Formação de gelo em aeronaves

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Este artigo tem como objectivo abordar os princípios básicos da formação de gelo nas aeronaves e nas entradas de ar dos seus motores. Ele não considera a formação de gelo que é criado pela sublimação, o processo pelo qual o vapor de água congela diretamente sobre superfícies sub zero. Com esta excepção, a formação de gelo ligado à superfície externa de uma aeronave ou às superfícies dentro das entradas de ar do seu motor, requer que as gotas de água líquida tenham impacto sobre a superfície envolvida. Normalmente, essa umidade deve ser super-refrigerada, ou seja, deve estar na forma líquida abaixo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Existem algumas variações específicas neste cenário geral que serão consideradas mais tarde:

questões relacionadas com a diferença entre a temperatura da pele da aeronave e a temperatura do ar através do qual ela está, esteve ou estará passando, especialmente durante a subida e descida e na faixa de temperatura +/-10 graus Celsius;
questões relacionadas com a diferença de temperatura e/ou pressão entre o ar ambiente e o ar dentro das entradas de ar do motor, na maioria das vezes reduções na pressão do ar ou aumentos na temperatura do ar.

Ice from Supercooled Moisture

Ice que acreta nas partes externas de uma aeronave é na maioria das vezes o resultado do impacto de gotas de água super refrigeradas de vários tamanhos naquela aeronave. Isto pode acontecer dentro da nuvem ou ao voar através da precipitação. A razão pela qual as gotículas de água não congelam todas assim que a temperatura ambiente cai abaixo de 0°C32 °F 273.15 K 491.67 °R é a libertação de calor latente à medida que a água muda de estado para gelo. Tanto calor latente é liberado que a mudança de estado é desacelerada de forma que ocorre progressivamente à medida que a temperatura continua a cair. Isto continua até que, por cerca de -20°C-4 °F 253.15 K 455.67 °R , a maior parte da água super-refrigerada se transformou em gelo. Os grãos de gelo que já se formaram completamente e que estão secos quando impactam uma aeronave não aderem, mas simplesmente saltam. Portanto, pode-se esperar que a gravidade relativa do acreção de gelo diminua progressivamente à medida que a temperatura ambiente diminui abaixo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R para que o risco de acreção permaneça baixo de -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R . Dois fatores são importantes em relação às gotas de água super-resfriadas:

a extensão de sua presença, que afetará a taxa de qualquer acreção de gelo; e
o seu tamanho, que afetará a severidade dessa acreção, influenciando adversamente a sua taxa.

A quantidade e o tamanho das gotas de água super-refrigeradas na nuvem são maiores a temperaturas abaixo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R e ambos diminuem conforme a temperatura cai. O tamanho das gotas de água super-refrigeradas é muito importante em relação ao potencial de induzir acreção de gelo. Gotas maiores têm maior inércia e são menos influenciadas pelo fluxo de ar ao redor da aeronave do que gotas menores, de modo que elas irão incidir em mais da superfície da aeronave do que gotas menores. Este é especialmente o caso em relação ao fluxo de ar em vôo ao redor da borda dianteira das asas e do empenamento. Também são as gotas maiores que produzem gelo transparente ou glazeado que é bem reconhecido como a forma de gelo mais preocupante e é frequentemente também a mais difícil de detectar visualmente.

Clouds and Supercooled Moisture

A maioria das gotas super refrigeradas nas nuvens estão entre 1 mícron (0,001mm) e 50 mícron (0,05 mm) de diâmetro. (Para comparação, a espessura média do cabelo humano é de aproximadamente 100 microns). As camadas (estratiformes) de nuvens normalmente contêm diâmetros médios de gotas de até 40 microns. Nuvens desenvolvidas verticalmente (cumuliformes) de escala moderada têm tipicamente diâmetros médios de gotas de até 50 microns (0,05mm), mas grandes nuvens Cumulonimbus (Cb) geralmente contêm muito mais água líquida, incluindo grandes quantidades em gotas com diâmetros de até e acima de 100 microns (0,1mm).

Freezing Rain and Freezing Drizzle

Gotas de precipitação que estão livres de nuvens são muito maiores do que aquelas dentro das nuvens e, se forem super-refrigeradas, são descritas como criando Freezing Drizzle onde as gotas têm um diâmetro entre 50 e 500 microns (0.05mm e 0.5mm) e Freezing Rain onde as gotas excedem 500 microns (0.5mm) de diâmetro. Chuva Congelada Muitas vezes tem gotas muito maiores de 2mm de diâmetro ou mais, embora se elas ficarem muito além de 6mm de diâmetro, elas tenderão a quebrar.

Freezeing rain below cloud forms quando as gotas de chuva são super refrigeradas pela passagem através de uma camada de ar que tem uma temperatura abaixo de zero. Como a temperatura do ar normalmente aumenta à medida que a altitude diminui, a chuva gelada implica a existência de uma inversão da temperatura do ar. Tais condições podem ocorrer abaixo de uma frente quente que avança ou uma oclusão quente onde uma massa de ar relativamente quente ultrapassa o ar frio. A existência de chuva gelada normalmente significa que haverá ar mais quente (acima de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) acima.

As gotículas mais pequenas de chuvisco gelado também se podem formar desta forma, mas geralmente considera-se que elas surgem mais comumente por um processo diferente chamado processo de colisão-coalescência. Quando, através da condensação, algumas gotículas em uma nuvem crescem até aproximadamente 30 micrômetros de diâmetro, elas começam a se assentar, caindo rápido o suficiente para que colidam com algumas gotículas menores. Se as gotículas então coalescem, uma gotícula maior é produzida e isso agora tem uma chance ainda maior de ‘capturar’ gotículas menores. Sob condições favoráveis, este processo pode produzir gotas de tamanho chuvisco em uma nuvem super resfriada, geralmente perto do topo, onde as gotas maiores geralmente são encontradas em qualquer nuvem. A captura de dados tem variado, mas alguns estudos relatam que o congelamento de gotas em nuvens não-convectivas forma mais de 80% do tempo pelo processo de colisão-coalescência. Portanto, importante, quando em chuvisco de congelamento, não se pode assumir que ar mais quente (acima de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) existirá acima dele.

Icing Severity

O termo ‘icing severity’ (gravidade do gelo) é essencialmente sobre a taxa na qual ocorre acreção significativa de gelo. As descrições das gotas de água super-refrigeradas até agora têm sido em termos do seu tamanho. Estes diâmetros comparativos são importantes – as gotas de chuva típicas têm um diâmetro 10 vezes maior do que as gotas de nuvens típicas e as gotas de chuva típicas têm um diâmetro 100 vezes maior do que as gotas de nuvens típicas. O tamanho descrito pelo diâmetro não é, no entanto, o mais importante em termos do potencial de acreção de gelo através do impacto. O que realmente faz a diferença é o volume (ou massa) de água contida em uma gota, já que é isso que controla a quantidade de água que irá impactar a aeronave e também o ponto de estagnação do fluxo de ar à frente de uma superfície de ponta que as gotículas irão atingir a aeronave. Este último ponto é de considerável importância uma vez que grandes gotículas podem impactar muito além das bordas dianteiras em áreas que não são anti-gelo ou de gelo e também podem se transformar em gelo à medida que fluem à popa em contato com a superfície inicialmente atingida.

É importante notar que o volume de uma gota não é proporcional ao seu diâmetro, mas aproximadamente ao cubo de metade do diâmetro (ou seja, o raio). Portanto, se 20 microns (0,02 mm) são tomados como diâmetro típico de uma gota de nuvem e 2000 micrômetros (2 mm) são tomados como diâmetro típico de uma gota de chuva gelada, então embora os diâmetros dessas gotas diferem por um fator de apenas 100, seu volume, e portanto sua massa, diferem por um fator que é da ordem de 1.000.000.

É esta massa muito maior de gotas de água super-refrigeradas em precipitação de congelamento em comparação com as que se encontram nas nuvens, mesmo na nuvem de cumulonimbus, o que impede qualquer aeronave de realizar um período significativo de voo sustentado – e, na maioria dos casos, qualquer voo – em precipitação de congelamento livre de nuvens.

Diferenças entre a temperatura ambiente e a temperatura da pele da aeronave

Existem vários factores que variam a propensão do gelo a acumular-se numa aeronave:

Quando qualquer aeronave se move através do ar, a resultante cinética cardíaca devido tanto à compressão nos pontos de obstrução do ar como ao atrito nas superfícies de passagem do ar eleva a temperatura da pele da aeronave acima da do ar ambiente nas proximidades. A medida em que isto ocorre, e portanto a sua importância para a formação de gelo, foi calculada para ser directamente proporcional ao quadrado de 1/100 x a verdadeira velocidade do ar em nós. Os pilotos estarão cientes da consequente diferença entre SAT e TAT que pode ser observada para aumentar com a velocidade, uma vez que o efeito do aumento da verdadeira velocidade do ar é maior do que o efeito oposto da diminuição da densidade do ar.
Se uma aeronave estiver subindo em ar mais frio e depósitos congelados ou semi-congelados estiverem repousando nas superfícies superiores das asas ou nas superfícies horizontais da cauda do avião ou em espaços de dobradiças de controle de vôo relacionadas, existe a possibilidade de que esses depósitos possam congelar completamente e se fixar à estrutura da aeronave in situ. No entanto, isto normalmente só será um problema significativo se a subida for feita concomitantemente em condições susceptíveis de produzir um aumento significativo de gelo independentemente.
Quando uma aeronave está a descer de uma altitude elevada, o aumento da temperatura da superfície da estrutura à medida que o ar ambiente aquece é susceptível de ficar atrás do aumento da temperatura do ar ambiente, especialmente no caso das asas utilizadas como tanques de combustível que ainda contêm uma quantidade significativa de combustível. Isto aplicar-se-á especialmente quando o combustível é “tanque” para utilização no próximo sector de voo, em vez de ser elevado no destino inicial. O significado do combustível é a sua tendência para que a temperatura recupere mais lentamente do que a estrutura que o contém. Um efeito particular disto é a formação de ‘gelo de combustível’ na superfície inferior de uma asa porque é aqui que o combustível frio está em contato direto com a estrutura da asa. Tal gelo claro ainda está frequentemente presente durante a rotação subsequente, mesmo quando o OAT está vários graus acima do congelamento.

Engine Air Inlet Icing

Todas as aeronaves certificadas para voo em condições de gelo estão equipadas com sistemas anti-congelamento. Estes previnem a formação de lábio de admissão de ar e palhetas guia de gelo pelo uso de tapetes aquecidos eletricamente, óleo de motor quente circulado ou ar de purga extraído do motor. Entretanto, mais adiante dentro de uma entrada de ar, o gelo pode se formar em áreas desprotegidas, mesmo quando uma aeronave não está voando em condições de gelo, conforme definido atualmente para fins de certificação do motor. Existem duas dessas circunstâncias: o arrefecimento do ar húmido acima da temperatura de congelação através da redução da pressão nos motores de pistão; e a fusão de cristais de gelo que são aquecidos depois de entrar nos motores de turbina.

No primeiro caso, o ar húmido que entra na admissão de um motor de pistão a uma temperatura acima de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R é então acelerado por um efeito de sucção através de um canal reduzido. Este efeito ‘venturi’ reduz a sua temperatura fazendo com que a carga de humidade se condense e seja precipitada nas paredes do canal de ar como gelo. Veja Piston Engine Induction Icing para mais detalhes. Este artigo também descreve dois outros tipos de gelo de indução que ocorrem em motores a pistão.

No segundo caso, altas densidades de cristais de gelo muito pequenos em ar muito frio e de alta altitude são ingeridos em turbinas de gás de alto bypass. Em seguida, eles congelam temporariamente e se soltam como pedaços maiores de gelo causando a interrupção do fluxo de ar do motor, ou causam danos mecânicos como pedaços de gelo ou através de fluxos discretos de água líquida. Para mais informações, consulte o High Level Ice Crystal Icing: Efeitos em motores.

Provisões de gelo

Não há definições para a gravidade absoluta do gelo na previsão de aviação. Contudo, as qualificações relativas leves, moderadas e severas são geralmente utilizadas (apenas no que diz respeito ao risco de formação de gelo na estrutura da aeronave) de uma forma que tenha pelo menos uma consistência razoável regionalmente no contexto do tipo de previsão em que são utilizadas. A maioria dos meteorologistas entende que um termo como “gelo leve” será interpretado de forma bastante diferente por uma tripulação de voo de transporte comercial e um piloto particular que se pergunta se é provável que eles sejam capazes de realizar o seu voo planeado livre de todas as condições de gelo. Como consequência, previsões de baixo nível de gelo são geralmente apresentadas de tal forma que são especificamente acessíveis aos pilotos de aeronaves leves vulneráveis aos efeitos de qualquer gelo. Entretanto, as previsões fornecidas principalmente para o transporte aéreo comercial usarão gelo moderado e severo em termos que refletem sua provável importância para as aeronaves que são certificadas para vôos de rotina em “condições de gelo” porque estão equipadas com sistemas apropriados de proteção contra o gelo. Esta utilização de apresentações de previsão de nível mais elevado pela aviação geral pode produzir mal-entendidos sobre as condições de gelo que podem ser esperadas e, por vezes, levar a um planeamento de voo inadequado. A questão é que as previsões relativas da gravidade do gelo não podem e não levam em conta seu usuário e a aeronave que estão voando, então a interpretação das previsões é tanto uma questão de julgamento quanto o monitoramento da realidade aparente do gelo uma vez no ar.

Com todas as advertências acima, uma breve olhada nas habituais ‘descrições’ e ‘definições’ das condições de gelo usadas pelos meteorologistas ainda pode ser útil. As descrições assumem todas que uma aeronave é certificada para “voo em condições de gelo”.

O gelo leve é muitas vezes descrito como condições tais que ‘nenhuma mudança de curso ou altitude é necessária e nenhuma perda de velocidade do ar ocorre’. Tem sido definido por alguns como uma taxa de acumulação de gelo por hora na asa exterior entre 0,25 e 1 polegada (0,6 a 2,5 cm).
O gelo moderado tem sido tipicamente descrito como acumulação de gelo que continua a aumentar mas não a um ritmo suficiente para afectar a segurança do voo, a menos que continue por um longo período de tempo, mas a velocidade do ar pode ser perdida. Uma definição baseada em uma taxa de acumulação de gelo por hora na asa externa de 1 a 3 polegadas (2,5 a 7).5 cm)
O gelo intenso tem sido descrito de forma variada como acreção de gelo:
- na qual a taxa de formação de gelo ou acumulação de gelo excede a tolerância da aeronave;
- que continua a construir e começa a afectar seriamente o desempenho e manobrabilidade de uma aeronave;
- numa taxa tal que os sistemas de protecção de gelo não conseguem remover a acumulação de gelo e gelo acumulado em locais normalmente não propensos ao gelo;
- de tal forma que é necessária uma saída imediata da condição para manter o controlo total da aeronave.

É geralmente aceito que, embora a certificação da aeronave para voo em condições de gelo raramente inclua qualquer restrição declarada, nenhuma aeronave é aprovada para voo em condições de gelo severas, e que condições de gelo severas podem ocorrer em qualquer taxa de acúmulo de gelo.

Na América do Norte, os termos clear, rime ou mixed são mais frequentemente usados em material de previsão do que em qualquer outro lugar e são ambos destinados e tomados como um proxy para o tamanho da gota, independentemente de outros fatores, tais como temperatura e conteúdo de água líquida. Neste uso, uma previsão de gotas indica tamanhos de gotas menores e uma previsão de gotas mistas ou claras indica tamanhos de gotas maiores, mas com apenas um limite vago e indefinido entre os dois.

Finalmente, uma “aeronave limpa” em rotação é um requisito essencial para voar em ou em condições de gelo para aquelas aeronaves assim aprovadas. Isso é conseguido através do uso de líquidos apropriados para descongelamento do solo ou anti-congelamento que têm um tempo de retenção suficiente para as condições prevalecentes. O anticongelamento é quase sempre conseguido através de fluidos espessados que aderem à estrutura da aeronave e depois cisalham-se progressivamente durante a descolagem, de modo a que todos eles tenham sido derramados por 100KIAS. Não existe uma protecção aprovada contra a chuva gelada ou condições de chuvisco gelado e, por isso, a partida nelas não é geralmente possível.

Icing In-Flight Icing
Icing – Eficiência de Recolha
Risco de Corrente Aérea e em Vôo
Icing de Indução do Motor a Pistão
Chuva de Congelamento
Cumulonimbus (Cb)
Aircraft Ground De/Anti-Icing
Aircraft Ice Protection Systems
High Level Ice Crystal Icing: Efeitos nos Motores

Outras Leituras

Extracto da Carta de Segurança da Aviação Transport Canada 1/2007: The Adverse Aerodynamic Effects of Inflight Icing on Airplane Operation (Os Efeitos Adversos Aerodinâmicos da Ondulação de Aeronaves de Avião)
Manual de Ocasião, Versão 1 da Autoridade de Aviação Civil da Nova Zelândia
Apêndice C ‘Condições de Ocasião’ ao CFR 14 Parte 25, FAA, 2014
Uma Climatologia Europeia Inferida das Condições de Ocasião, Incluindo Gotas Grandes Super-refrigeradas, B. Bernstein, 2005

Conhecer as Operações Meteorológicas a Frio, Airbus, 2000

Treinamento de Contaminação de Superfície Crítica de Aeronaves para Tripulação Aérea e Tripulação de Terra, Transport Canada, 2004

Fenômenos Meteorológicos Perigosos: Alto Conteúdo de Água Gelada, Bureau of Meteorology Australia, janeiro 2015

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