IJsvorming op vliegtuigen

Artikelinformatie
Categorie:	Weer
Inhoudsbron:	SKYbrary
Inhoudscontrole:	SKYbrary

Tag(s)

Icing

Description

Dit artikel gaat in op de basisprincipes van ijsvorming op vliegtuigen en in de luchtinlaten van hun motoren. Het gaat niet in op de vorming van rijp die ontstaat door sublimatie, het proces waarbij waterdamp rechtstreeks bevriest op oppervlakken onder nul. Met deze uitzondering is het voor de vorming van ijs op het buitenoppervlak van een vliegtuig of op de oppervlakken in de luchtinlaten van de motoren nodig dat vloeibare waterdruppels op het betrokken oppervlak inwerken. Gewoonlijk moet dat vocht onderkoeld zijn, wat betekent dat het in vloeibare vorm onder 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R moet zijn. Er zijn een paar specifieke variaties op dit algemene scenario die later aan de orde zullen komen:

problemen die verband houden met het verschil tussen de temperatuur van de huid van het vliegtuig en de temperatuur van de lucht waar het doorheen stroomt, is of zal gaan, vooral tijdens het klimmen en dalen en in het temperatuurbereik +/-10 graden Celsius;
problemen die voortvloeien uit het temperatuur- en/of drukverschil tussen de omgevingslucht en de lucht in de luchtinlaten van de motor, meestal verlagingen van de luchtdruk of verhogingen van de luchttemperatuur.

Ice from Supercooled Moisture

Ice which accretes on the external parts of an aircraft is most often the result of the impact of supercooled water droplets of various sizes on that aircraft. Dit kan gebeuren in de bewolking of bij het vliegen door neerslag. De reden waarom waterdruppels niet allemaal bevriezen zodra de omgevingstemperatuur onder 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R komt door het vrijkomen van latente warmte wanneer water van toestand verandert in ijs. Er komt zoveel latente warmte vrij dat de toestandsverandering wordt vertraagd, zodat deze geleidelijk plaatsvindt naarmate de temperatuur verder daalt. Dit gaat door totdat, bij ongeveer -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R , het grootste deel van het onderkoelde water in ijs is veranderd. IJskorrels die al volledig gevormd en droog zijn wanneer zij een vliegtuig raken, hechten zich niet maar stuiteren gewoon weg. Daarom kan worden verwacht dat de relatieve ernst van ijsafzetting geleidelijk afneemt naarmate de omgevingstemperatuur lager wordt dan 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R zodat er weinig of geen risico van ijsafzetting overblijft onder -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R . Twee factoren zijn van belang met betrekking tot onderkoelde waterdruppels:

de omvang van hun aanwezigheid, die van invloed zal zijn op de snelheid van eventuele ijsafzetting; en
de grootte ervan, die van invloed zal zijn op de ernst van die afzetting door de snelheid ervan ongunstig te beïnvloeden.

Zowel de hoeveelheid als de druppelgrootte van onderkoelde waterdruppels in wolken zijn het grootst bij temperaturen net onder 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R en beide nemen af naarmate de temperatuur daalt. De grootte van de onderkoelde waterdruppels is zeer belangrijk voor de mogelijkheid om ijsafzetting te induceren. Grotere druppels hebben een grotere traagheid en worden minder beïnvloed door de luchtstroming rond het vliegtuig dan kleinere druppels, zodat ze op een groter deel van het vliegtuigoppervlak terechtkomen dan kleinere druppels. Dit is met name het geval bij de luchtstroming tijdens de vlucht rond de voorrand van vleugels en staartvlakken. Het zijn ook de grotere druppels die helder of glazuurijs produceren, dat algemeen wordt erkend als de meest zorgwekkende ijsvorm en vaak ook het moeilijkst visueel waar te nemen is.

Wolken en onderkoeld vocht

De meeste onderkoelde druppels in wolken zijn tussen 1 micron (0,001mm) en 50 micron (0,05 mm) in diameter. (Ter vergelijking, de dikte van de gemiddelde menselijke haar is ongeveer 100 micron). Laagvormige (stratiforme) wolken bevatten gewoonlijk gemiddelde druppeldiameters tot 40 micron. Verticaal ontwikkelde (cumuliforme) wolken van gemiddelde omvang hebben doorgaans gemiddelde druppeldiameters tot 50 micron (0,05 mm), maar grote Cumulonimbus (Cb) wolken bevatten vaak veel meer vloeibaar water, met inbegrip van grote hoeveelheden in druppeltjes met diameters tot en meer dan 100 micron (0,1 mm).

Vriezende regen en ijskoude motregen

Precipitatiedruppeltjes die vrij zijn van wolken zijn veel groter dan die binnen wolken en, als ze onderkoeld zijn, worden ze beschreven als het creëren van Freezing Drizzle waar de druppeltjes een diameter hebben tussen 50 en 500 micron (0,05mm en 0,5mm) en Freezing Rain waar de druppeltjes een diameter hebben van meer dan 500 micron (0,5mm). Vriezende regen heeft vaak veel grotere druppels met een diameter van 2mm of meer, hoewel ze, als ze veel groter worden dan 6mm in diameter, de neiging hebben uiteen te vallen.

Vriezende regen onder bewolking vormt zich wanneer regendruppels worden onderkoeld door passage door een luchtlaag met een temperatuur onder het vriespunt. Aangezien de luchttemperatuur normaal stijgt naarmate de hoogte afneemt, impliceert aanvriezende regen het bestaan van een inversie van de luchttemperatuur. Dergelijke omstandigheden kunnen zich voordoen onder een oprukkend warmtefront of een warme occlusie waarbij een relatief warme luchtmassa koudere lucht overspoelt. Het bestaan van aanvriezende regen betekent normaal gesproken dat er warmere lucht (boven 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) boven zit.

De kleinere onderkoelde druppeltjes van bevriezende motregen kunnen ook op deze manier ontstaan, maar algemeen wordt aangenomen dat zij vaker ontstaan door een ander proces dat het botsingscoalescentieproces wordt genoemd. Wanneer, door condensatie, sommige druppels in een wolk groeien tot ongeveer 30 micrometer in diameter, beginnen ze neer te slaan, waarbij ze snel genoeg vallen zodat ze in botsing komen met enkele kleinere druppels. Als de druppels dan samensmelten, ontstaat er een grotere druppel die nu nog meer kans heeft om kleinere druppels te “vangen”. Onder gunstige omstandigheden kan dit proces druppels ter grootte van een motregen opleveren in een supergekoelde wolk, meestal in de buurt van de top, waar zich in het algemeen de grootste druppels van een wolk bevinden. Het vastleggen van gegevens varieert, maar sommige studies hebben gerapporteerd dat bevriezende motregen in niet-convectieve wolken meer dan 80 procent van de tijd wordt gevormd door het botsings-coalescentieproces. Het is dus van belang dat bij ijzige motregen niet kan worden aangenomen dat daarboven warmere lucht (boven 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) aanwezig zal zijn.

Icing Severity

De term “icing severity” gaat in wezen over de snelheid waarmee significante ijsafzetting optreedt. De beschrijvingen van onderkoelde waterdruppels tot dusverre zijn in termen van hun grootte. Deze vergelijkende diameters zijn belangrijk – typische motregendruppels hebben een diameter die 10 maal zo groot is als die van typische wolkendruppels en typische regendruppels hebben een diameter die 100 maal zo groot is als die van typische wolkendruppels. De door de diameter bepaalde grootte is echter niet het belangrijkst voor de kans op ijsafzetting door inslag. Wat werkelijk het verschil maakt is het volume (of de massa) van het water in een druppel, omdat dit de hoeveelheid water bepaalt die het vliegtuig zal raken en ook hoe ver achter het stagnatiepunt van de luchtstroom voor een voorrandoppervlak de druppels het vliegtuig zullen raken. Dit laatste punt is van aanzienlijk belang aangezien grote druppels ver voorbij de voorranden kunnen inslaan in gebieden die niet anti- of ontijzeld zijn en ook in ijs kunnen veranderen wanneer zij naar achteren stromen in contact met het aanvankelijk getroffen oppervlak.

Het is belangrijk op te merken dat het volume van een druppel niet evenredig is met zijn diameter, maar met ongeveer de kubus van de halve diameter (d.w.z. de straal). Indien men dus 20 micron (0,02 mm) neemt als typische diameter voor een wolkendruppel en 2000 micrometer (2 mm) als typische diameter van een ijskoude regendruppel, dan verschilt, hoewel de diameter van deze druppels slechts een factor 100 bedraagt, hun volume, en dus hun massa, met een factor van de orde van 1.000.000.

Het is deze enorm grotere massa van onderkoelde waterdruppels in ijskoude neerslag vergeleken met die in wolken, zelfs cumulonimbuswolken, die elk vliegtuig uitsluit van het ondernemen van een significante periode van aanhoudende vlucht – en in de meeste gevallen elke vlucht – in ijskoude neerslag vrij van wolken.

Verschillen tussen omgevingstemperatuur en vliegtuighuidtemperatuur

Er zijn een aantal factoren die de neiging tot ijsafzetting op een vliegtuig beïnvloeden:

Wanneer een vliegtuig door de lucht beweegt, verhoogt de resulterende kinetische harting als gevolg van zowel compressie op plaatsen van luchtbelemmering als wrijving op oppervlakken van luchtpassage de vliegtuighuidtemperatuur boven die van de omgevingslucht in de omgeving. De mate waarin dit optreedt, en daarmee de betekenis ervan voor ijsvorming, is berekend als recht evenredig met het kwadraat van 1/100 x de werkelijke luchtsnelheid in knopen. Piloten zullen zich bewust zijn van het daaruit voortvloeiende verschil tussen SAT en TAT, dat kan worden waargenomen als toenemend met de snelheid, aangezien het effect van de toename van de werkelijke luchtsnelheid groter is dan het tegenovergestelde effect van de afname van de luchtdichtheid.
Als een vliegtuig in koudere lucht klimt en bevroren of halfbevroren afzettingen rusten op de bovenvlakken van de vleugels of horizontale staartvlakken of in de bijbehorende scharnieropeningen van de vluchtbesturing, bestaat de mogelijkheid dat deze afzettingen volledig bevriezen en zich ter plaatse aan het vliegtuigromp hechten. Dit zal echter meestal alleen een probleem van betekenis zijn als de klim tegelijkertijd wordt gemaakt in omstandigheden die waarschijnlijk zelfstandig aanzienlijke ijsafzetting veroorzaken.
Wanneer een vliegtuig van grote hoogte daalt, zal de stijging van de oppervlaktetemperatuur van de constructie als gevolg van de opwarming van de omgevingslucht waarschijnlijk achterblijven bij de temperatuurstijging van de omgevingslucht, vooral in het geval van vleugels die als brandstoftank worden gebruikt en die nog een aanzienlijke hoeveelheid brandstof bevatten. Dit is met name het geval wanneer brandstof wordt “getankt” voor gebruik in de volgende vluchtsector in plaats van op de oorspronkelijke bestemming te worden opgepompt. Het belang van brandstof is dat deze de neiging vertoont zich langzamer te herstellen van een voorafgaande koudeperiode dan de structuur die de brandstof bevat. Een bijzonder gevolg hiervan is de vorming van “brandstofijs” aan de onderzijde van een vleugel, omdat dit de plaats is waar de koude brandstof in direct contact staat met de vleugelstructuur. Dergelijk helder ijs is vaak nog aanwezig tijdens de daaropvolgende turnaround, zelfs wanneer de OAT enkele graden boven het vriespunt ligt.

Engine Air Inlet Icing

Alle vliegtuigen die gecertificeerd zijn voor vliegen in ijsomstandigheden, zijn uitgerust met anti-icing systemen. Deze voorkomen ijsvorming op luchtinlaatlippen en geleidevinnen door gebruik te maken van elektrisch verwarmde matten, gecirculeerde hete motorolie of afgevoerde lucht uit de motor. Verderop in een luchtinlaat kan zich echter ijs vormen op onbeschermde plaatsen, zelfs wanneer een vliegtuig niet vliegt onder omstandigheden van ijsvorming, zoals momenteel gedefinieerd voor motorcertificeringsdoeleinden. Er zijn twee van dergelijke omstandigheden: het afkoelen van vochtige lucht boven de vriestemperatuur door drukverlaging in zuigermotoren; en het smelten van ijskristallen die zijn opgewarmd nadat ze in turbinemotoren zijn terechtgekomen.

In het eerste geval wordt vochtige lucht die een zuigermotorinlaat binnenkomt bij een temperatuur boven 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R vervolgens versneld door een zuigeffect door een gereduceerd kanaal. Door dit “venturi-effect” daalt de temperatuur, waardoor de vochtlading condenseert en als ijs neerslaat op de wanden van het luchtkanaal. Zie Inductie-ijsvorming bij zuigermotoren voor meer details. Dit artikel beschrijft ook twee andere soorten inductie-ijsvorming die zich voordoen in zuigermotoren.

In het tweede geval worden hoge dichtheden van zeer kleine ijskristallen in zeer koude lucht op grote hoogte opgenomen in gasturbines met hoge omloopsnelheid. Deze bevriezen tijdelijk en komen los als grotere stukken ijs die de luchtstroom van de motor verstoren, of veroorzaken mechanische schade als stukken ijs of via discrete hoeveelheden vloeibaar water. Zie voor nadere informatie: “High Level Ice Crystal Icing: Effects on Engines.

Icing Forecasts

Er zijn geen definities voor absolute icing severity in aviation forecasting. De relatieve kwalificaties licht, matig en ernstig worden echter over het algemeen gebruikt (alleen met betrekking tot het risico van ijsvorming op vliegtuigrompen) op een wijze die regionaal ten minste een redelijke consistentie vertoont in de context van het type voorspelling waarin zij worden gebruikt. De meeste voorspellers begrijpen dat een term als “lichte ijsvorming” door een bemanning van een commerciële transportvliegtuig anders zal worden geïnterpreteerd dan door een particuliere piloot die zich afvraagt of hij in staat zal zijn zijn geplande vlucht zonder ijsvorming uit te voeren. Daarom worden voorspellingen van ijsvorming op laag niveau meestal zo gepresenteerd dat zij specifiek toegankelijk zijn voor piloten van lichte vliegtuigen die kwetsbaar zijn voor de gevolgen van eventuele ijsvorming. In de voorspellingen die in de eerste plaats voor het commerciële luchtvervoer worden opgesteld, worden echter gematigde en ernstige ijsvorming gebruikt in termen die de waarschijnlijke betekenis ervan weergeven voor vliegtuigen die gecertificeerd zijn voor routinevluchten in “ijsomstandigheden” omdat zij zijn uitgerust met passende ijsbestrijdingssystemen. Dit gebruik van voorspellingen op een hoger niveau door de algemene luchtvaart kan leiden tot misverstanden over de te verwachten ijsvorming en soms tot een ongeschikte vluchtplanning. Het punt is dat de relatieve voorspellingen van de ernst van de ijsvorming geen rekening kunnen houden met de gebruiker en het vliegtuig waarmee hij vliegt, zodat de interpretatie van de voorspellingen evenzeer een kwestie van beoordeling is als het controleren van de schijnbare ijsvorming in de lucht.

Met al het bovenstaande voorbehoud, kan een korte blik op de gebruikelijke “beschrijvingen” en “definities” van ijsvorming die door voorspellers worden gebruikt, nog steeds nuttig zijn. De beschrijvingen gaan er alle van uit dat een vliegtuig gecertificeerd is voor “vliegen in ijsomstandigheden”.

Light Icing wordt vaak omschreven als omstandigheden zodanig dat “geen wijziging van koers of hoogte noodzakelijk is en geen verlies van luchtsnelheid optreedt. Het is door sommigen nauwkeuriger gedefinieerd als een hoeveelheid ijsafzetting per uur op de buitenvleugel van 0,25 inch tot 1 inch (0,6 tot 2,5 cm).
Matige ijsafzetting is typisch omschreven als ijsafzetting die blijft toenemen, maar niet met een snelheid die voldoende is om de veiligheid van de vlucht te beïnvloeden, tenzij het voor een langere periode aanhoudt, maar de luchtsnelheid kan verloren gaan. Een definitie gebaseerd op een ijsafzettingssnelheid per uur op de buitenvleugel van 1 tot 3 inch (2,5 tot 7.5 cm)
Severe Icing is op verschillende manieren omschreven als ijsafzetting:
- waarbij ofwel de ijsafzetting ofwel de ijsaccumulatie de tolerantie van het vliegtuig overschrijdt;
- die zich blijft opbouwen en de prestaties en wendbaarheid van een vliegtuig ernstig begint te beïnvloeden;
- met een zodanige snelheid dat ijsbeschermingssystemen er niet in slagen de ijsaccumulatie te verwijderen en ijs zich ophoopt op plaatsen die normaal niet vatbaar zijn voor ijsafzetting;
- zodanig dat een onmiddellijke exit uit de toestand noodzakelijk is om volledige controle over het vliegtuig te behouden.

Het wordt algemeen aanvaard dat, hoewel de certificatie van vliegtuigen voor het vliegen in ijsomstandigheden zelden vermelde beperkingen inhoudt, geen enkel vliegtuig wordt goedgekeurd voor het vliegen in ernstige ijsomstandigheden, en dat ernstige ijsomstandigheden zich bij elke ijsaccumulatiesnelheid kunnen voordoen.

In Noord-Amerika worden de termen helder, rijp of gemengd vaker gebruikt in voorspellingsmateriaal dan elders en worden ze zowel bedoeld als genomen als een benadering voor druppelgrootte ongeacht andere factoren zoals temperatuur en vloeibaar watergehalte. In dit gebruik duidt een voorspelling van rime icing op kleinere druppelgroottes en een voorspelling van mixed of clear icing op grotere druppelgroottes, maar met slechts een vage en ongedefinieerde grens tussen de twee.

Ten slotte is een “schoon luchtvaartuig” bij rotatie een essentiële vereiste voor het vliegen in of naar ijsomstandigheden voor die luchtvaartuigen die daartoe zijn goedgekeurd. Dit wordt bereikt door het gebruik van geschikte grondontdooiings- of anti-ijsvloeistoffen die een voldoende lange wachttijd hebben voor de heersende omstandigheden. IJsbestrijding wordt bijna altijd bereikt met verdikte vloeistoffen die zich aan het vliegtuigromp hechten en vervolgens tijdens het opstijgen geleidelijk afschuiven, zodat bij 100 KIAS alle vloeistoffen zijn afgeworpen. Er is geen goedgekeurde vloeistofbescherming tegen aanvriezende regen of motregen en dus is vertrek in deze omstandigheden over het algemeen niet mogelijk.

In-Flight Icing
Icing – Collection Efficiency
Aircraft and In Flight Icing Risks
Piston Engine Induction Icing
Freezing Rain
Cumulonimbus (Cb)
Aircraft Ground De/Anti-IJsafzetting
Vliegtuig ijsbeschermingssystemen
Ijskristalafzetting op hoog niveau: Effecten op motoren

Verder lezen

Uittreksel uit 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, januari 2015

SKYbrary Wiki