SKYbrary Wiki

Informații despre articol
Categorie:	Vremea
Sursa conținutului:	SKYbrary
Controlul conținutului:	SKYbrary

WX

Tag(uri)

Gheață

Descriere

Acest articol își propune să abordeze elementele de bază ale formării gheții pe aeronave și în intrările de aer ale motoarelor acestora. El nu ia în considerare formarea înghețului care este creat prin sublimare, procesul prin care vaporii de apă îngheață direct pe suprafețe sub zero grade. Cu această excepție, formarea de gheață pe suprafața exterioară a unei aeronave sau pe suprafețele din prizele de aer ale motoarelor acesteia necesită ca picăturile de apă lichidă să lovească suprafața în cauză. De obicei, acea umezeală trebuie să fie supraîncălzită, ceea ce înseamnă că trebuie să fie în formă lichidă sub 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br />. Există câteva variații specifice în acest scenariu general, care vor fi analizate mai târziu:

• probleme legate de diferența dintre temperatura pielii aeronavei și temperatura aerului prin care trece, a trecut sau va trece, în special în timpul urcării și coborârii și în intervalul de temperatură de +/-10 grade Celsius;
• probleme care apar din cauza diferenței de temperatură și/sau de presiune dintre aerul ambiant și aerul din intrările de aer ale motoarelor, cel mai adesea reduceri ale presiunii aerului sau creșteri ale temperaturii aerului.

Gheața provenită de la umezeala supraîncălzită

Gheața care se acumulează pe părțile exterioare ale unei aeronave este cel mai adesea rezultatul impactului picăturilor de apă supraîncălzită de diferite dimensiuni asupra aeronavei respective. Acest lucru se poate întâmpla în interiorul norilor sau atunci când se zboară prin precipitații. Motivul pentru care picăturile de apă nu îngheață toate imediat ce temperatura ambiantă scade sub 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br /> este eliberarea de căldură latentă pe măsură ce apa își schimbă starea în gheață. Se eliberează atât de multă căldură latentă încât schimbarea de stare este încetinită, astfel încât are loc progresiv, pe măsură ce temperatura continuă să scadă. Acest lucru continuă până când, la aproximativ -20°C-4 °F <br />253,15 K <br />455,67 °R <br />, cea mai mare parte a apei supraîncălzite s-a transformat în gheață. Boabele de gheață care s-au format deja complet și sunt uscate în momentul impactului cu un avion nu aderă, ci pur și simplu ricoșează. Prin urmare, se poate aștepta ca gravitatea relativă a acumulării de gheață să scadă progresiv pe măsură ce temperatura ambiantă se reduce sub 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br /> astfel încât riscul de acumulare de gheață rămâne mic, dacă nu chiar nul, sub -20°C-4 °F <br />253,15 K <br />455,67 °R <br />. Doi factori sunt importanți în ceea ce privește picăturile de apă supraîncălzită:

1. dimensiunea prezenței lor, care va afecta viteza oricărei acumulări de gheață; și
2. dimensiunea lor, care va afecta severitatea acestei acumulări prin influențarea negativă a vitezei sale.

Atât cantitatea cât și dimensiunile picăturilor de apă supraînghețată din nori sunt cele mai mari la temperaturi imediat sub 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br />și ambele scad odată cu scăderea temperaturii. Dimensiunea picăturilor de apă supraîncălzită este foarte importantă în ceea ce privește potențialul de a induce acreția de gheață. Picăturile mai mari au o inerție mai mare și sunt mai puțin influențate de fluxul de aer din jurul aeronavei decât picăturile mai mici, astfel încât acestea vor lovi mai mult din suprafața aeronavei decât picăturile mai mici. Acest lucru este valabil în special în ceea ce privește fluxul de aer în zbor în jurul marginii de atac a aripilor și a empenajului. De asemenea, picăturile mai mari sunt cele care produc gheață transparentă sau glazură, care este bine recunoscută ca fiind forma de gheață cea mai îngrijorătoare și este adesea și cea mai dificil de detectat vizual.

Nori și umiditate supraîncălzită

Majoritatea picăturilor supraîncălzite din nori au un diametru cuprins între 1 micron (0,001 mm) și 50 microni (0,05 mm). (Pentru comparație, grosimea unui fir de păr uman mediu este de aproximativ 100 de microni). Norii stratificați (stratiformi) conțin de obicei diametre medii ale picăturilor de până la 40 de microni. Norii dezvoltați pe verticală (cumuliformi) de scară moderată au, de obicei, diametre medii ale picăturilor de până la 50 microni (0,05 mm), dar norii mari Cumulonimbus (Cb) conțin adesea mult mai multă apă lichidă, inclusiv cantități mari în picături cu diametre de până la și peste 100 microni (0,1 mm).

Ploaia înghețată și ploaia înghețată

Picăturile de precipitații care se află în afara norilor sunt mult mai mari decât cele din interiorul norilor și, dacă sunt supraîncălzite, sunt descrise ca creând o ploaie înghețată (Freezing Drizzle) în cazul în care picăturile au un diametru cuprins între 50 și 500 microni (0,05 mm și 0,5 mm) și o ploaie înghețată (Freezing Rain) în cazul în care picăturile au un diametru de peste 500 microni (0,5 mm). Ploaia înghețată are adesea picături mult mai mari, cu diametrul de 2 mm sau mai mult, deși dacă acestea depășesc cu mult diametrul de 6 mm, vor avea tendința de a se sparge.

Ploaia înghețată sub nori se formează atunci când picăturile de ploaie sunt supraînghețate prin trecerea printr-un strat de aer care are o temperatură sub zero grade. Deoarece temperatura aerului crește în mod normal pe măsură ce se reduce altitudinea, ploaia înghețată implică existența unei inversiuni de temperatură a aerului. Astfel de condiții pot apărea sub un front cald care avansează sau sub o ocluzie caldă, unde o masă de aer relativ caldă se suprapune peste aer mai rece. Existența ploii înghețate înseamnă, în mod normal, că deasupra va exista aer mai cald (peste 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br />).

Picăturile mai mici supraîncălzite din ploaia înghețată se pot, de asemenea, forma în acest mod, dar în general se consideră că ele apar mai frecvent printr-un proces diferit numit proces de coliziune-coalescență. Atunci când, prin condensare, unele picături dintr-un nor cresc până la un diametru de aproximativ 30 de micrometri, ele încep să se sedimenteze, căzând suficient de repede astfel încât să se ciocnească cu alte picături mai mici. Dacă picăturile coalizează apoi, se produce o picătură mai mare, iar aceasta are acum o șansă și mai mare de a „captura” picăturile mai mici. În condiții favorabile, acest proces poate produce picături de mărimea unui strop de ploaie într-un nor supraîncălzit, de obicei în apropierea vârfului, unde se găsesc în general cele mai mari picături din orice nor. Capturarea datelor a variat, dar unele studii au raportat că ploaia înghețată în norii neconvectivi se formează în mai mult de 80 % din cazuri prin procesul de coliziune-coalescență. Așadar, este important de reținut că, atunci când se află în burniță înghețată, nu se poate presupune că deasupra ei va exista aer mai cald (peste 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br />).

Severitatea givrajului

Termenul „severitatea givrajului” se referă, în esență, la rata la care se produce o acreție semnificativă de gheață. Descrierile de până acum ale picăturilor de apă supraîncălzite au fost făcute în funcție de mărimea lor. Aceste diametre comparative sunt importante – picăturile tipice de ploaie au un diametru de 10 ori mai mare decât cel al picăturilor tipice de nor, iar picăturile tipice de ploaie au un diametru de 100 de ori mai mare decât cel al picăturilor tipice de nor. Mărimea descrisă de diametru nu este, totuși, ceea ce contează cel mai mult în ceea ce privește potențialul de acumulare de gheață prin impact. Ceea ce face cu adevărat diferența este volumul (sau masa) de apă conținută într-o picătură, deoarece aceasta este cea care controlează cantitatea de apă care va lovi aeronava și, de asemenea, la ce distanță în spatele punctului de stagnare a fluxului de aer, în fața unei suprafețe de margine de atac, picăturile vor lovi aeronava. Acest din urmă aspect are o importanță considerabilă, deoarece picăturile mari pot lovi cu mult dincolo de marginile de atac în zone care nu sunt anti-înghețate sau dezghețate și, de asemenea, se pot transforma în gheață pe măsură ce curg spre pupa în contact cu suprafața lovită inițial.

Este important de reținut că volumul unei picături nu este proporțional cu diametrul său, ci cu aproximativ cubul a jumătate din diametru (adică raza). Prin urmare, dacă 20 de microni (0,02 mm) este considerat ca fiind diametrul tipic al unei picături de nor și 2000 de micrometri (2 mm) este considerat ca fiind diametrul tipic al unei picături de ploaie înghețată, atunci, deși diametrele acestor picături diferă cu un factor de numai 100, volumul lor, și, prin urmare, masa lor, diferă cu un factor care este de ordinul a 1.000.000.

Este această masă mult mai mare a picăturilor de apă supraînghețată din precipitațiile înghețate în comparație cu cele din nori, chiar și din norii cumulonimbus, ceea ce împiedică orice aeronavă să întreprindă o perioadă semnificativă de zbor susținut – și, în cele mai multe cazuri, orice zbor – în precipitații înghețate fără nori.

Diferențe între temperatura mediului ambiant și temperatura pielii aeronavei

Există o serie de factori care variază înclinația pentru ca gheața să se acumuleze pe o aeronavă:

• Când orice aeronavă se deplasează prin aer, încălzirea cinetică rezultată, datorată atât comprimării în punctele de obstrucție a aerului, cât și frecării pe suprafețele de trecere a aerului, ridică temperatura pielii aeronavei peste cea a aerului ambiant din vecinătate. S-a calculat că măsura în care se produce acest lucru și, prin urmare, importanța sa pentru formarea gheții, este direct proporțională cu pătratul a 1/100 x viteza reală a aerului în noduri. Piloții vor fi conștienți de diferența consecventă dintre SAT și TAT, care poate fi observată crescând odată cu viteza, deoarece efectul creșterii vitezei reale este mai mare decât efectul opus al scăderii densității aerului.
• Dacă o aeronavă urcă în aer mai rece și depozite înghețate sau semiînghețate se odihnesc pe suprafețele superioare ale aripilor sau pe suprafețele orizontale ale planurilor de coadă sau în spațiile de articulație ale comenzilor de zbor aferente, există posibilitatea ca aceste depozite să înghețe complet și să se atașeze de celulă in situ. Cu toate acestea, acest lucru va reprezenta de obicei o problemă semnificativă doar dacă urcarea se face concomitent cu urcarea în condiții susceptibile de a produce independent o acumulare semnificativă de gheață.
• Când o aeronavă coboară de la altitudine mare, creșterea temperaturii suprafeței structurii pe măsură ce aerul ambiant se încălzește este probabil să rămână în urma creșterii temperaturii aerului ambiant, în special în cazul aripilor folosite ca rezervoare de combustibil care conțin încă o cantitate semnificativă de combustibil. Acest lucru se va aplica în special în cazul în care combustibilul este „tăiat” pentru a fi utilizat în sectorul de zbor următor, în loc să fie ridicat la destinația inițială. Importanța combustibilului constă în faptul că are tendința de recuperare a temperaturii după o îmbăiere prealabilă la rece mai lent decât structura care îl conține. Un efect special al acestei situații este formarea de „gheață de combustibil” pe suprafața inferioară a unei aripi, deoarece acesta este locul unde combustibilul rece este în contact direct cu structura aripii. O astfel de gheață transparentă este adesea încă prezentă în timpul virajului ulterior, chiar și atunci când OAT este cu câteva grade peste punctul de îngheț.

Inghețarea intrării de aer în motor

Toate aeronavele certificate pentru zbor în condiții de givraj sunt echipate cu sisteme anti-îngheț. Acestea previn formarea de gheață în buza de admisie a aerului și în paletele de ghidare prin utilizarea unor covorașe încălzite electric, a uleiului de motor fierbinte circulat sau a aerului de purjare extras din motor. Cu toate acestea, mai departe în interiorul unei intrări de aer, se poate forma gheață în zonele neprotejate chiar și atunci când o aeronavă nu zboară în condiții de givraj, așa cum sunt definite în prezent în scopul certificării motoarelor. Există două astfel de circumstanțe: răcirea aerului umed peste temperatura de îngheț prin reducerea presiunii în motoarele cu piston; și topirea cristalelor de gheață care sunt încălzite după ce au intrat în motoarele cu turbină.

În primul caz, aerul umed care intră în admisia unui motor cu piston la o temperatură de peste 0°C32 °F <br />273,15 K <br />491,67 °R <br /> este apoi accelerat printr-un efect de aspirație printr-un canal redus. Acest efect „venturi” îi reduce temperatura, ceea ce face ca încărcătura de umiditate să se condenseze și să se precipite pe pereții canalului de aer sub formă de gheață. Pentru mai multe detalii, a se vedea givrajul prin inducție al motoarelor cu piston. Acest articol descrie, de asemenea, alte două tipuri de givraj prin inducție care apar la motoarele cu pistoane.

În al doilea caz, densități mari de cristale de gheață foarte mici în aer foarte rece, la altitudine mare, sunt ingerate în turbinele cu gaz cu bypass mare. Apoi, fie îngheață temporar și se desprind sub formă de bucăți mai mari de gheață, provocând întreruperea fluxului de aer al motorului, fie provoacă daune mecanice, fie sub formă de bucăți de gheață, fie prin intermediul unor debite discrete de apă lichidă. Pentru mai multe informații, a se vedea „High Level Ice Crystal Icing”: Effects on Engines.

Icing Forecasts

Nu există definiții pentru severitatea absolută a givrajului în prognoza aviatică. Cu toate acestea, calificările relative ușoară, moderată și severă sunt, în general, utilizate (numai în ceea ce privește riscul de givraj al aeronavelor) într-un mod care are cel puțin o coerență rezonabilă la nivel regional în contextul tipului de prognoză în care sunt utilizate. Majoritatea meteorologilor înțeleg că un termen precum „givraj ușor” va fi interpretat în mod diferit de către un echipaj de zbor al unui avion de transport comercial și de către un pilot privat care se întreabă dacă este posibil să își poată efectua zborul planificat fără a fi afectat de toate condițiile de givraj. În consecință, previziunile privind givrajul la nivel scăzut sunt de obicei prezentate în așa fel încât să fie accesibile în mod special piloților de aeronave ușoare vulnerabile la efectele oricărui givraj. Cu toate acestea, previziunile furnizate în primul rând pentru transportul aerian comercial vor folosi termenii de givraj moderat și sever în termeni care reflectă semnificația lor probabilă pentru aeronavele care sunt certificate pentru zboruri de rutină în „condiții de givraj”, deoarece sunt echipate cu sisteme adecvate de protecție împotriva gheții. Această utilizare de către aviația generală a prezentărilor de prognoză de nivel superior poate produce neînțelegeri cu privire la condițiile de givraj care ar putea fi așteptate și, uneori, poate duce la o planificare necorespunzătoare a zborurilor. Ideea este că previziunile relative ale severității givrajului nu pot ține cont și nu țin cont de utilizatorul lor și de aeronava pe care o pilotează, astfel încât interpretarea previziunilor este la fel de mult o chestiune de judecată ca și monitorizarea realității aparente a givrajului odată ce se află în aer.

Cu toate avertismentele de mai sus, o scurtă privire asupra „descrierilor” și „definițiilor” obișnuite ale condițiilor de givraj folosite de către meteorologi poate fi totuși utilă. Toate descrierile presupun că o aeronavă este certificată pentru „zbor în condiții de gheață”.

• Gheața ușoară este adesea descrisă ca fiind condiții astfel încât „nu este necesară nicio schimbare de curs sau de altitudine și nu se produce nicio pierdere de viteză”. A fost definit mai riguros de unii ca fiind o rată de acumulare de gheață pe oră pe aripa exterioară cuprinsă între 0,25 inch și 1 inch (0,6 și 2,5 cm).
• În mod obișnuit, givrajul moderat a fost descris ca o acumulare de gheață care continuă să crească, dar nu la o rată suficientă pentru a afecta siguranța zborului, cu excepția cazului în care continuă pentru o perioadă lungă de timp, dar se poate pierde viteza aerului. O definiție bazată pe o rată de acumulare de gheață pe oră pe aripa exterioară de 1 până la 3 inci (2,5 până la 7.5 cm)
• Gheața severă a fost descrisă în diverse moduri ca fiind o acumulare de gheață:
  • în care fie rata de givraj, fie acumularea de gheață depășesc toleranța aeronavei;
  • care continuă să se acumuleze și începe să afecteze serios performanțele și manevrabilitatea unei aeronave;
  • cu o rată astfel încât sistemele de protecție împotriva gheții nu reușesc să îndepărteze acumularea de gheață și gheața se acumulează în locuri care nu sunt în mod normal predispuse la givraj;
  • atât de mare încât este necesară ieșirea imediată din această condiție pentru a păstra controlul deplin al aeronavei.

Este în general acceptat faptul că, deși certificarea aeronavei pentru zborul în condiții de givraj rareori include restricții declarate, nicio aeronavă nu este aprobată pentru zbor în condiții de givraj sever și că pot apărea condiții de givraj sever la orice rată de acumulare a gheții.

În America de Nord, termenii limpede, rime sau mixt sunt mai des folosiți în materialele de prognoză decât în alte părți și sunt atât intenționați, cât și luați ca o indicație pentru dimensiunea picăturilor, indiferent de alți factori, cum ar fi temperatura și conținutul de apă lichidă. În această utilizare, o prognoză de givraj de tip „rime” indică dimensiuni mai mici ale picăturilor, iar o prognoză de givraj mixt sau clar indică dimensiuni mai mari ale picăturilor, dar cu o graniță vagă și nedefinită între cele două.

În cele din urmă, o „aeronavă curată” la rotație este o cerință esențială pentru zborul în condiții de givraj sau în condiții de givraj pentru acele aeronave aprobate în acest sens. Aceasta se realizează prin utilizarea unor lichide adecvate de degivrare sau antigivrare la sol, care au un timp de reținere suficient pentru condițiile predominante. Anti-înghețarea se realizează aproape întotdeauna cu fluide îngroșate care aderă la corpul aeronavei și apoi se desprind progresiv în timpul rulajului de decolare, astfel încât să fie eliminate în totalitate până la 100KIAS. Nu există o protecție aprobată a fluidelor împotriva ploii înghețate sau a burniței înghețate și, prin urmare, plecarea în aceste condiții nu este, în general, posibilă.

• Ingheț în zbor
• Ingheț – Eficiența colectării
• Riscuri de îngheț la bordul aeronavei și în zbor
• Ingheț la inducerea motorului cu piston
• Ploaie înghețată
• Cumulonimbus (Cb)
• Aeronava la sol De/Anti-Icing
• Sisteme de protecție a aeronavelor împotriva gheții
• Cristale de gheață de nivel înalt: Efecte asupra motoarelor

Lecturi suplimentare

• Extract din 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, ianuarie 2015

.