik és jégként kicsapódik a légcsatorna falán. További részletekért lásd a dugattyús motorok indukciós jegesedése. Ez a cikk a dugattyús motorokban előforduló indukciós jegesedés két másik típusát is leírja.

A második esetben a nagyon hideg, nagy magasságban lévő levegőben lévő nagyon apró jégkristályok nagy sűrűségű jégkristályai kerülnek a nagy kerülőcsöves gázturbinákba. Ezek aztán vagy ideiglenesen megfagynak és nagyobb jégdarabokként leválnak, ami a motor légáramlásának megszakadását okozza, vagy mechanikai károkat okoznak, akár jégdarabokként, akár folyékony víz diszkrét átáramlása révén. További információért lásd a Nagy magasságú jégkristályos jegesedés című részt: Effects on Engines.

Icing Forecasts

A repülési előrejelzésben nincsenek meghatározások a jegesedés abszolút súlyosságára. A könnyű, közepes és súlyos relatív minősítéseket azonban általában úgy használják (csak a repülőgépváz jegesedési kockázatát illetően), hogy azok regionálisan legalább ésszerű következetességet mutassanak az előrejelzés típusának összefüggésében, amelyben ezeket használják. A legtöbb előrejelző megérti, hogy egy olyan kifejezést, mint a “könnyű jegesedés”, meglehetősen eltérően fog értelmezni egy kereskedelmi szállító repülőgép személyzete és egy magánpilóta, aki azon gondolkodik, hogy valószínűleg képes lesz-e végrehajtani a tervezett repülést minden jegesedési körülménytől mentesen. Ennek következtében az alacsony szintű jegesedési előrejelzéseket általában úgy adják meg, hogy azok kifejezetten a jegesedés hatásaira érzékeny könnyű repülőgépek pilótái számára legyenek hozzáférhetőek. Az elsősorban a kereskedelmi célú légi közlekedés számára készített előrejelzések azonban a mérsékelt és a súlyos jegesedést olyan kifejezésekben használják, amelyek tükrözik azok valószínű jelentőségét a “jeges körülmények között” történő rutinrepülésre engedélyezett, megfelelő jégvédelmi rendszerekkel felszerelt légi járművek számára. A magasabb szintű előrejelzések általános repülés általi használata félreértésekhez vezethet a várható jegesedési körülményekkel kapcsolatban, és néha nem megfelelő repüléstervezéshez vezethet. A lényeg az, hogy a jegesedés súlyosságának relatív előrejelzései nem tudják és nem veszik figyelembe a felhasználójukat és az általuk vezetett repülőgépet, így az előrejelzések értelmezése éppúgy megítélés kérdése, mint a levegőben lévő látszólagos jegesedési valóság nyomon követése.

A fenti fenntartásokkal együtt egy rövid pillantás a jegesedési körülményeknek az előrejelzők által használt szokásos “leírásaira” és “definícióira” még mindig hasznos lehet. A leírások mind azt feltételezik, hogy a repülőgép “jegesedési körülmények közötti repülésre” van engedélyezve.

A könnyű jegesedést gyakran úgy írják le, hogy “nincs szükség irány- vagy magasságváltoztatásra, és nem következik be sebességveszteség. Egyesek szigorúbban úgy határozzák meg, hogy a külső szárnyon óránként 0,25 hüvelyk és 1 hüvelyk (0,6-2,5 cm) közötti jégfelhalmozódást jelent.
A mérsékelt jegesedés jellemzően olyan jégfelhalmozódás, amely folyamatosan növekszik, de nem olyan mértékben, hogy az befolyásolná a repülés biztonságát, kivéve, ha hosszabb ideig tart, de a légsebesség csökkenhet. A külső szárnyon óránként 1 és 3 hüvelyk (2,5 és 7 hüvelyk) közötti jégfelhalmozódási sebességen alapuló meghatározás.5 cm)
A súlyos jegesedést különbözőképpen írták le:
- amelyben vagy a jegesedési sebesség vagy a jég felhalmozódása meghaladja a légi jármű tűrőképességét;
- amely folyamatosan növekszik és elkezdi súlyosan befolyásolni a légi jármű teljesítményét és manőverezőképességét;
- olyan mértékben, hogy a jégvédelmi rendszerek nem képesek eltávolítani a felhalmozódott jeget, és a jég olyan helyeken halmozódik fel, amelyek általában nem hajlamosak a jegesedésre;
- amelyben az állapotból való azonnali kilépés szükséges a légi jármű teljes irányításának megtartásához.

Az általánosan elfogadott tény, hogy bár a légi jármű jeges körülmények között történő repülésre vonatkozó tanúsítás ritkán tartalmaz kimondott korlátozásokat, egyetlen légi járművet sem engedélyeznek súlyos jeges körülmények között történő repülésre, és hogy súlyos jeges körülmények bármilyen jégfelhalmozódási sebesség mellett előfordulhatnak.

Nord-Amerikában az előrejelzési anyagokban gyakrabban használják a tiszta, jéghideg vagy kevert kifejezéseket, mint máshol, és ezeket a kifejezéseket a cseppek méretének helyettesítőjeként szánják és veszik, függetlenül más tényezőktől, például a hőmérséklettől és a folyékony víztartalomtól. Ebben a használatban a rime jegesedésre vonatkozó előrejelzés kisebb cseppméretet, a vegyes vagy tiszta jegesedésre vonatkozó előrejelzés pedig nagyobb cseppméretet jelez, de a kettő között csak homályos és meghatározatlan határvonal húzódik.

Végezetül, a “tiszta repülőgép” a forgáskor alapvető követelmény a jeges körülmények között vagy jeges körülmények közé történő repüléshez az így engedélyezett repülőgépek esetében. Ez megfelelő földi jégtelenítő vagy jegesedésgátló folyadékok használatával érhető el, amelyeknek az uralkodó körülményekhez képest elegendő a visszatartási idejük. A jegesedésgátlás szinte mindig sűrített folyadékokkal érhető el, amelyek a repülőgép vázához tapadnak, majd a felszállási gurulás során fokozatosan leválnak, így 100KIAS-ra az összes folyadék eltávozik. A fagyos eső vagy fagyos szitáló eső ellen nincs jóváhagyott folyadékvédelem, ezért az ilyen körülmények között általában nem lehet felszállni.

Repülés közbeni jegesedés
Jegesedés – gyűjtési hatékonyság
Légijármű és repülés közbeni jegesedési kockázatok
Dugattyús motor indukciós jegesedés
Fagyos eső
Cumulonimbus (Cb)
Légijármű földi de/Anti…Icing
Aircraft Ice Protection Systems
High Level Ice Crystal Icing: Effects on Engines

SKYbrary Wiki