Formacja lodu na samolotach

Informacja o artykule
Kategoria:	Weather
Źródło treści:	SKYbrary	About SKYbrary
Kontrola treści:	About SKYbrary	About SKYbrary

Tag(s)

Oblodzenie

Opis

Ten artykuł ma na celu omówienie podstaw tworzenia się lodu na samolotach i we wlotach powietrza do ich silników. Nie uwzględniono w nim tworzenia się szronu, który powstaje w wyniku sublimacji, czyli procesu, w którym para wodna zamarza bezpośrednio na powierzchniach o temperaturze poniżej zera. Z tym wyjątkiem, że tworzenie się lodu na zewnętrznej powierzchni statku powietrznego lub na powierzchniach wlotów powietrza do silników wymaga uderzenia kropel ciekłej wody w daną powierzchnię. Zazwyczaj ta wilgoć musi być przechłodzona, co oznacza, że musi być w postaci ciekłej poniżej 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R . Istnieje kilka szczególnych wariantów tego ogólnego scenariusza, które zostaną rozważone później:

problemy związane z różnicą między temperaturą poszycia samolotu a temperaturą powietrza, przez które samolot przechodzi, przechodził lub będzie przechodził, szczególnie podczas wznoszenia i opadania oraz w zakresie temperatur +/-10 stopni Celsjusza;
problemy wynikające z różnicy temperatur i/lub ciśnienia między powietrzem otaczającym a powietrzem we wlotach powietrza do silnika, najczęściej obniżenie ciśnienia powietrza lub wzrost temperatury powietrza.

Olód z przechłodzonej wilgoci

Olód gromadzący się na zewnętrznych częściach samolotu jest najczęściej wynikiem oddziaływania na ten samolot przechłodzonych kropelek wody o różnych rozmiarach. Może się to zdarzyć w chmurze lub podczas przelotu przez opady atmosferyczne. Powodem, dla którego kropelki wody nie zamarzają natychmiast po spadku temperatury otoczenia poniżej 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R jest uwolnienie ciepła utajonego, gdy woda zmienia stan skupienia na lód. Wydziela się tak dużo ciepła utajonego, że zmiana stanu skupienia jest spowolniona i następuje stopniowo w miarę obniżania się temperatury. Trwa to do momentu, gdy w temperaturze około -20°C-4°F 253,15 K 455,67°R większość przechłodzonej wody zamieni się w lód. Ziarna lodu, które już w pełni się uformowały i są suche, w momencie uderzenia w samolot nie przylegają do niego, lecz po prostu odbijają się od niego. Dlatego można oczekiwać, że względna dotkliwość akrecji lodu będzie się stopniowo zmniejszać wraz ze spadkiem temperatury otoczenia poniżej 0°C32°F 273,15 K 491,67 °R , tak że poniżej -20°C-4°F 253,15 K 455,67 °R ryzyko akrecji pozostaje niewielkie, jeśli w ogóle istnieje. Dwa czynniki są ważne w odniesieniu do przechłodzonych kropelek wody:

rozległość ich obecności, która wpłynie na szybkość jakiejkolwiek akrecji lodu; oraz
ich wielkość, która wpłynie na dotkliwość tej akrecji poprzez negatywny wpływ na jej szybkość.

Zarówno ilość, jak i rozmiary kropel przechłodzonej wody w chmurze są największe w temperaturach tuż poniżej 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R i obie zmniejszają się wraz ze spadkiem temperatury. Rozmiar przechłodzonych kropli wody jest bardzo ważny w odniesieniu do potencjału indukowania akrecji lodu. Większe kropelki mają większą bezwładność i mniejszy wpływ na przepływ powietrza wokół samolotu niż mniejsze kropelki, więc będą oddziaływać na większą powierzchnię samolotu niż mniejsze kropelki. Ma to miejsce zwłaszcza w przypadku przepływu powietrza w locie wokół krawędzi natarcia skrzydeł i usterzenia nośnego. To właśnie większe krople wytwarzają lód przezroczysty lub szklisty, który jest uznawany za formę lodu budzącą największe obawy i często najtrudniejszą do wykrycia wizualnie.

Chmury i przechłodzona wilgoć

Większość przechłodzonych kropelek w chmurach ma średnicę od 1 mikrona (0,001 mm) do 50 mikronów (0,05 mm). (Dla porównania, grubość przeciętnego ludzkiego włosa wynosi około 100 mikronów). Chmury warstwowe (stratiform) zazwyczaj zawierają średnie średnice kropel do 40 mikronów. Pionowo rozwinięte (cumuliform) chmury o umiarkowanej skali zwykle mają średnie średnice kropel do 50 mikronów (0,05 mm), ale duże chmury Cumulonimbus (Cb) często zawierają znacznie więcej ciekłej wody, w tym duże ilości w kroplach o średnicach do i powyżej 100 mikronów (0,1 mm).

Mroźny deszcz i marznąca mżawka

Krople opadów, które są poza chmurą są znacznie większe niż te wewnątrz chmury i jeśli są przechłodzone, są opisywane jako tworzące marznącą mżawkę, gdzie krople mają średnicę od 50 do 500 mikronów (0.05mm do 0.5mm) i marznący deszcz, gdzie średnica kropel przekracza 500 mikronów (0.5mm). Zamarzający deszcz często ma znacznie większe kropelki o średnicy 2 mm lub więcej, chociaż jeśli ich średnica znacznie przekroczy 6 mm, będą miały tendencję do rozpadania się.

Deszcz marznący pod chmurą tworzy się, gdy kropelki deszczu są przechłodzone przez przejście przez warstwę powietrza o temperaturze poniżej zera. Ponieważ temperatura powietrza zwykle wzrasta wraz z wysokością, marznący deszcz oznacza istnienie inwersji temperatury powietrza. Takie warunki mogą występować poniżej postępującego frontu ciepłego lub okluzji ciepłej, gdzie stosunkowo ciepła masa powietrza zalega nad zimniejszym powietrzem. Występowanie marznącego deszczu zwykle oznacza, że powyżej będzie cieplejsze powietrze (powyżej 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R ).

Mniejsze przechłodzone kropelki marznącej mżawki mogą również tworzyć się w ten sposób, ale ogólnie uważa się, że częściej powstają one w innym procesie zwanym procesem kolizji-koalescencji. Gdy w wyniku kondensacji niektóre kropelki w chmurze osiągną średnicę około 30 mikrometrów, zaczynają się osadzać, opadając na tyle szybko, że zderzają się z mniejszymi kropelkami. Jeśli kropelki następnie połączą się, powstaje większa kropelka, która ma teraz jeszcze większe szanse na „przechwycenie” mniejszych kropel. W sprzyjających warunkach, proces ten może wytworzyć krople wielkości mżawki w superchmurze, zazwyczaj w pobliżu szczytu, gdzie zazwyczaj znajdują się największe krople w każdej chmurze. Zebrane dane są różne, ale niektóre badania donoszą, że marznąca mżawka w chmurach nie konwekcyjnych powstaje w ponad 80 procentach przypadków w wyniku procesu kolizji i koalescencji. Tak więc, co ważne, w przypadku marznącej mżawki nie można zakładać, że cieplejsze powietrze (powyżej 0°C32°F 273,15 K 491,67°R ) będzie nad nią występować.

Szerokość oblodzenia

Termin „srogość oblodzenia” dotyczy zasadniczo tempa, w jakim następuje znacząca akrecja lodu. Dotychczasowe opisy przechłodzonych kropelek wody dotyczyły ich wielkości. Te porównawcze średnice są ważne – typowe kropelki mżawki mają średnicę 10 razy większą niż typowe kropelki chmury, a typowe kropelki deszczu mają średnicę 100 razy większą niż typowe kropelki chmury. Rozmiar opisany przez średnicę nie jest jednak tym, co ma największe znaczenie, jeśli chodzi o potencjał akrecji lodu w wyniku zderzenia. Tym, co naprawdę robi różnicę jest objętość (lub masa) wody zawartej w kropli, ponieważ to właśnie ona kontroluje ilość wody, która uderzy w samolot, a także to, jak daleko za punktem stagnacji przepływu powietrza, przed powierzchnią krawędzi prowadzącej, kropelki uderzą w samolot. Ten ostatni punkt ma duże znaczenie, ponieważ duże krople mogą uderzyć daleko poza krawędzie prowadzące w obszarach, które nie są oblodzone lub oblodzone i mogą również zamienić się w lód, gdy płyną w kierunku rufy w kontakcie z powierzchnią początkowo uderzoną.

Należy zauważyć, że objętość kropli nie jest proporcjonalna do jej średnicy, ale w przybliżeniu do sześcianu połowy średnicy (tj. promienia). Dlatego, jeśli 20 mikronów (0,02 mm) jest brane jako typowa średnica kropli chmury, a 2000 mikrometrów (2 mm) jest brane jako typowa średnica kropli marznącego deszczu, to chociaż średnice tych kropli różnią się tylko o współczynnik 100, ich objętość, a więc ich masa, różni się o współczynnik rzędu 1 000 000.

To właśnie ta ogromnie większa masa przechłodzonych kropel wody w opadach marznących w porównaniu z tymi w chmurze, nawet w chmurze cumulonimbus, wyklucza jakikolwiek statek powietrzny podejmujący znaczny okres długotrwałego lotu – a w większości przypadków jakiegokolwiek lotu – w opadach marznących bez chmury.

Różnice między temperaturą otoczenia a temperaturą skóry statku powietrznego

Istnieje szereg czynników, które zmieniają skłonność do osadzania się lodu na statku powietrznym:

Gdy jakikolwiek statek powietrzny porusza się w powietrzu, wypadkowa siła kinetyczna wynikająca zarówno ze ściskania w punktach przeszkody powietrznej, jak i tarcia na powierzchniach przejścia powietrza, podnosi temperaturę skóry statku powietrznego powyżej temperatury otaczającego powietrza w pobliżu. Obliczono, że stopień, w jakim to występuje, a tym samym jego znaczenie dla tworzenia się lodu, jest wprost proporcjonalny do kwadratu 1/100 x rzeczywista prędkość lotu w węzłach. Piloci będą świadomi wynikającej z tego różnicy pomiędzy SAT i TAT, która może być obserwowana jako zwiększająca się wraz z prędkością, ponieważ efekt wzrostu rzeczywistej prędkości lotu jest większy niż przeciwny efekt spadku gęstości powietrza.
Jeśli samolot wznosi się w zimniejsze powietrze i zamrożone lub półzamrożone osady spoczywają na górnych powierzchniach skrzydeł lub poziomych powierzchniach płatów ogonowych lub w związanych z nimi szczelinach zawiasów sterowania lotem, istnieje możliwość, że osady te mogą całkowicie zamarznąć i przyczepić się do płatowca in situ. Zwykle jednak będzie to stanowiło istotny problem tylko wtedy, gdy wznoszenie odbywa się jednocześnie w warunkach mogących spowodować niezależne tworzenie się znacznej ilości lodu.
Gdy statek powietrzny zniża się z dużej wysokości, wzrost temperatury powierzchni konstrukcji w miarę ogrzewania się otaczającego powietrza będzie prawdopodobnie opóźniony w stosunku do wzrostu temperatury otaczającego powietrza, zwłaszcza w przypadku skrzydeł używanych jako zbiorniki paliwa, które nadal zawierają znaczną ilość paliwa. Dotyczy to w szczególności sytuacji, gdy paliwo jest „tankowane” w celu użycia w następnym sektorze lotu, a nie odbierane w początkowym miejscu przeznaczenia. Znaczenie paliwa polega na jego tendencji do powracania do temperatury po uprzednim wygrzaniu wolniej niż struktura, w której się znajduje. Jednym ze szczególnych skutków tego zjawiska jest tworzenie się „lodu paliwowego” na dolnej powierzchni skrzydła, ponieważ w tym miejscu zimne paliwo ma bezpośredni kontakt ze strukturą skrzydła. Taki czysty lód jest często nadal obecny podczas kolejnego zawracania, nawet gdy OAT wynosi kilka stopni powyżej zera.

Oblodzenie wlotu powietrza do silnika

Wszystkie samoloty certyfikowane do lotów w warunkach oblodzenia są wyposażone w systemy przeciwoblodzeniowe. Zapobiegają one oblodzeniu wargi wlotu powietrza i łopatek kierownicy poprzez zastosowanie elektrycznie ogrzewanych mat, gorącego oleju silnikowego w obiegu lub powietrza upustowego usuwanego z silnika. Jednak w dalszej części wlotu powietrza lód może tworzyć się w niezabezpieczonych obszarach, nawet jeśli samolot nie lata w warunkach oblodzenia zgodnie z obecną definicją do celów certyfikacji silnika. Istnieją dwie takie okoliczności: chłodzenie wilgotnego powietrza powyżej temperatury zamarzania przez obniżenie ciśnienia w silnikach tłokowych oraz topnienie kryształów lodu, które są ogrzewane po wejściu do silników turbinowych.

W pierwszym przypadku wilgotne powietrze wchodzące do wlotu silnika tłokowego w temperaturze powyżej 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R jest następnie przyspieszane przez efekt zasysania przez zmniejszony kanał. Ten efekt „venturi” obniża jego temperaturę powodując wykraplanie się wilgoci i wytrącanie jej na ściankach kanału powietrznego w postaci lodu. Zobacz Oblodzenie indukcyjne silnika tłokowego, aby uzyskać więcej szczegółów. W tym artykule opisano również dwa inne rodzaje oblodzenia indukcyjnego występujące w silnikach tłokowych.

W drugim przypadku duże zagęszczenie bardzo małych kryształków lodu w bardzo zimnym powietrzu na dużych wysokościach jest wchłaniane przez turbiny gazowe o wysokim stopniu obejścia. Następnie albo tymczasowo zamarzają i odrywają się jako większe kawałki lodu, powodując zakłócenia w przepływie powietrza w silniku, albo powodują uszkodzenia mechaniczne jako kawałki lodu lub poprzez dyskretne przepływy ciekłej wody. Dalsze informacje można znaleźć w części Oblodzenie kryształami lodu wysokiego poziomu: Effects on Engines.

Prognozy oblodzenia

Nie istnieją definicje bezwzględnej ciężkości oblodzenia w prognozowaniu lotniczym. Jednak kwalifikacje względne: lekkie, umiarkowane i poważne są na ogół stosowane (tylko w odniesieniu do ryzyka oblodzenia płatowca) w sposób, który ma co najmniej rozsądną spójność regionalną w kontekście rodzaju prognozy, w której są stosowane. Większość prognostyków rozumie, że termin taki jak „lekkie oblodzenie” będzie interpretowany zupełnie inaczej przez załogę samolotu w transporcie komercyjnym i przez prywatnego pilota, który zastanawia się, czy prawdopodobnie będzie w stanie wykonać zaplanowany lot bez oblodzenia. W związku z tym prognozy dotyczące oblodzenia na niskim poziomie są zazwyczaj przedstawiane w taki sposób, aby były dostępne szczególnie dla pilotów lekkich samolotów podatnych na skutki oblodzenia. Jednak w prognozach przedstawianych głównie dla komercyjnego transportu lotniczego, umiarkowane i poważne oblodzenia będą używane w terminach odzwierciedlających ich prawdopodobne znaczenie dla statków powietrznych, które są certyfikowane do rutynowych lotów w „warunkach oblodzenia”, ponieważ są wyposażone w odpowiednie systemy ochrony przed oblodzeniem. Wykorzystywanie przez lotnictwo ogólne prezentacji prognoz na wyższym poziomie może powodować nieporozumienia dotyczące warunków oblodzenia, których można się spodziewać, a czasami prowadzić do niewłaściwego planowania lotów. Chodzi o to, że względne prognozy nasilenia oblodzenia nie mogą uwzględniać i nie uwzględniają ich użytkownika i statku powietrznego, którym leci, więc interpretacja prognoz jest w takim samym stopniu kwestią oceny, jak monitorowanie widocznej rzeczywistości oblodzenia po wejściu w powietrze.

Przy wszystkich powyższych zastrzeżeniach, krótkie spojrzenie na zwykłe „opisy” i „definicje” warunków oblodzenia używane przez prognostyków może nadal być pomocne. Wszystkie opisy zakładają, że statek powietrzny jest certyfikowany do „lotu w warunkach oblodzenia”.

Lekkie oblodzenie jest często opisywane jako warunki, w których „nie jest konieczna zmiana kursu lub wysokości i nie występuje utrata prędkości lotu”. Przez niektórych zostało ono bardziej rygorystycznie zdefiniowane jako szybkość narastania lodu na godzinę na skrzydle zewnętrznym pomiędzy 0,25 cala a 1 cal (0,6 do 2,5 cm).
Umiarkowane oblodzenie jest zwykle opisywane jako narastanie lodu, które nadal się zwiększa, ale nie w tempie wystarczającym, aby wpłynąć na bezpieczeństwo lotu, chyba że trwa przez dłuższy czas, ale prędkość powietrza może zostać utracona. Definicja oparta na szybkości narastania lodu na godzinę na skrzydle zewnętrznym wynoszącej od 1 do 3 cali (2,5 do 7. 5 cm)

.5 cm)

Silne oblodzenie było różnie opisywane jako akrecja lodu:
- w której albo szybkość oblodzenia, albo akumulacja lodu przekracza tolerancję statku powietrznego;
- która kontynuuje narastanie i zaczyna poważnie wpływać na osiągi i manewrowość statku powietrznego;
- w tempie takim, że systemy ochrony przed oblodzeniem nie są w stanie usunąć nagromadzonego lodu, a lód gromadzi się w miejscach normalnie niepodatnych na oblodzenie;
- takim, że konieczne jest natychmiastowe wyjście ze stanu, aby zachować pełną kontrolę nad statkiem powietrznym.

Ogólnie przyjmuje się, że chociaż certyfikacja statku powietrznego do lotu w warunkach oblodzenia rzadko obejmuje jakiekolwiek stwierdzone ograniczenia, żaden statek powietrzny nie jest zatwierdzony do lotu w ciężkich warunkach oblodzenia, oraz że ciężkie warunki oblodzenia mogą wystąpić przy każdej szybkości akumulacji lodu.

W Ameryce Północnej terminy clear, rime lub mixed są częściej używane w materiałach prognostycznych niż gdzie indziej i są zarówno zamierzone, jak i przyjmowane jako przybliżenie wielkości kropel niezależnie od innych czynników, takich jak temperatura i zawartość wody w stanie ciekłym. W tym zastosowaniu prognoza oblodzenia szronowego wskazuje na mniejsze rozmiary kropel, a prognoza oblodzenia mieszanego lub bezchmurnego wskazuje na większe rozmiary kropel, ale tylko z niejasną i nieokreśloną granicą między nimi.

Wreszcie, „czysty statek powietrzny” podczas rotacji jest zasadniczym wymogiem dla lotów w warunkach oblodzenia lub do oblodzenia dla tych statków powietrznych, które zostały tak zatwierdzone. Osiąga się to przez stosowanie odpowiednich płynów odladzających lub przeciwoblodzeniowych, których czas utrzymywania się na powierzchni jest wystarczający dla panujących warunków. Ochrona przeciwoblodzeniowa jest prawie zawsze osiągana za pomocą zagęszczonych płynów, które przylegają do płatowca, a następnie stopniowo odrywają się podczas rolki startowej, tak że wszystkie płyny zostają usunięte do 100KIAS. Nie ma zatwierdzonej ochrony płynów przed zamarzającym deszczem lub marznącą mżawką i dlatego odlot w takich warunkach jest generalnie niemożliwy.

Oblodzenie w locie
Oblodzenie – Sprawność zbierania
Ryzyko oblodzenia samolotu i w locie
Oblodzenie indukcyjne silnika tłokowego
Mroźny deszcz
Cumulonimbus (Cb)
Oblodzenie naziemne samolotu
Oblodzenie naziemne/antyOblodzenie
Systemy ochrony statków powietrznych przed oblodzeniem
Oblodzenie kryształami lodu wysokiego poziomu: Effects on Engines

SKYbrary Wiki