Formación de hielo de agua en las superficies de los aviones
Hielo acumulado y parcialmente eliminado en el ala de un Beechcraft King Air
En aeronáutica , la formación de hielo es la formación de hielo de agua en una aeronave. La formación de hielo ha provocado numerosos accidentes mortales en la historia de la aviación. La acumulación de hielo puede afectar las superficies externas de una aeronave (en cuyo caso se denomina formación de hielo en la estructura [1] ) o el motor , lo que da como resultado la formación de hielo en el carburador , la entrada de aire o, de forma más genérica, la formación de hielo en el motor [2] . Estos fenómenos pueden ocurrir juntos, pero no necesariamente.
No todas las aeronaves, especialmente las de aviación general , están certificadas para volar en condiciones de formación de hielo conocidas (FIKI), es decir, volar en áreas con condiciones de formación de hielo ciertas o probables de existir, según informes de pilotos , observaciones y pronósticos . [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 se dan cuando el aire contiene gotitas de agua superenfriada . Se congelan al entrar en contacto con un sitio de nucleación potencial, que en este caso son las partes de la aeronave, lo que provoca la formación de hielo. Las condiciones de formación de hielo se caracterizan cuantitativamente por el tamaño promedio de las gotitas, 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 las condiciones de formación de hielo [4] en las que algunas aeronaves están certificadas para volar. Las llamadas condiciones SLD, o de gotas grandes superenfriadas, son aquellas que exceden esa especificación y representan un peligro particular para las aeronaves, que todas las aeronaves deben tratar de evitar.
En términos cualitativos, 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, distintas aeronaves pueden informar las mismas condiciones cuantitativas con distintos niveles de formación de hielo. A menudo se utilizan detectores de hielo para indicar la presencia de condiciones de formación de hielo.
Tipos de hielo estructural
Hielo de gotas grandes superenfriadas (SLD) en un avión de investigación Twin Otter de la NASA
El hielo transparente suele ser transparente y liso. Las gotas de agua superenfriada, 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 alisa. Esta forma de hielo también se llama glaseado.
El hielo mixto es una combinación de hielo transparente y escarchado, que posee ambas propiedades.
El hielo helado es el resultado de la congelación del agua sobre superficies desprotegidas mientras el avión está parado, incluso antes de que comience el vuelo. Esto puede ser peligroso cuando se intenta volar porque altera el flujo de aire de la capa límite del perfil aerodinámico y provoca una pérdida aerodinámica prematura y, en algunos casos, un aumento drástico de la resistencia aerodinámica, lo que hace que el despegue sea peligroso o imposible, lo que podría provocar accidentes de forma prematura.
El hielo SLD se refiere al hielo formado en condiciones de gotas grandes superenfriadas (SLD). Es similar al hielo transparente, pero debido a que el tamaño de las gotas es grande, se extiende a partes desprotegidas de la aeronave y forma formas de hielo más grandes, más rápido que en condiciones normales de formación de hielo, de las que casi todas las aeronaves no están lo suficientemente protegidas. Este fue un factor en el accidente del vuelo 4184 de American Eagle .
Normalmente, el ala entrará en pérdida con un ángulo de ataque menor y, por lo tanto, con una velocidad aerodinámica mayor cuando esté contaminada con hielo. Incluso pequeñas cantidades de hielo tendrán un efecto, y si el hielo es rugoso, puede ser un efecto importante. Por lo tanto, es aconsejable aumentar la velocidad de aproximación si queda hielo en las alas. La magnitud del 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 es inusual que se produzcan graves problemas de control del alabeo. 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, un mejor colector de hielo, puede entrar en pérdida primero en lugar de último.
Efecto sobre aeronaves no tripuladas
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 en precipitaciones heladas y es un peligro potencial para todas las aeronaves. La formación de hielo en vuelo en los UAV impone una importante limitación en la envolvente operativa. [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 : las aeronaves pequeñas acumulan hielo más rápido y más hielo por unidad de área, en comparación con las aeronaves grandes. Los UAV son típicamente más pequeños que las aeronaves tripuladas y, por lo tanto, más sensibles a la formación de hielo. Además, la masa adicional derivada de la acumulación de hielo puede tener efectos negativos rápidos en los UAV con restricciones de peso estrictas.
Velocidad de vuelo : las velocidades elevadas provocan un calentamiento de las alas o las hélices de la aeronave, lo que puede contrarrestar la formación de hielo hasta cierto punto. Los UAV vuelan a velocidades más bajas que las aeronaves tripuladas y no se benefician del mismo efecto de calentamiento. Por lo tanto, la formación de hielo en los UAV puede producirse en un rango más amplio de temperaturas que en las aeronaves tripuladas.
Flujo laminar : el número de Reynolds de los UAV es aproximadamente un orden de magnitud menor que el de las aeronaves tripuladas. Esto hace que los UAV operen en regímenes de flujo donde los efectos del flujo laminar son más frecuentes que los del flujo turbulento. Debido a que el flujo laminar se altera con mayor facilidad que el flujo turbulento, los efectos negativos de la formación de hielo son mayores.
Tipo : Los vehículos aéreos no tripulados de ala giratoria suelen ser más sensibles a la formación de hielo que los vehículos aéreos no tripulados de ala fija. [7]
Las partes del UAV más expuestas a la formación de hielo son el sensor de velocidad aerodinámica, el borde de ataque de las superficies aerodinámicas, los rotores y las hélices.
La formación de hielo en los UAV es un fenómeno global y puede producirse durante todo el año en cualquier parte del mundo a la altitud operativa. Sin embargo, los riesgos de formación de hielo son especialmente grandes en las regiones subárticas, el Ártico y la Antártida. En gran parte de los países nórdicos, por ejemplo, la formación de hielo está presente entre el 35 % y más del 80 % del tiempo entre septiembre y mayo. [7]
Prevención y eliminación
Descongelando un Embraer Legacy 450 antes del vuelo.
Existen varios métodos para reducir los peligros de la formación de hielo. El primero, y el más simple, es evitar por completo la formación de hielo, pero para muchos vuelos esto no es práctico.
Protección previa al vuelo
Si hay hielo (u otros contaminantes) en una aeronave antes del despegue, es necesario eliminarlos de las superficies críticas. La eliminación puede realizarse de muchas formas:
Medios mecánicos, que pueden ser tan simples como usar una escoba o un cepillo para quitar la nieve.
Aplicación de líquido antihielo o incluso agua caliente para eliminar hielo, nieve, etc.
Uso de calentamiento por infrarrojos para fundir y eliminar contaminantes.
Colocar el avión en un hangar calentado hasta que la nieve y el hielo se hayan derretido.
Posicionar el avión 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, según el tiempo y las condiciones climáticas.
Todos estos métodos eliminan la contaminación existente, pero no ofrecen ninguna protección práctica en condiciones de formación de hielo. Si existen condiciones de formación de hielo, o se prevé que se forme antes del despegue, se utilizan líquidos antihielo. Estos son más espesos que los líquidos descongelantes y resisten los efectos de la nieve y la lluvia durante algún tiempo. Su objetivo es desprenderse de la aeronave durante el despegue y no ofrecen protección durante el vuelo.
Sistemas de protección en vuelo
Una bota antihielo en el ala de un avión Dash 8. Las crestas son el resultado de inflar la bota con aire para agrietarla y eliminar el hielo acumulado.
Un método habitual consiste en dirigir el "aire de purga" del motor hacia conductos situados a lo largo de los bordes de ataque de las alas y los estabilizadores. El aire calienta el borde de ataque de la superficie y esto derrite o evapora el hielo al entrar en contacto con él. En un avión propulsado por turbina, el aire se extrae de la sección del compresor del motor. Si el avión está propulsado por turbocompresores de pistón, el aire de purga se puede extraer del turbocompresor.
Algunas aeronaves están equipadas con botas antihielo neumáticas que dispersan la acumulación de hielo en la superficie. Estos sistemas requieren menos aire de purga del motor, pero suelen ser menos eficaces que una superficie calentada.
Algunas aeronaves utilizan un sistema de alas llorosas , que tiene cientos de pequeños orificios en los bordes de ataque y libera líquido antihielo a demanda para evitar la acumulación de hielo.
El calentamiento eléctrico también se utiliza para proteger a las aeronaves y sus componentes (incluidas las hélices) contra la formación de hielo. El calentamiento puede aplicarse de forma continua (normalmente en componentes pequeños y críticos, como los sensores estáticos de Pitot y los álabes de ángulo de ataque) o de forma intermitente, lo que produce un efecto similar al uso de botas antihielo .
En todos estos casos, normalmente solo se protegen las superficies y componentes críticos de la aeronave. En particular, suele protegerse únicamente el borde de ataque del ala.
El calor del carburador se aplica a los motores con carburador para evitar y eliminar la formación de hielo. Los motores con 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 haber una fuente de aire alternativa disponible.
Existe una diferencia entre el deshielo y el antihielo. El deshielo se refiere a la eliminación del hielo de la estructura del avión, mientras que el antihielo se refiere a la prevención de la acumulación de hielo en la estructura del avión.
^ Yodice, John S. (1 de agosto de 2005). "La ley sobre 'formación de hielo conocida'". Revista de pilotos de la AOPA . Vol. 48, núm. 8. Archivado desde el original el 1 de enero de 2015. Consultado el 25 de abril de 2013 .
^ "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 .
^ Hann, Richard; Johansen, Tor (2020). "Temas pendientes de resolver en 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 .
^ Hann, Richard (2020). Acumulación de hielo atmosférico, penalizaciones por formación de hielo aerodinámico y sistemas de protección contra el hielo en vehículos aéreos no tripulados. NTNU. ISBN978-82-326-4749-1.
^ ab "Limitaciones de la formación de hielo atmosférico en los UAV". Mayo de 2021. Consultado el 8 de diciembre de 2021 .
Enlaces externos
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Entrenamiento de formación de hielo en aeronaves de la NASA
14 CFR 25 Apéndice C – Condiciones de formación de hielo atmosférico para la certificación de aeronaves
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