En aeronáutica , los sistemas de protección contra el hielo evitan que la humedad atmosférica se acumule en las superficies de las aeronaves , como alas, hélices , palas del rotor , tomas de motores y tomas de control ambiental . La acumulación de hielo puede cambiar la forma de los perfiles aerodinámicos y las superficies de control de vuelo , degradando las características de control y manejo, así como el rendimiento. Un sistema antihielo, deshielo o de protección contra el hielo previene la formación de hielo o permite que la aeronave se deshaga del hielo antes de que se vuelva peligroso.
La formación de hielo en las aeronaves aumenta el peso y la resistencia, disminuye la sustentación y puede disminuir el empuje. El hielo reduce la potencia del motor al bloquear las entradas de aire. Cuando el hielo se acumula al congelarse tras el impacto o al congelarse como escorrentía, cambia la aerodinámica de la superficie modificando la forma y la suavidad de la superficie, lo que aumenta la resistencia y disminuye la sustentación del ala o el empuje de la hélice. Tanto una disminución en la sustentación del ala debido a una forma alterada del perfil aerodinámico como el aumento de peso debido a la carga de hielo generalmente resultarán en tener que volar en un mayor ángulo de ataque para compensar la pérdida de sustentación para mantener la altitud. Esto aumenta el consumo de combustible y reduce aún más la velocidad, lo que hace que sea más probable que se produzca una pérdida y que el avión pierda altitud.
El hielo se acumula en las palas de los rotores de los helicópteros y en las hélices de los aviones , provocando desequilibrios aerodinámicos y de peso que se amplifican debido a su rotación.
Los sistemas antihielo instalados en motores a reacción o turbohélices ayudan a prevenir problemas de flujo de aire y evitan el riesgo de daños internos graves al motor por la ingestión de hielo. Estas preocupaciones son más graves con los turbohélices, que con mayor frecuencia tienen curvas cerradas en la vía de admisión donde el hielo tiende a acumularse. [1]
La bota neumática suele estar hecha de capas de caucho u otros elastómeros , con una o más cámaras de aire entre las capas. Si se utilizan varias cámaras, normalmente tienen forma de franjas alineadas con la dirección larga de la bota. Por lo general, se coloca en el borde de ataque de las alas y los estabilizadores de un avión. Las cámaras se inflan y desinflan rápidamente, ya sea simultáneamente o siguiendo un patrón de cámaras específicas únicamente. El rápido cambio de forma de la bota está diseñado para romper la fuerza adhesiva entre el hielo y la goma y permitir que el aire que pasa por el ala se lleve el hielo. Sin embargo, el hielo debe desprenderse limpiamente de las secciones posteriores de la superficie, o podría volver a congelarse detrás del área protegida. La nueva congelación del hielo de esta manera fue un factor que contribuyó al accidente del vuelo 4184 de American Eagle .
Se pensaba que las botas neumáticas más antiguas estaban sujetas a formación de puentes de hielo. El aguanieve podría empujarse fuera del alcance de las secciones inflables de la bota antes de que se endurezca. Esto se resolvió acelerando el ciclo de inflación/deflación y alternando el tiempo de las celdas adyacentes. [3] Las pruebas y los estudios de casos realizados en la década de 1990 han demostrado que los puentes de hielo no son una preocupación importante en los diseños de botas modernos. [4]
Las botas neumáticas son apropiadas para aviones de baja y media velocidad, sin dispositivos de elevación de borde de ataque como slats , por lo que este sistema se encuentra más comúnmente en aviones turbohélice más pequeños como el Saab 340 y el Embraer EMB 120 Brasilia . Las botas neumáticas de deshielo a veces se encuentran en otros tipos, especialmente en aviones más antiguos. Rara vez se utilizan en los aviones a reacción modernos. Fue inventado por BF Goodrich en 1923.
A veces llamados ala llorona, [5] funcionamiento húmedo o sistema evaporativo, estos sistemas utilizan un líquido descongelante, generalmente a base de etilenglicol o alcohol isopropílico para evitar la formación de hielo y romper el hielo acumulado en superficies críticas de una aeronave. [6] Una o dos bombas accionadas eléctricamente envían el fluido a unidades dosificadoras que dividen el flujo entre las áreas a proteger. Se utiliza una segunda bomba como redundancia, especialmente en aviones certificados para volar en condiciones de formación de hielo conocidas , con bombas mecánicas adicionales para el parabrisas. El fluido pasa a través de orificios en los paneles en los bordes de ataque de las alas, estabilizadores horizontales, carenados, puntales, entradas del motor y desde un anillo deflector en la hélice y el rociador del parabrisas. Estos paneles tienen orificios perforados de 1 ⁄ 400 pulgadas (0,064 mm) de diámetro, con 800 orificios por pulgada cuadrada (120/cm 2 ). El sistema es autolimpiante y el fluido ayuda a limpiar el avión antes de que sea arrastrado por la estela. [7] [8] El sistema fue utilizado inicialmente durante la Segunda Guerra Mundial por los británicos , habiendo sido desarrollado por Tecalemit-Kilfrost-Sheepbridge Stokes (TKS) . [8]
Las ventajas de los sistemas de fluidos son la simplicidad mecánica y la mínima interrupción del flujo de aire debido a los minúsculos orificios; esto hizo que los sistemas fueran populares en los aviones comerciales más antiguos . Las desventajas son mayores requisitos de mantenimiento que las botas neumáticas, el peso del líquido potencialmente innecesario a bordo de la aeronave, el suministro finito de líquido cuando es necesario y la necesidad impredecible de rellenar el líquido, lo que complica las paradas en ruta. [9]
Los sistemas de purga de aire son utilizados por la mayoría de los aviones grandes con motores a reacción o turbohélices. El aire caliente se "purga" de una o más secciones del compresor de los motores hacia tubos que pasan por las alas, las superficies de la cola y las entradas del motor. El aire gastado sale a través de agujeros en la parte inferior de las alas.
Una desventaja de estos sistemas es que suministrar una cantidad adecuada de aire purgado puede afectar negativamente el rendimiento del motor. A menudo se requieren ajustes de potencia más altos de lo normal durante el crucero o el descenso, particularmente con uno o más motores inoperativos. Más importante aún, el uso de aire purgado afecta los límites de temperatura del motor y a menudo requiere ajustes de potencia reducidos durante el ascenso, lo que puede causar una pérdida sustancial del rendimiento en ascenso con consecuencias particularmente críticas si un motor fallara. Esta última preocupación ha dado lugar a que los sistemas de purga de aire sean poco comunes en aviones de turbinas pequeñas, aunque se han implementado con éxito en algunos aviones pequeños como el Cessna CitationJet . [10] [11]
Los sistemas electrotérmicos utilizan bobinas calefactoras (muy parecidas a un elemento de estufa de bajo rendimiento) enterradas en la estructura del fuselaje para generar calor cuando se aplica una corriente. El calor se puede generar de forma continua o intermitente. [12]
El Boeing 787 Dreamliner utiliza protección electrotérmica contra el hielo. En este caso, las bobinas calefactoras están incrustadas dentro de la estructura compuesta del ala. Boeing afirma que el sistema utiliza la mitad de energía que los sistemas de purga de aire alimentados por motor y reduce la resistencia y el ruido. [13]
Las bobinas calefactoras de lámina grabada se pueden unir al interior de los revestimientos metálicos de los aviones para reducir el uso de energía en comparación con los circuitos integrados, ya que operan con densidades de energía más altas. [14] Para la aviación general , ThermaWing utiliza una lámina de grafito flexible y eléctricamente conductora unida al borde de ataque del ala. Los calentadores eléctricos calientan la lámina que derrite el hielo.
Se pueden incrustar pequeños cables u otros materiales conductores en el parabrisas para calentarlo. Los pilotos pueden encender la calefacción eléctrica para proporcionar suficiente calor para evitar la formación de hielo en el parabrisas. Sin embargo, los calentadores eléctricos del parabrisas sólo se pueden utilizar en vuelo, ya que pueden sobrecalentar el parabrisas. También pueden provocar errores de desviación de la brújula de hasta 40°. [15]
Una propuesta utilizó nanotubos de carbono formados en filamentos delgados que se hilaban hasta formar una película de 10 micrones de espesor. La película es un mal conductor eléctrico debido a los espacios entre los nanotubos. En cambio, la corriente provoca un rápido aumento de temperatura, calentándose dos veces más rápido que el nicromo , el elemento calefactor elegido para el deshielo en vuelo, mientras utiliza la mitad de energía con una diezmilésima parte del peso. El material suficiente para cubrir las alas de un 747 pesa 80 g (2,8 oz) y cuesta aproximadamente el 1% del nicrom. También se han sugerido calentadores de aerogel , que podrían dejarse encendidos continuamente a baja potencia. [dieciséis]
Los sistemas electromecánicos de deshielo por expulsión (EMEDS) utilizan una fuerza de percusión iniciada por actuadores dentro de la estructura que inducen una onda de choque en la superficie a limpiar. [17] [18] También se han desarrollado sistemas híbridos que combinan el EMEDS con elementos calefactores, donde un calentador evita la acumulación de hielo en el borde de ataque del perfil aerodinámico y el sistema EMED elimina las acumulaciones detrás de la parte calentada del perfil aerodinámico. [19]
Los sistemas pasivos emplean superficies hielofóbicas . La icefobicidad es análoga a la hidrofobicidad y describe una propiedad del material que es resistente a la formación de hielo. El término no está bien definido pero generalmente incluye tres propiedades: baja adhesión entre el hielo y la superficie, prevención de la formación de hielo y efecto repelente sobre las gotas sobreenfriadas. [20] La icefobicidad requiere propiedades materiales especiales, pero no es idéntica a la hidrofobicidad . [21]
Para minimizar la acumulación, los investigadores buscan materiales icefóbicos . Los candidatos incluyen nanotubos de carbono y superficies porosas infundidas con líquido resbaladizo (SLIPS, por sus siglas en inglés) que repelen el agua cuando se forma hielo. [22]