Isbildning på flygplan

Artikelinformation
Kategori:	Väder
Innehållskälla:	SKYbrary
Innehållskontroll:	SKYbrary

Tag(s)

Isbildning

Beskrivning

Den här artikeln syftar till att ta upp de grundläggande aspekterna av isbildning på luftfartyg och i deras motorers luftintag. Den tar inte upp frostbildning som skapas genom sublimering, den process genom vilken vattenånga fryser direkt på minusgrader. Med detta undantag kräver bildandet av is på ett luftfartygs yttre yta eller på ytorna i dess motorluftintag att flytande vattendroppar träffar den berörda ytan. Vanligtvis måste denna fukt vara underkyld, vilket innebär att den måste vara i flytande form under 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R . Det finns ett par specifika variationer i detta allmänna scenario som kommer att behandlas senare:

problem som har att göra med skillnaden mellan temperaturen på luftfartygsskinnet och temperaturen på den luft som det passerar, har passerat eller kommer att passera genom, särskilt under stigning och nedstigning och inom temperaturområdet +/-10 grader Celsius;
problem som uppstår på grund av temperatur- och/eller tryckskillnaden mellan den omgivande luften och luften i motorns luftintag, oftast minskningar i lufttrycket eller ökningar i lufttemperaturen.

Is från underkyld fukt

Is som ansamlas på ett luftfartygs yttre delar är oftast resultatet av att underkylda vattendroppar av olika storlek slår mot luftfartyget. Detta kan ske inom moln eller när man flyger genom nederbörd. Anledningen till att vattendroppar inte alla fryser så snart den omgivande temperaturen sjunker under 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R är frigörandet av latent värme när vatten ändrar tillstånd till is. Så mycket latent värme frigörs att tillståndsförändringen bromsas upp så att den sker successivt när temperaturen fortsätter att sjunka. Detta fortsätter tills, vid ungefär -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R , det mesta av det underkylda vattnet har övergått till is. Iskorn som redan har bildats fullt ut och är torra när de träffar ett flygplan fastnar inte utan studsar helt enkelt bort. Därför kan man förvänta sig att den relativa allvarlighetsgraden av isackretion successivt minskar när omgivningstemperaturen sjunker under 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R så att liten, om ens någon, risk för ackretion kvarstår under -20°C-4 °F 253,15 K 455,67 °R . Två faktorer är viktiga när det gäller underkylda vattendroppar:

utbredningen av deras förekomst, vilket kommer att påverka hastigheten på en eventuell isackretion, och
storleken på dem, vilket kommer att påverka allvaret i denna ackretion genom att negativt påverka dess hastighet.

Både mängden och droppstorlekarna av underkylda vattendroppar i moln är störst vid temperaturer strax under 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R och båda minskar när temperaturen sjunker. Storleken på de underkylda vattendropparna är mycket viktig med avseende på potentialen att framkalla isackretion. Större droppar har större tröghet och påverkas mindre av luftflödet runt flygplanet än mindre droppar, så de kommer att träffa mer av flygplanets yta än mindre droppar. Detta är särskilt fallet när det gäller luftflödet under flygning runt vingarnas och vingarnas framkant. Det är också de större dropparna som producerar klar- eller glasyris, som är välkänd som den isform som ger mest bekymmer och som ofta också är den svåraste att upptäcka visuellt.

Moln och underkyld fukt

Majoriteten av de underkylda dropparna i moln har en diameter på mellan 1 mikrometer (0,001 mm) och 50 mikrometer (0,05 mm). (Som jämförelse kan nämnas att tjockleken på ett genomsnittligt människohår är ungefär 100 mikrometer). Skiktmoln (stratiforma moln) innehåller vanligtvis genomsnittliga droppdiametrar på upp till 40 mikrometer. Vertikalt utvecklade (cumuliform) moln av måttlig storlek har vanligtvis genomsnittliga droppdiametrar på upp till 50 mikrometer (0,05 mm) men stora Cumulonimbus (Cb)-moln innehåller ofta mycket mer flytande vatten, inklusive stora mängder i droppar med diametrar på upp till och över 100 mikrometer (0,1 mm).

Frysande regn och frysande droppar

Nedfallsdroppar som är fria från moln är mycket större än de som finns i molnet och om de är underkylda beskrivs de som att de skapar frysande droppar där dropparna har en diameter på mellan 50 och 500 mikrometer (0,05 mm och 0,5 mm) och frysande regn där dropparna överskrider 500 mikrometer (0,5 mm) i diameter. Frysande regn har ofta mycket större droppar med en diameter på 2 mm eller mer, men om de blir mycket större än 6 mm i diameter tenderar de att splittras.

Frysande regn under moln bildas när regndroppar underkyls genom att passera genom ett luftskikt som har en temperatur under noll grader. Eftersom lufttemperaturen normalt ökar när höjden minskar, förutsätter frysande regn att det finns en inversion av lufttemperaturen. Sådana förhållanden kan uppstå under en framryckande varmfront eller en varm ocklusion där en relativt varm luftmassa överskuggar kallare luft. Förekomsten av frysande regn innebär normalt att det finns varmare luft (över 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) ovanför.

De mindre underkylda dropparna i frysande duggregn kan också bildas på detta sätt, men det anses allmänt att de oftare uppstår genom en annan process som kallas kollisions-koalescensprocessen. När vissa droppar i ett moln genom kondensation växer till cirka 30 mikrometer i diameter börjar de sätta sig och faller tillräckligt snabbt så att de kolliderar med några mindre droppar. Om dropparna sedan sammanfogas bildas en större droppe som nu har ännu större chans att ”fånga upp” mindre droppar. Under gynnsamma förhållanden kan denna process ge upphov till droppar av dimma-storlek i ett underkylt moln, vanligen nära toppen, där de största dropparna i allmänhet finns i alla moln. Datainsamlingen har varierat, men vissa studier har rapporterat att frusna droppar i icke-konvektiva moln bildas i mer än 80 procent av fallen genom kollisions- och koalescensprocessen. Så det är viktigt att när man befinner sig i frysande duggregn kan man inte anta att det kommer att finnas varmare luft (över 0 °C32 °F 273,15 K 491,67 °R ) ovanför.

Icing Severity

Uttrycket ”isbildningens allvarlighetsgrad” handlar i huvudsak om hur snabbt en betydande isackretion inträffar. Beskrivningarna av underkylda vattendroppar har hittills varit i termer av deras storlek. Dessa jämförande diametrar är viktiga – typiska droppar av regn har en diameter som är 10 gånger större än typiska molndroppar och typiska regndroppar har en diameter som är 100 gånger större än typiska molndroppar. Storleken, som beskrivs av diametern, är dock inte det som är viktigast när det gäller potentialen för isackretion genom nedslag. Det som verkligen gör skillnad är volymen (eller massan) av det vatten som finns i en droppe, eftersom det är detta som styr hur mycket vatten som kommer att träffa flygplanet och även hur långt efter stagnationspunkten för luftflödet framför en yta med framkant som dropparna kommer att träffa flygplanet. Den sistnämnda punkten är av stor betydelse eftersom stora droppar kan träffa långt bortom de främre kanterna i områden som inte är isfria eller isfria, och de kan också förvandlas till is när de strömmar bakåt och kommer i kontakt med den yta som först träffas.

Det är viktigt att notera att volymen av en droppe inte är proportionell mot dess diameter utan ungefär kuben av halva diametern (dvs. radien). Om 20 mikrometer (0,02 mm) tas som en typisk diameter för en molndroppe och 2 000 mikrometer (2 mm) tas som den typiska diametern för en droppe med frysande regn, så skiljer sig dessa droppars diametrar visserligen bara med en faktor 100, men deras volym, och därmed deras massa, skiljer sig med en faktor som är i storleksordningen 1 000 000 000.

Det är denna mycket större massa av underkylda vattendroppar i frysande nederbörd jämfört med dem i moln, även i cumulonimbusmoln, som gör att inget flygplan kan genomföra en längre period av ihållande flygning – och i de flesta fall någon som helst flygning – i frysande nederbörd utan moln.

Differenser mellan den omgivande temperaturen och flygplanets hudtemperatur

Det finns ett antal faktorer som varierar benägenheten för is att ackumuleras på ett flygplan:

När ett flygplan rör sig genom luften höjer den resulterande kinetiska hjärtkraften på grund av både kompression vid punkter där luften hindras och friktion vid ytor där luften passerar, flygplanets hudtemperatur över den omgivande luftens temperatur i närområdet. Det har beräknats att omfattningen av detta, och därmed dess betydelse för isbildning, är direkt proportionell mot kvadraten på 1/100 x den verkliga lufthastigheten i knop. Piloter är medvetna om den därav följande skillnaden mellan SAT och TAT som kan observeras öka med hastigheten eftersom effekten av en ökning av den verkliga lufthastigheten är större än den motsatta effekten av en minskning av lufttätheten.
Om ett flygplan stiger in i kallare luft och frusna eller halvfrusna avlagringar vilar på de övre ytorna av vingarna eller de horisontella stjärtplansytorna eller i tillhörande ledhål i flygkontrollerna, finns det en möjlighet att dessa avlagringar fryser helt och hållet och fäster på plats vid flygplanskroppen. Detta blir dock vanligtvis bara ett betydande problem om stigningen samtidigt sker under förhållanden som sannolikt ger oberoende betydande isansamlingar.
När ett luftfartyg sjunker från hög höjd kommer ökningen av strukturens yttemperatur när den omgivande luften värms sannolikt att släpa efter ökningen av den omgivande luftens temperatur, särskilt när det gäller vingar som används som bränsletankar och som fortfarande innehåller en betydande mängd bränsle. Detta gäller särskilt när bränsle ”tankas” för användning i nästa flygsektor i stället för att lyftas upp på den ursprungliga destinationen. Betydelsen av bränslet är att det har en tendens att återhämta sig långsammare än den struktur som innehåller bränslet. En särskild effekt av detta är bildandet av ”bränsleis” på vingens nedre yta, eftersom det är där det kalla bränslet är i direkt kontakt med vingstrukturen. Sådan klar is finns ofta kvar under den efterföljande vändningen även när OAT är flera grader över fryspunkten.

Motorns luftinlopp isbildning

Alla luftfartyg som är certifierade för flygning under isbildning är utrustade med system för isbekämpning. Dessa förhindrar att det bildas is på luftintagslederna och styrskivorna med hjälp av elektriskt uppvärmda mattor, cirkulerande varm motorolja eller avluft som sugs ut från motorn. Längre in i ett luftintag kan dock is bildas i oskyddade områden även när ett flygplan inte flyger under isförhållanden enligt den nuvarande definitionen för motorcertifiering. Det finns två sådana omständigheter: kylning av fuktig luft över frystemperaturen genom tryckminskning i kolvmotorer, och smältning av iskristaller som värms upp efter att ha kommit in i turbinmotorer.

I det första fallet kommer fuktig luft som kommer in i en kolvmotors intag vid en temperatur över 0°C32 °F 273,15 K 491,67 °R och accelereras sedan av en sugverkan genom en reducerad kanal. Denna ”venturieffekt” sänker dess temperatur, vilket leder till att fuktbelastningen kondenserar och fälls ut på luftkanalens väggar som is. Se Kolvmotorinduktion för mer information om isbildning. I denna artikel beskrivs också två andra typer av induktionsis som förekommer i kolvmotorer.

I det andra fallet är det höga tätheter av mycket små iskristaller i mycket kall luft på hög höjd som tas in i gasturbiner med hög bypass. De fryser sedan antingen tillfälligt och lossnar som större isbitar som orsakar störningar i motorns luftflöde, eller orsakar mekanisk skada antingen som isbitar eller via diskreta flöden av flytande vatten. För ytterligare information, se High Level Ice Crystal Icing: Effekter på motorer.

Icing Forecasts

Det finns inga definitioner för absolut isningsgrad i luftfartsprognoser. De relativa kvalifikationerna lätt, måttlig och allvarlig används dock i allmänhet (endast när det gäller risken för isbildning på flygplansskrov) på ett sätt som åtminstone har en rimlig konsekvens regionalt i samband med den typ av prognos i vilken de används. De flesta prognosmakare förstår att en term som ”lätt isbildning” kommer att tolkas ganska olika av en flygbesättning för kommersiella transporter och en privatpilot som undrar om det är troligt att de kommer att kunna genomföra sin planerade flygning utan isbildning. Följaktligen presenteras prognoser för låg isbildning vanligtvis på ett sådant sätt att de är särskilt tillgängliga för piloter på lätta flygplan som är sårbara för effekterna av isbildning. I de prognoser som i första hand tillhandahålls för kommersiella flygtransporter används dock måttlig och kraftig isbildning i termer som återspeglar deras sannolika betydelse för luftfartyg som är certifierade för rutinflygningar under ”isförhållanden” eftersom de är utrustade med lämpliga isskyddssystem. Denna användning av prognoser på högre nivå inom allmänflyget kan leda till missförstånd om vilka isförhållanden som kan förväntas och ibland leda till olämplig flygplanering. Poängen är att de relativa prognoserna för isbildningens allvarlighetsgrad inte kan och inte heller tar hänsyn till användaren och det luftfartyg som han eller hon flyger, så tolkningen av prognoserna är lika mycket en fråga om bedömning som övervakningen av den uppenbara isbildningens verklighet när man väl är i luften.

Med alla ovanstående reservationer kan en kort titt på de vanliga ”beskrivningarna” och ”definitionerna” av isbildningsförhållanden som används av prognosmakarna ändå vara till hjälp. Beskrivningarna förutsätter alla att ett luftfartyg är certifierat för ”flygning i isförhållanden”.

Lätt isbildning beskrivs ofta som förhållanden som innebär att ”ingen ändring av kurs eller höjd är nödvändig och ingen förlust av hastighet inträffar”. Det har av vissa definierats striktare som en isbildning per timme på den yttre vingen på mellan 0,6 och 2,5 cm (0,25 tum och 1 tum).
Måttlig isbildning har typiskt beskrivits som isbildning som fortsätter att öka men inte i en takt som är tillräcklig för att påverka flygsäkerheten, såvida den inte fortsätter under en längre tid, men lufthastigheten kan gå förlorad. En definition baserad på en isbildning per timme på den yttre vingen på 1 till 3 tum (2,5 till 7 tum).5 cm)
Severe Icing har beskrivits på olika sätt som isbildning:
- där antingen isningshastigheten eller isackumulationen överstiger luftfartygets tolerans,
- som fortsätter att byggas upp och börjar allvarligt påverka luftfartygets prestanda och manövrerbarhet,
- med en sådan hastighet att isskyddssystemen inte lyckas avlägsna isackumulationen och att isen ackumuleras på ställen som normalt sett inte är utsatta för isbildning,
- så att det krävs ett omedelbart avbrytande av tillståndet för att behålla full kontroll över luftfartyget.

Det är allmänt accepterat att även om certifiering av luftfartyg för flygning under isförhållanden sällan innehåller några angivna begränsningar, är inget luftfartyg godkänt för flygning under svåra isförhållanden, och att svåra isförhållanden kan inträffa vid vilken isackumulering som helst.

I Nordamerika används termerna klar, rimmad eller blandad oftare i prognosmaterial än på andra håll och är både avsedda och tagna som en approximation för droppstorlek oberoende av andra faktorer som temperatur och vätskevattenhalt. Vid denna användning indikerar en prognos om rime ising mindre droppstorlekar och en prognos om blandad eller klar ising större droppstorlekar, men med endast en vag och odefinierad gräns mellan de två.

För de luftfartyg som är godkända är ett ”rent luftfartyg” vid rotation ett väsentligt krav för flygning i eller in i isbildning för de luftfartyg som är godkända för detta. Det uppnås genom användning av lämpliga vätskor för avisning eller anti-isning på marken som har en tillräcklig uppehållstid för de rådande förhållandena. Anti-isning uppnås nästan alltid med hjälp av förtjockade vätskor som fastnar på flygplanskroppen och sedan gradvis skjuvas av under startrullningen så att alla vätskor har avlossats vid 100 Kias. Det finns inget godkänt vätskeskydd mot frysande regn eller frysande duggregn och därför är det i allmänhet inte möjligt att starta under sådana förhållanden.

Icing under flygning
Icing – insamlingseffektivitet
Flygplan och isningsrisker under flygning
Kolvmotorinduktionsisning
Frysande regn
Cumulonimbus (Cb)
Flygplanets markde/anti-Icing
Flygplanets isskyddssystem
Hög nivå av iskristallisering: Effekter på motorer

Fortsatt läsning

Utdrag ur 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