Condiciones de formación de hielo

Condiciones atmosféricas que pueden provocar la formación de hielo en las superficies de los aviones.

Hielo acumulado y parcialmente eliminado en el ala de un Beechcraft King Air

En la aviación , las condiciones de formación de hielo son condiciones atmosféricas que pueden provocar la formación de hielo de agua en una aeronave. La acumulación y acumulación de hielo puede afectar las superficies externas de una aeronave (en cuyo caso se denomina formación de hielo en la estructura del avión ^[1] ) o el motor , lo que produce formación de hielo en el carburador , en las entradas de aire o, más genéricamente, en el motor . ^[2] Estos fenómenos pueden ocurrir juntos, aunque no necesariamente. Tanto la formación de hielo en el fuselaje como en el motor ha provocado numerosos accidentes mortales en la historia de la aviación.

No todas las aeronaves, especialmente las de aviación general , están certificadas para vuelos en zonas de formación de hielo conocida (FIKI), es decir, vuelos a áreas con condiciones de formación de hielo ciertas o que probablemente existan, según los informes , observaciones y pronósticos de los pilotos . ^[3] Para obtener la certificación FIKI, las aeronaves deben estar equipadas con sistemas de protección contra el hielo adecuados para evitar accidentes por formación de hielo.

Definición

Las condiciones de formación de hielo existen cuando el aire contiene gotas de agua líquida sobreenfriada . Se congelan al entrar en contacto con un posible sitio de nucleación, que en este caso son las partes de la aeronave, provocando la formación de hielo. Las condiciones de formación de hielo se caracterizan cuantitativamente por el tamaño medio de las gotas, el contenido de agua líquida y la temperatura del aire. Estos parámetros afectan la extensión, el tipo y la velocidad que caracterizan la formación de hielo en una aeronave. Las Regulaciones Federales de Aviación contienen una definición de condiciones de formación de hielo ^[4] en las que algunas aeronaves están certificadas para volar. Las condiciones llamadas SLD, o gotas grandes sobreenfriadas, son aquellas que exceden esa especificación y representan un peligro particular para las aeronaves, que todas las aeronaves deben tratar de evitar.

Cualitativamente, los informes de los pilotos indican las condiciones de formación de hielo en términos de su efecto sobre la aeronave y dependerán de las capacidades preexistentes de la aeronave. Como resultado, diferentes aeronaves pueden informar las mismas condiciones cuantitativas y diferentes niveles de engelamiento. Los detectores de hielo se utilizan a menudo para indicar la presencia de condiciones de formación de hielo.

Tipos de hielo estructural

Hielo de gotas grandes sobreenfriado (SLD) en un avión de investigación Twin Otter de la NASA

• El hielo claro suele ser claro y suave. Las gotas de agua sobreenfriada, o lluvia helada , golpean una superficie pero no se congelan instantáneamente. A menudo se forman "cuernos" o protuberancias que se proyectan hacia el flujo de aire, lo que lo suaviza. Esta forma de hielo también se llama glaseado.
• El hielo de escarcha es rugoso y opaco, formado por gotas sobreenfriadas que se congelan rápidamente al impactar. Se forma principalmente a lo largo del punto de estancamiento de un perfil aerodinámico , y generalmente se adapta a la forma del perfil aerodinámico.
• El hielo mixto es una combinación de hielo transparente y de escarcha, que tiene ambas propiedades.
• El hielo helado es el resultado de la congelación del agua en superficies desprotegidas mientras el avión está parado, incluso antes de que comience el vuelo. Esto puede ser peligroso cuando se intenta volar porque interrumpe el flujo de aire de la capa límite del perfil, provocando una pérdida aerodinámica prematura y, en algunos casos, un aumento dramático de la resistencia, lo que hace que el despegue sea peligroso o imposible, lo que podría provocar accidentes prematuros.
• El hielo SLD se refiere al hielo formado en condiciones de gotas grandes sobreenfriadas (SLD). Es similar al hielo transparente, pero debido a que el tamaño de las gotas es grande, se extiende a partes desprotegidas del avión y forma formas de hielo más grandes, más rápido que las condiciones normales de formación de hielo, contra las cuales casi todos los aviones no están suficientemente protegidos. Este fue un factor en el accidente del vuelo 4184 de American Eagle .

Efecto

Protuberancias de hielo en una pala de rotor obtenidas en un túnel de viento en el Centro de Investigación Glenn de la NASA

El ala normalmente entrará en pérdida en un ángulo de ataque más bajo y, por lo tanto, a una velocidad más alta, cuando esté contaminada con hielo. Incluso pequeñas cantidades de hielo tendrán un efecto, y si el hielo es rugoso, de todos modos puede ser un efecto grande. Por tanto, es aconsejable aumentar la velocidad de aproximación si queda hielo en las alas. El aumento depende tanto del tipo de aeronave como de la cantidad de hielo. Las características de pérdida de una aeronave con alas contaminadas con hielo se degradarán y no son inusuales problemas graves de control de balanceo. La acumulación de hielo puede ser asimétrica entre las dos alas, lo que requiere calibración. Además, la parte exterior de un ala, que normalmente es más delgada y por lo tanto recoge mejor el hielo, puede entrar en pérdida primero en lugar de último.

Prevención y eliminación de formación de hielo.

Deshielo de un Embraer Legacy 450 antes del vuelo.

Existen varios métodos para reducir los peligros de la formación de hielo, utilizando sistemas de protección contra el hielo . La primera, y la más sencilla, es evitar por completo las condiciones de formación de hielo, pero en muchos vuelos esto no resulta práctico.

Si hay hielo (u otros contaminantes) en una aeronave antes del despegue, se deben eliminar de las superficies críticas. La eliminación puede adoptar muchas formas:

• Medios mecánicos, que pueden ser tan simples como usar una escoba o un cepillo para quitar la nieve.
• Aplicación de líquido descongelante o incluso agua caliente para eliminar hielo, nieve, etc.
• Uso de calefacción por infrarrojos para derretir y eliminar contaminantes.
• Colocar el avión en un hangar con calefacción hasta que la nieve y el hielo se hayan derretido.
• Posicionar aviones hacia el Sol para maximizar el calentamiento de las superficies cubiertas de nieve y hielo. En la práctica, este método se limita a la contaminación fina, por el tiempo y las condiciones climáticas.

Todos estos métodos eliminan la contaminación existente, pero no brindan protección práctica en condiciones de formación de hielo. Si existen condiciones de formación de hielo, o se esperan antes del despegue, se utilizan fluidos anticongelantes. Son más espesos que los líquidos descongelantes y resisten los efectos de la nieve y la lluvia durante algún tiempo. Están destinados a separar la aeronave durante el despegue y no brindan protección en vuelo.

Una bota descongelante en el ala de un avión Dash 8 . Las crestas son el resultado de que la bota se infla con aire para romperla y eliminar el hielo acumulado.

Para proteger una aeronave contra la formación de hielo en vuelo, se utilizan varias formas de antihielo o deshielo :

• Un enfoque común es encaminar el "aire de purga" del motor hacia conductos a lo largo de los bordes de ataque de las alas y los planos de cola. El aire calienta el borde de ataque de la superficie y esto derrite o evapora el hielo al contacto. En un avión propulsado por turbina, el aire se extrae de la sección del compresor del motor. Si el avión tiene un motor turboalimentado de pistón, el aire purgado se puede eliminar del turbocompresor.
• Algunas aeronaves están equipadas con botas de deshielo neumáticas que dispersan la acumulación de hielo en la superficie. Estos sistemas requieren menos aire de purga del motor, pero suelen ser menos efectivos que una superficie calentada.
• Algunos aviones utilizan un sistema de ala llorona , que tiene cientos de pequeños agujeros en los bordes de ataque y libera líquido anticongelante cuando se requiere para evitar la acumulación de hielo.
• La calefacción eléctrica también se utiliza para proteger aviones y componentes (incluidas las hélices) contra la formación de hielo. El calentamiento se puede aplicar de forma continua (normalmente en componentes pequeños y críticos, como sensores estáticos de Pitot y paletas de ángulo de ataque) o de forma intermitente, dando un efecto similar al uso de botas de deshielo .

En todos estos casos, normalmente sólo se protegen las superficies y componentes críticos de la aeronave. En particular, normalmente sólo se protege el borde de ataque de un ala.

El calor del carburador se aplica a los motores con carburador para prevenir y eliminar la formación de hielo. Los motores de inyección de combustible no son susceptibles a la formación de hielo en el carburador, pero pueden sufrir bloqueos en las entradas. En estos motores, suele estar disponible una fuente de aire alternativa.

Existe una diferencia entre deshielo y antihielo. El deshielo se refiere a la eliminación del hielo del fuselaje; El antihielo se refiere a la prevención de la acumulación de hielo en la estructura del avión.

Formación de hielo en aviones no tripulados

Los aviones no tripulados son una tecnología emergente con una gran variedad de aplicaciones comerciales y militares. La formación de hielo en vuelo se produce durante el vuelo en nubes superenfriadas o precipitaciones heladas y es un peligro potencial para todas las aeronaves. La formación de hielo en vuelo en los vehículos aéreos no tripulados impone una limitación importante en el ámbito operativo. ^[5]

Los aviones no tripulados son más sensibles y susceptibles a la formación de hielo en comparación con los aviones tripulados. ^[6] Las principales diferencias entre los UAV y los aviones tripulados en lo que respecta a la formación de hielo son:

• Tamaño y peso : Los aviones pequeños acumulan hielo más rápido y más hielo por unidad de superficie, en comparación con los aviones grandes. Los vehículos aéreos no tripulados suelen ser más pequeños que los aviones tripulados y, por tanto, más sensibles a la formación de hielo. Además, la masa añadida por la acumulación de hielo puede tener efectos negativos rápidos en los vehículos aéreos no tripulados con estrictas restricciones de peso.
• Velocidad de vuelo : Las altas velocidades provocan el calentamiento de las alas o de las hélices del avión, lo que puede contrarrestar la formación de hielo hasta cierto punto. Los UAV vuelan a velocidades más bajas que los aviones tripulados y no se beneficiarán del mismo efecto de calentamiento. Por lo tanto, la formación de hielo en los vehículos aéreos no tripulados puede producirse en un rango de temperaturas más amplio que en los aviones tripulados.
• Flujo laminar : el número de Reynolds de los vehículos aéreos no tripulados es aproximadamente un orden de magnitud inferior al de los aviones tripulados. Esto lleva a que los UAV operen en regímenes de flujo donde los efectos de flujo laminar son más frecuentes que los efectos de flujo turbulento. Debido a que el flujo laminar se altera más fácilmente que el flujo turbulento, los efectos negativos de la formación de hielo son mayores.
• Tipo : Los UAV de ala giratoria suelen ser más sensibles a la formación de hielo que los UAV de ala fija. ^[7]

Las partes del UAV más expuestas a la formación de hielo son el sensor de velocidad del aire, el borde de ataque de las superficies aerodinámicas, los rotores y las hélices.

La formación de hielo en los vehículos aéreos no tripulados es un fenómeno global y las condiciones de formación de hielo en la altitud operativa pueden ocurrir durante todo el año en todo el mundo. Sin embargo, los riesgos de formación de hielo son particularmente grandes en las zonas subárticas, el Ártico y la Antártida. En gran parte de los países nórdicos, por ejemplo, las condiciones de formación de hielo están presentes entre el 35% y más del 80% del tiempo, de septiembre a mayo. ^[7]

Accidentes relacionados con condiciones de formación de hielo

Referencias

1. Wadel, Mary (3 de agosto de 2017). "Hielo de fuselaje de avión". Centro de Investigación Glenn de la NASA . Administración Nacional de Aeronáutica y Espacio . Consultado el 8 de junio de 2019 .
2. Wadel, Mary (31 de julio de 2017). "Hielo del motor". Centro de Investigación Glenn de la NASA . Administración Nacional de Aeronáutica y Espacio . Consultado el 8 de junio de 2019 .
3. Yodice, John S. (1 de agosto de 2005). "La ley sobre la 'formación de hielo conocida'". vol. 48, núm. 8. Revista Piloto AOPA. Archivado desde el original el 1 de enero de 2015 . Consultado el 25 de abril de 2013 . {{cite magazine}}: Cite magazine requiere |magazine=( ayuda )
4. "Reglamento federal de aviación, parte 25, apéndice C". Archivado desde el original el 19 de marzo de 2012 . Consultado el 20 de septiembre de 2008 .
5. Hann, Ricardo; Johansen, Tor (2020). "Temas pendientes sobre la formación de hielo en vehículos aéreos no tripulados (Informe de investigación EPR2020008) - SAE Mobilus". saemobilus.sae.org . doi : 10.4271/epr2020008. hdl : 11250/3113980 . S2CID  226200723 . Consultado el 12 de febrero de 2021 .
6. Hann, Richard (2020). Acumulación de hielo atmosférico, sanciones por formación de hielo aerodinámica y sistemas de protección contra el hielo en vehículos aéreos no tripulados. NTNU. ISBN 978-82-326-4749-1.
7. "Limitaciones de formación de hielo atmosférico de UAV". mayo de 2021 . Consultado el 8 de diciembre de 2021 .

enlaces externos

Medios relacionados con la formación de hielo en la aviación en Wikimedia Commons

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Este archivo de audio se creó a partir de una revisión de este artículo con fecha del 9 de diciembre de 2017 y no refleja ediciones posteriores. ( 2017-12-09 )

( Ayuda de audio  · Más artículos hablados )

• Formación de hielo en aviones – Página de la NASA
• 14 CFR 25 Apéndice C – Condiciones de formación de hielo atmosférico para la certificación de aeronaves