Formazione di ghiaccio sugli aerei

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Icing

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Questo articolo mira ad affrontare le basi della formazione di ghiaccio sugli aerei e nelle loro prese d’aria dei motori. Non prende in considerazione la formazione di ghiaccio che si crea per sublimazione, il processo con cui il vapore acqueo congela direttamente sulle superfici sotto zero. Con questa eccezione, la formazione di ghiaccio attaccato alla superficie esterna di un aereo o alle superfici all’interno delle prese d’aria dei motori, richiede che gocce d’acqua liquida impattino la superficie interessata. Di solito, questa umidità deve essere super-raffreddata, cioè deve essere in forma liquida sotto 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Ci sono un paio di variazioni specifiche in questo scenario generale che saranno considerate in seguito:

problemi relativi alla differenza tra la temperatura della pelle dell’aereo e la temperatura dell’aria attraverso la quale sta passando, è stata o passerà, soprattutto durante la salita e la discesa e nell’intervallo di temperatura +/-10 gradi Celsius;
problemi derivanti dalla differenza di temperatura e/o pressione tra l’aria ambiente e l’aria all’interno delle prese d’aria del motore, più spesso riduzioni della pressione dell’aria o aumenti della temperatura dell’aria.

Ghiaccio da umidità super-raffreddata

Il ghiaccio che si accumula sulle parti esterne di un aereo è più spesso il risultato dell’impatto di goccioline d’acqua super-raffreddate di varie dimensioni su quell’aereo. Questo può accadere all’interno delle nuvole o quando si vola attraverso le precipitazioni. La ragione per cui le gocce d’acqua non si congelano tutte non appena la temperatura ambiente scende sotto 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R è il rilascio di calore latente quando l’acqua cambia stato in ghiaccio. Viene rilasciato così tanto calore latente che il cambiamento di stato viene rallentato in modo che avvenga progressivamente man mano che la temperatura continua a scendere. Questo continua fino a quando, a circa -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R , la maggior parte dell’acqua super raffreddata si è trasformata in ghiaccio. I grani di ghiaccio che si sono già completamente formati e sono asciutti quando impattano un aereo non aderiscono ma semplicemente rimbalzano via. Pertanto, ci si può aspettare che la gravità relativa dell’accumulo di ghiaccio diminuisca progressivamente quando la temperatura ambiente si riduce al di sotto di 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R in modo che poco, o nessun, rischio di accumulo rimanga sotto -20°C-4 °F 253.15 K 455.67 °R . Due fattori sono importanti per quanto riguarda le goccioline d’acqua super-raffreddate:

l’estensione della loro presenza, che influenzerà il tasso di qualsiasi accrescimento di ghiaccio; e
la loro dimensione, che influenzerà la gravità di tale accrescimento influenzando negativamente il suo tasso.

Sia la quantità che le dimensioni delle goccioline d’acqua super-raffreddata nelle nuvole sono maggiori a temperature appena sotto 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R ed entrambe diminuiscono con l’abbassarsi della temperatura. La dimensione delle goccioline di acqua super-raffreddata è molto importante per quanto riguarda il potenziale di indurre l’accrescimento di ghiaccio. Le gocce più grandi hanno una maggiore inerzia e sono meno influenzate dal flusso d’aria intorno al velivolo rispetto alle gocce più piccole, quindi impatteranno sulla superficie del velivolo più delle gocce più piccole. Questo è il caso soprattutto per quanto riguarda il flusso d’aria in volo intorno al bordo d’attacco delle ali e dell’impennaggio. Sono anche le gocce più grandi che producono ghiaccio chiaro o glaciale che è ben riconosciuto come la forma di ghiaccio più preoccupante ed è spesso anche il più difficile da rilevare visivamente.

Nuvole e umidità super raffreddata

La maggior parte delle gocce super raffreddate nelle nuvole sono tra 1 micron (0,001mm) e 50 micron (0,05 mm) di diametro. (Per confronto, lo spessore di un capello umano medio è di circa 100 micron). Le nuvole stratificate (stratiformi) contengono tipicamente diametri medi delle gocce fino a 40 micron. Le nubi a sviluppo verticale (cumuliformi) di scala moderata hanno tipicamente diametri medi delle gocce fino a 50 micron (0,05 mm), ma le grandi nubi Cumulonimbus (Cb) spesso contengono molta più acqua liquida, comprese grandi quantità in goccioline con diametri fino a e oltre 100 micron (0,1 mm).

Pioggia Gelata e Pioggia Gelata

Gocce di precipitazione che sono fuori dalla nube sono molto più grandi di quelle all’interno della nube e, se sono super raffreddate, sono descritte come la creazione di Pioggia Gelata dove le goccioline hanno un diametro tra 50 e 500 micron (0,05mm e 0,5mm) e Pioggia Gelata dove le goccioline superano i 500 micron (0,5mm) di diametro. La Pioggia Gelata ha spesso goccioline molto più grandi di 2mm di diametro o più, anche se se superano di molto i 6mm di diametro, tenderanno a rompersi.

La pioggia gelata sotto le nuvole si forma quando le goccioline di pioggia sono super raffreddate dal passaggio attraverso uno strato d’aria che ha una temperatura sotto lo zero. Poiché le temperature dell’aria normalmente aumentano con la riduzione dell’altitudine, la pioggia gelata implica l’esistenza di un’inversione della temperatura dell’aria. Tali condizioni possono verificarsi sotto un fronte caldo che avanza o un’occlusione calda in cui una massa d’aria relativamente calda sovrasta l’aria più fredda. L’esistenza di pioggia gelata normalmente significa che ci sarà aria più calda (sopra 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) sopra.

Le più piccole goccioline super-raffreddate della pioggerella gelata possono anche formarsi in questo modo, ma è generalmente considerato che esse sorgono più comunemente da un processo diverso chiamato processo di collisione-coalescenza. Quando, attraverso la condensazione, alcune goccioline in una nuvola crescono fino a circa 30 micrometri di diametro, cominciano a depositarsi, cadendo abbastanza velocemente in modo che si scontrino con alcune goccioline più piccole. Se le goccioline poi si fondono, viene prodotta una gocciolina più grande che ora ha una possibilità ancora maggiore di “catturare” le goccioline più piccole. In condizioni favorevoli, questo processo può produrre gocce delle dimensioni di una pioggerella in una nube super raffreddata, di solito vicino alla cima, dove si trovano generalmente le gocce più grandi in qualsiasi nube. L’acquisizione dei dati è variata, ma alcuni studi hanno riportato che la pioggia gelata nelle nuvole non convettive si forma più dell’80% del tempo attraverso il processo di collisione-coalescenza. Quindi, cosa importante, quando ci si trova in una pioggerella gelata, non si può presumere che l’aria più calda (sopra 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R ) esista al di sopra di essa.

La gravità del ghiaccio

Il termine “gravità del ghiaccio” riguarda essenzialmente il tasso al quale si verifica una significativa accumulazione di ghiaccio. Le descrizioni delle goccioline d’acqua super-raffreddate finora sono state in termini di dimensioni. Questi diametri comparativi sono importanti – le tipiche goccioline di pioggia hanno un diametro 10 volte quello delle tipiche goccioline di nuvola e le tipiche goccioline di pioggia hanno un diametro 100 volte quello delle tipiche goccioline di nuvola. La dimensione descritta dal diametro, tuttavia, non è ciò che conta di più in termini di potenziale di accrescimento del ghiaccio attraverso l’impatto. Ciò che fa davvero la differenza è il volume (o la massa) dell’acqua contenuta in una gocciolina, poiché questo è ciò che controlla la quantità di acqua che impatterà l’aereo e anche quanto lontano dal punto di stagnazione del flusso d’aria davanti alla superficie del bordo d’attacco, le goccioline colpiranno l’aereo. Quest’ultimo punto è di notevole importanza in quanto le gocce di grandi dimensioni possono impattare ben oltre i bordi d’attacco in aree che non sono antigelo o de-ghiacciate e possono anche trasformarsi in ghiaccio mentre scorrono verso poppa a contatto con la superficie inizialmente colpita.

È importante notare che il volume di una goccia non è proporzionale al suo diametro ma a circa il cubo della metà del diametro (cioè il raggio). Quindi, se si prendono 20 micron (0,02 mm) come diametro tipico di una gocciolina di nuvola e 2000 micrometri (2 mm) come diametro tipico di una gocciolina di pioggia gelata, allora anche se i diametri di queste goccioline differiscono solo di un fattore 100, il loro volume, e quindi la loro massa, differiscono di un fattore che è dell’ordine di 1.000.000.

È questa massa enormemente maggiore di goccioline d’acqua super-raffreddate nelle precipitazioni ghiacciate rispetto a quelle nelle nuvole, anche cumulonembi, che impedisce a qualsiasi aereo di intraprendere un periodo significativo di volo sostenuto – e nella maggior parte dei casi qualsiasi volo – in precipitazioni ghiacciate senza nuvole.

Differenze tra temperatura ambiente e temperatura della pelle dell’aereo

Ci sono una serie di fattori che variano la propensione del ghiaccio ad accumularsi su un aereo:

Quando un aereo si muove attraverso l’aria, il risultante cuore cinetico dovuto sia alla compressione nei punti di ostruzione dell’aria che all’attrito sulle superfici di passaggio dell’aria aumenta la temperatura della pelle dell’aereo sopra quella dell’aria ambiente nelle vicinanze. La misura in cui questo accade, e quindi la misura della sua importanza per la formazione di ghiaccio, è stata calcolata per essere direttamente proporzionale al quadrato di 1/100 x la velocità vera in nodi. I piloti saranno consapevoli della conseguente differenza tra SAT e TAT che può essere osservata aumentare con la velocità, poiché l’effetto dell’aumento della velocità vera è maggiore dell’effetto opposto della diminuzione della densità dell’aria.
Se un aereo sta salendo in aria più fredda e depositi congelati o semi congelati sono appoggiati sulle superfici superiori delle ali o sulle superfici orizzontali del piano di coda o nelle relative fessure dei comandi di volo, esiste la possibilità che questi depositi possano congelare completamente e attaccarsi alla cellula in loco. Tuttavia, questo sarà di solito un problema significativo solo se la salita viene effettuata in concomitanza con condizioni in grado di produrre indipendentemente un significativo accumulo di ghiaccio.
Quando un aereo sta scendendo da alta quota, l’aumento della temperatura superficiale della struttura con il riscaldamento dell’aria ambiente è probabile che sia in ritardo rispetto all’aumento della temperatura dell’aria ambiente, soprattutto nel caso di ali utilizzate come serbatoi di carburante che contengono ancora una quantità significativa di carburante. Questo si applica in particolare quando il carburante viene “caricato” per l’uso nel settore di volo successivo, piuttosto che per il rifornimento nella destinazione iniziale. L’importanza del carburante è la sua tendenza a recuperare la temperatura da una precedente sosta a freddo più lentamente della struttura che lo contiene. Un effetto particolare di questo è la formazione di “ghiaccio di carburante” sulla superficie inferiore di un’ala, perché è qui che il carburante freddo è in contatto diretto con la struttura dell’ala. Tale ghiaccio chiaro è spesso ancora presente durante il successivo turnaround anche quando la OAT è parecchi gradi sopra lo zero.

Engine Air Inlet Icing

Tutti gli aerei certificati per il volo in condizioni di ghiaccio sono dotati di sistemi anti-icing. Questi impediscono la formazione di ghiaccio sul labbro di aspirazione dell’aria e sulle palette di guida mediante l’uso di tappetini riscaldati elettricamente, olio motore caldo in circolazione o aria di scarico estratta dal motore. Tuttavia, più all’interno di una presa d’aria, il ghiaccio può formarsi in aree non protette anche quando un aereo non sta volando in condizioni di ghiaccio come attualmente definito ai fini della certificazione dei motori. Ci sono due circostanze di questo tipo: il raffreddamento dell’aria umida al di sopra della temperatura di congelamento mediante riduzione della pressione nei motori a pistoni; e la fusione dei cristalli di ghiaccio che sono riscaldati dopo essere entrati nei motori a turbina.

Nel primo caso, l’aria umida che entra in una presa d’aria di un motore a pistoni ad una temperatura superiore a 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R viene poi accelerata da un effetto venturi attraverso un canale ridotto. Questo effetto ‘venturi’ riduce la sua temperatura facendo condensare il carico di umidità e facendolo precipitare sulle pareti del canale d’aria come ghiaccio. Vedi Induction Icing del motore a pistoni per maggiori dettagli. Questo articolo descrive anche altri due tipi di formazione di ghiaccio per induzione che si verificano nei motori a pistoni.

Nel secondo caso, alte densità di cristalli di ghiaccio molto piccoli in aria molto fredda e ad alta quota vengono ingeriti in turbine a gas ad alto bypass. Essi poi o congelano temporaneamente e si staccano come pezzi di ghiaccio più grandi, causando l’interruzione del flusso d’aria del motore, o causano danni meccanici sia come pezzi di ghiaccio che attraverso discreti flussi di acqua liquida. Per ulteriori informazioni, fare riferimento a High Level Ice Crystal Icing: Effects on Engines.

Icing Forecasts

Non ci sono definizioni per la gravità assoluta del ghiaccio nelle previsioni aeronautiche. Tuttavia, le qualifiche relative light, moderate e severe sono generalmente utilizzate (solo per quanto riguarda il rischio di formazione di ghiaccio sulla cellula) in un modo che ha almeno una ragionevole coerenza a livello regionale nel contesto del tipo di previsione in cui sono utilizzate. La maggior parte dei previsori comprende che un termine come “ghiacciamento leggero” sarà interpretato in modo piuttosto diverso dall’equipaggio di un volo di trasporto commerciale e da un pilota privato che si chiede se è probabile che sia in grado di intraprendere il suo volo pianificato senza condizioni di ghiacciamento. Di conseguenza, le previsioni di low level icing sono di solito presentate in modo tale da essere specificamente accessibili ai piloti di aerei leggeri vulnerabili agli effetti di qualsiasi formazione di ghiaccio. Tuttavia, le previsioni fornite principalmente per il trasporto aereo commerciale useranno il ghiaccio moderato e grave in termini che riflettono la loro probabile importanza per gli aerei che sono certificati per il volo di routine in “condizioni di ghiaccio” perché sono dotati di sistemi di protezione dal ghiaccio appropriati. Questo uso di presentazioni di previsioni di livello superiore da parte dell’aviazione generale può produrre malintesi sulle condizioni di ghiacciamento che ci si potrebbe aspettare, e talvolta portare a una pianificazione di volo inappropriata. Il punto è che le previsioni relative alla gravità del ghiaccio non possono e non tengono conto del loro utilizzatore e dell’aereo che stanno pilotando, quindi l’interpretazione delle previsioni è tanto una questione di giudizio quanto il monitoraggio della realtà apparente del ghiaccio una volta in volo.

Con tutte le avvertenze di cui sopra, un breve sguardo alle usuali “descrizioni” e “definizioni” delle condizioni del ghiaccio utilizzate dai meteorologi può ancora essere utile. Le descrizioni presuppongono tutte che un aereo sia certificato per il “volo in condizioni di ghiaccio”.

Il ghiaccio leggero è spesso descritto come condizioni tali che “non è necessario alcun cambiamento di rotta o di altitudine e non si verifica alcuna perdita di velocità”. È stato più rigorosamente definito da alcuni come un tasso di accumulo di ghiaccio all’ora sull’ala esterna tra 0,25 pollici e 1 pollice (da 0,6 a 2,5 cm).
Il ghiaccio moderato è stato tipicamente descritto come un accumulo di ghiaccio che continua ad aumentare ma non ad un tasso sufficiente per influenzare la sicurezza del volo a meno che non continui per un lungo periodo di tempo, ma la velocità dell’aria può essere persa. Una definizione basata su un tasso di accumulo di ghiaccio all’ora sull’ala esterna da 1 a 3 pollici (da 2,5 a 7.5 cm)
Il Severe Icing è stato variamente descritto come accrescimento di ghiaccio:
- in cui il tasso di formazione di ghiaccio o l’accumulo di ghiaccio superano la tolleranza dell’aeromobile;
- che continua ad accumularsi e comincia a compromettere seriamente le prestazioni e la manovrabilità di un aeromobile;
- ad un tasso tale che i sistemi di protezione dal ghiaccio non riescono a rimuovere l’accumulo di ghiaccio e il ghiaccio si accumula in luoghi normalmente non soggetti a formazione di ghiaccio;
- in modo tale che un’immediata uscita dalla condizione è necessaria per mantenere il pieno controllo del velivolo.

E’ generalmente accettato che, anche se la certificazione dell’aeromobile per il volo in condizioni di ghiaccio raramente include restrizioni dichiarate, nessun aeromobile è approvato per il volo in condizioni di ghiaccio grave, e che condizioni di ghiaccio grave possono verificarsi a qualsiasi tasso di accumulo di ghiaccio.

In Nord America, i termini clear, rime o mixed sono usati più spesso nel materiale di previsione che altrove e sono intesi e presi come proxy per la dimensione delle gocce indipendentemente da altri fattori come la temperatura e il contenuto di acqua liquida. In questo uso, una previsione di brina rime indica le dimensioni delle gocce più piccole e una previsione di brina mista o chiara indica le dimensioni delle gocce più grandi, ma con solo un confine vago e indefinito tra i due.

Infine, un “aeromobile pulito” alla rotazione è un requisito essenziale per il volo in o in condizioni di ghiaccio per quegli aerei così approvati. Si ottiene con l’uso di appropriati fluidi antighiaccio o de-icing a terra che hanno un tempo di permanenza sufficiente per le condizioni prevalenti. L’antigelo è quasi sempre ottenuto con fluidi addensati che aderiscono alla cellula e poi progressivamente si staccano durante il rollio di decollo in modo che siano stati rilasciati tutti entro 100KIAS. Non c’è nessuna protezione approvata per i fluidi contro la pioggia gelata o la pioggerella gelata e quindi la partenza in queste condizioni non è generalmente possibile.

Ghiacciamento in volo
Ghiacciamento – Efficienza di raccolta
Rischi di ghiacciamento in volo
Ghiacciamento per induzione motori a pistoni
Pioggia gelata
Cumulonimbus (Cb)
Aeromobili De/Anti-Icing
Sistemi di protezione dal ghiaccio per aeromobili
Ghiaccio ad alto livello: Effetti sui motori

Altre letture

Estratto da 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, gennaio 2015

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