Formación de hielo en los aviones

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Hielo

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Este artículo pretende abordar los fundamentos de la formación de hielo en las aeronaves y en las entradas de aire de sus motores. No considera la formación de escarcha que se crea por sublimación, el proceso por el cual el vapor de agua se congela directamente en superficies bajo cero. Con esta excepción, la formación de hielo adherido a la superficie externa de una aeronave o a las superficies dentro de las tomas de aire de sus motores, requiere que las gotas de agua líquida impacten en la superficie implicada. Normalmente, esa humedad debe estar sobreenfriada, lo que significa que debe estar en forma líquida por debajo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Hay un par de variaciones específicas en este escenario general que se considerarán más adelante:

cuestiones relacionadas con la diferencia entre la temperatura de la piel de la aeronave y la temperatura del aire por el que pasa, ha pasado o pasará, especialmente durante el ascenso y el descenso y en el intervalo de temperatura de +/-10 grados Celsius;
cuestiones derivadas de la diferencia de temperatura y/o presión entre el aire ambiente y el aire dentro de las entradas de aire del motor, más a menudo reducciones de la presión del aire o aumentos de la temperatura del aire.

Hielo procedente de la humedad sobreenfriada

El hielo que se acumula en las partes externas de una aeronave es, en la mayoría de los casos, el resultado del impacto de gotas de agua sobreenfriada de diversos tamaños sobre dicha aeronave. Esto puede ocurrir dentro de las nubes o cuando se vuela a través de las precipitaciones. La razón por la que las gotas de agua no se congelan todas en cuanto la temperatura ambiente cae por debajo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R es la liberación de calor latente cuando el agua cambia de estado a hielo. Se libera tanto calor latente que el cambio de estado se ralentiza de forma que se produce progresivamente a medida que la temperatura sigue bajando. Esto continúa hasta que, a unos -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R , la mayor parte del agua sobreenfriada se ha convertido en hielo. Los granos de hielo que ya se han formado completamente y están secos cuando impactan contra un avión no se adhieren sino que simplemente rebotan. Por lo tanto, cabe esperar que la gravedad relativa de la acumulación de hielo disminuya progresivamente a medida que la temperatura ambiente se reduzca por debajo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R , de modo que por debajo de -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R queda poco riesgo de acumulación. Dos factores son importantes con respecto a las gotas de agua sobreenfriadas:

la extensión de su presencia, que afectará a la velocidad de cualquier acreción de hielo; y
su tamaño, que afectará a la gravedad de esa acreción al influir negativamente en su velocidad.

Tanto la cantidad como el tamaño de las gotas de agua sobreenfriada en la nube son mayores a temperaturas justo por debajo de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R y ambas disminuyen a medida que desciende la temperatura. El tamaño de las gotas de agua sobreenfriada es muy importante con respecto al potencial para inducir la acreción de hielo. Las gotas más grandes tienen mayor inercia y están menos influenciadas por el flujo de aire alrededor de la aeronave que las gotas más pequeñas, por lo que incidirán en más superficie de la aeronave que las gotas más pequeñas. Esto es especialmente cierto en lo que respecta al flujo de aire en vuelo alrededor del borde de ataque de las alas y el empenaje. También son las gotas más grandes las que producen el hielo transparente o glaseado, que se reconoce como la forma de hielo más preocupante y a menudo también la más difícil de detectar visualmente.

Nubes y humedad sobreenfriada

La mayoría de las gotas sobreenfriadas en las nubes tienen un diámetro de entre 1 micra (0,001 mm) y 50 micras (0,05 mm). (A modo de comparación, el grosor del cabello humano medio es de aproximadamente 100 micras). Las nubes estratiformes suelen tener un diámetro medio de gota de hasta 40 micras. Las nubes de desarrollo vertical (cumuliformes) de escala moderada suelen tener diámetros medios de gota de hasta 50 micras (0,05 mm), pero las grandes nubes Cumulonimbus (Cb) suelen contener mucha más agua líquida, incluyendo grandes cantidades en gotas con diámetros de hasta y más de 100 micras (0,1 mm).

Lluvia helada y llovizna helada

Las gotas de precipitación que están fuera de la nube son mucho más grandes que las que están dentro de la nube y, si están sobreenfriadas, se describen como la creación de una llovizna helada donde las gotas tienen un diámetro de entre 50 y 500 micras (0,05mm y 0,5mm) y lluvia helada donde las gotas superan las 500 micras (0,5mm) de diámetro. La lluvia helada suele tener gotas mucho más grandes, de 2 mm de diámetro o más, aunque si superan los 6 mm de diámetro, tenderán a romperse.

La lluvia helada por debajo de las nubes se forma cuando las gotas de lluvia se sobreenfrian al pasar por una capa de aire que tiene una temperatura bajo cero. Dado que la temperatura del aire normalmente aumenta a medida que se reduce la altitud, la lluvia helada implica la existencia de una inversión de la temperatura del aire. Estas condiciones pueden producirse por debajo de un frente cálido que avanza o de una oclusión cálida en la que una masa de aire relativamente cálida se sobrepone al aire más frío. La existencia de lluvia helada significa normalmente que habrá aire más cálido (por encima de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) por encima.

Las gotas superenfriadas más pequeñas de la llovizna helada también pueden formarse de esta manera, pero generalmente se considera que surgen más comúnmente por un proceso diferente llamado proceso de colisión-coalescencia. Cuando, a través de la condensación, algunas gotas de una nube crecen hasta aproximadamente 30 micrómetros de diámetro, comienzan a asentarse, cayendo lo suficientemente rápido como para colisionar con otras gotas más pequeñas. Si las gotas se unen, se produce una gota más grande que tiene más posibilidades de «capturar» gotas más pequeñas. En condiciones favorables, este proceso puede producir gotas del tamaño de una llovizna en una nube superenfriada, normalmente cerca de la parte superior, donde generalmente se encuentran las gotas más grandes de cualquier nube. La captura de datos ha variado, pero algunos estudios han informado de que la llovizna helada en nubes no convectivas se forma más del 80% de las veces por el proceso de colisión-coalescencia. Por lo tanto, es importante que cuando hay llovizna de congelación, no se puede asumir que el aire más cálido (por encima de 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) existirá por encima de ella.

Severidad de la formación de hielo

El término «severidad de la formación de hielo» se refiere esencialmente a la velocidad a la que se produce una acumulación significativa de hielo. Hasta ahora, las descripciones de las gotas de agua sobreenfriada se han hecho en términos de su tamaño. Estos diámetros comparativos son importantes: las gotas de llovizna típicas tienen un diámetro 10 veces superior al de las gotas de nube típicas y las gotas de lluvia típicas tienen un diámetro 100 veces superior al de las gotas de nube típicas. Sin embargo, el tamaño descrito por el diámetro no es lo que más importa en cuanto al potencial de acumulación de hielo por impacto. Lo que realmente marca la diferencia es el volumen (o la masa) de agua contenida en una gota, ya que esto es lo que controla la cantidad de agua que impactará en la aeronave y también a qué distancia del punto de estancamiento del flujo de aire por delante de la superficie del borde de ataque las gotas golpearán la aeronave. Este último punto es de considerable importancia, ya que las gotas grandes pueden impactar mucho más allá de los bordes de ataque en áreas que no están anticongeladas o descongeladas y también pueden convertirse en hielo a medida que fluyen hacia atrás en contacto con la superficie inicialmente golpeada.

Es importante señalar que el volumen de una gota no es proporcional a su diámetro, sino aproximadamente al cubo de la mitad del diámetro (es decir, el radio). Por lo tanto, si se toman 20 micras (0,02 mm) como diámetro típico de una gota de nube y 2.000 micrómetros (2 mm) como diámetro típico de una gota de lluvia helada, entonces, aunque los diámetros de estas gotas difieren por un factor de sólo 100, su volumen, y por lo tanto su masa, difieren por un factor que es del orden de 1.000.000.

Es esta masa enormemente mayor de gotas de agua sobreenfriadas en la precipitación helada comparada con las de las nubes, incluso los cumulonimbos, la que impide a cualquier aeronave emprender un periodo significativo de vuelo sostenido -y en la mayoría de los casos cualquier vuelo- en la precipitación helada libre de nubes.

Diferencias entre la temperatura ambiente y la temperatura de la piel de la aeronave

Hay una serie de factores que varían la propensión a la acumulación de hielo en una aeronave:

Cuando una aeronave se desplaza por el aire, el calentamiento cinético resultante debido tanto a la compresión en los puntos de obstrucción del aire como a la fricción en las superficies de paso del aire eleva la temperatura de la piel de la aeronave por encima de la del aire ambiente en las proximidades. Se ha calculado que el grado en que esto ocurre, y por lo tanto su importancia para la formación de hielo, es directamente proporcional al cuadrado de 1/100 x la velocidad aerodinámica real en nudos. Los pilotos serán conscientes de la consiguiente diferencia entre la SAT y la TAT, que puede observarse que aumenta con la velocidad, ya que el efecto del aumento de la velocidad aerodinámica real es mayor que el efecto opuesto de la disminución de la densidad del aire.
Si una aeronave está ascendiendo hacia un aire más frío y hay depósitos congelados o semicongelados en las superficies superiores de las alas o en las superficies horizontales del plano de cola o en los huecos de las bisagras de los mandos de vuelo relacionados, existe la posibilidad de que estos depósitos se congelen completamente y se adhieran al fuselaje in situ. Sin embargo, esto normalmente sólo será un problema significativo si el ascenso se realiza simultáneamente en condiciones que puedan producir independientemente una acumulación significativa de hielo.
Cuando una aeronave desciende desde gran altura, el aumento de la temperatura de la superficie de la estructura a medida que el aire ambiente se calienta es probable que vaya por detrás del aumento de la temperatura del aire ambiente, especialmente en el caso de las alas utilizadas como depósitos de combustible que todavía contienen una cantidad significativa de combustible. Esto se aplica especialmente cuando el combustible se almacena en tanques para su uso en el siguiente sector de vuelo, en lugar de ser recogido en el destino inicial. La importancia del combustible radica en su tendencia a recuperar la temperatura después de una inmersión previa en frío más lentamente que la estructura que lo contiene. Un efecto particular de esto es la formación de «hielo de combustible» en la superficie inferior de un ala porque es donde el combustible frío está en contacto directo con la estructura del ala. Este hielo claro suele estar presente durante el giro posterior incluso cuando la temperatura ambiente está varios grados por encima del punto de congelación.

Hielo en la entrada de aire del motor

Todas las aeronaves certificadas para volar en condiciones de hielo están equipadas con sistemas antihielo. Estos evitan la formación de hielo en el labio de entrada de aire y en la aleta guía mediante el uso de alfombras calentadas eléctricamente, aceite de motor caliente circulado o aire de purga extraído del motor. Sin embargo, en el interior de una entrada de aire, puede formarse hielo en zonas no protegidas, incluso cuando una aeronave no vuela en condiciones de hielo tal y como se define actualmente a efectos de certificación de motores. Existen dos circunstancias de este tipo: el enfriamiento del aire húmedo por encima de la temperatura de congelación mediante la reducción de la presión en los motores de pistón; y la fusión de los cristales de hielo que se calientan tras entrar en los motores de turbina.

En el primer caso, el aire húmedo que entra en la admisión de un motor de pistón a una temperatura superior a 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R se acelera entonces por un efecto de succión a través de un canal reducido. Este efecto «venturi» reduce su temperatura haciendo que la carga de humedad se condense y se precipite en las paredes del canal de aire en forma de hielo. Para obtener más detalles, consulte la sección sobre el hielo por inducción en los motores de pistón. En este artículo también se describen otros dos tipos de formación de hielo por inducción que se producen en los motores de pistón.

En el segundo caso, en las turbinas de gas de alto bypass se ingieren altas densidades de cristales de hielo muy pequeños en aire muy frío y a gran altura. A continuación, se congelan temporalmente y se desprenden en forma de trozos de hielo más grandes, lo que provoca la interrupción del flujo de aire del motor, o bien causan daños mecánicos, ya sea en forma de trozos de hielo o a través de discretos flujos de agua líquida. Para obtener más información, consulte la publicación High Level Ice Crystal Icing: Efectos en los motores.

Previsiones de hielo

No existen definiciones para la gravedad absoluta del hielo en las previsiones de aviación. Sin embargo, las calificaciones relativas de ligero, moderado y severo se utilizan generalmente (con respecto al riesgo de formación de hielo en el fuselaje solamente) de una manera que tiene al menos una coherencia razonable a nivel regional en el contexto del tipo de previsión en el que se utilizan. La mayoría de los pronosticadores entienden que un término como «helada ligera» será interpretado de manera bastante diferente por una tripulación de vuelo de transporte comercial y por un piloto privado que se pregunte si es probable que pueda llevar a cabo su vuelo planificado libre de todas las condiciones de helada. En consecuencia, las previsiones de hielo de bajo nivel suelen presentarse de manera que sean específicamente accesibles para los pilotos de aeronaves ligeras vulnerables a los efectos de cualquier tipo de hielo. Sin embargo, las previsiones proporcionadas principalmente para el transporte aéreo comercial utilizarán el hielo moderado y severo en términos que reflejan su probable importancia para las aeronaves que están certificadas para el vuelo rutinario en «condiciones de hielo» porque están equipadas con sistemas adecuados de protección contra el hielo. Este uso de presentaciones de previsiones de mayor nivel por parte de la aviación general puede producir malentendidos sobre las condiciones de hielo que pueden esperarse y, a veces, llevar a una planificación de vuelos inadecuada. La cuestión es que los pronósticos relativos de la severidad del hielo no pueden y no tienen en cuenta a su usuario y a la aeronave que vuela, por lo que la interpretación de los pronósticos es tanto una cuestión de juicio como el seguimiento de la realidad aparente del hielo una vez en el aire.

Con todas las advertencias anteriores, una breve mirada a las «descripciones» y «definiciones» habituales de las condiciones de hielo utilizadas por los pronosticadores puede seguir siendo útil. Todas las descripciones suponen que una aeronave está certificada para «volar en condiciones de hielo».

El hielo ligero se describe a menudo como condiciones tales que «no es necesario cambiar el rumbo o la altitud y no se produce pérdida de velocidad del aire». Algunos lo definen más rigurosamente como una tasa de acumulación de hielo por hora en el ala exterior de entre 0,25 pulgadas y 1 pulgada (0,6 a 2,5 cm).
El hielo moderado se ha descrito típicamente como la acumulación de hielo que sigue aumentando pero no a un ritmo suficiente para afectar a la seguridad del vuelo a menos que continúe durante un período prolongado de tiempo, pero se puede perder la velocidad del aire. Una definición basada en una tasa de acumulación de hielo por hora en el ala exterior de 1 a 3 pulgadas (2,5 a 7.5 cm)
El hielo severo ha sido descrito de varias maneras como acumulación de hielo:
- en la que la tasa de congelación o la acumulación de hielo superan la tolerancia de la aeronave;
- que continúa acumulándose y comienza a afectar seriamente el rendimiento y la maniobrabilidad de una aeronave;
- a una tasa tal que los sistemas de protección contra el hielo no logran eliminar la acumulación de hielo y el hielo se acumula en lugares que normalmente no son propensos a la formación de hielo;
- de tal manera que es necesaria una salida inmediata de la condición para mantener el control total de la aeronave.

Se acepta generalmente que, aunque la certificación de las aeronaves para el vuelo en condiciones de hielo rara vez incluye alguna restricción declarada, ninguna aeronave está aprobada para el vuelo en condiciones de hielo severo, y que las condiciones de hielo severo pueden ocurrir en cualquier tasa de acumulación de hielo.

En América del Norte, los términos clear, rime o mixed se utilizan más a menudo en el material de previsión que en otros lugares y se pretenden y se toman como una aproximación al tamaño de las gotas independientemente de otros factores como la temperatura y el contenido de agua líquida. En este uso, una previsión de escarcha indica tamaños de gota más pequeños y una previsión de escarcha mixta o clara indica tamaños de gota más grandes, pero con sólo un límite vago e indefinido entre los dos.

Por último, una «aeronave limpia» en el momento de la rotación es un requisito esencial para el vuelo en condiciones de hielo o dentro de ellas para aquellas aeronaves así aprobadas. Se logra mediante el uso de fluidos apropiados de descongelación o antihielo en tierra que tengan un tiempo de permanencia suficiente para las condiciones imperantes. El anticongelamiento casi siempre se logra con fluidos espesados que se adhieren al fuselaje y luego se desprenden progresivamente durante el rodaje de despegue, de modo que se hayan desprendido por completo a los 100 KIAS. No existe ninguna protección aprobada para los fluidos contra la lluvia helada o la llovizna helada, por lo que el despegue en estas condiciones generalmente no es posible.

Congelación en vuelo
Congelación – Eficiencia de recogida
Riesgos de congelación de la aeronave y en vuelo
Congelación por inducción del motor de pistón
Lluvia helada
Cumulonimbus (Cb)
Congelación en tierra de la aeronave
Congelación de la aeronave

.Hielo

Sistemas de protección contra el hielo de las aeronaves
Congelación por cristales de hielo de alto nivel: Efectos en los motores

Lectura adicional

Extracto de 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, January 2015

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