warmfrontOblodzenie płatowca jest kolejnym z istotnych zagrożeń występujących w trakcie lotu. Dotyczy ono zarówno pilotów lotnictwa ogólnego, jak i pilotów w „dużym” przewozie lotniczym. Oblodzenie płatowca może powodować znaczący spadek osiągów samolotu, co najczęściej prowadzi do zwiększenia zużycia paliwa oraz pogorszenia właściwości lotnych oraz pilotażowych statku powietrznego. Oblodzenie nie jest łatwe do przewidzenia, dlatego niezbędnym jest zrozumienie procesów oraz zjawisk sprzyjających temu niekorzystnemu zjawisku.

 

 

Warunki powstawania oblodzenia

 

Odkładanie się lodu na powierzchniach samolotu może nastąpić jedynie przy spełnieniu poniższych warunków:

 

  1. Temperatura otoczenia poniżej 0ºC.

  2. Temperatura płatowca poniżej 0ºC.

  3. Woda występująca w stanie ciekłym (przechłodzone kropelki wody).

 

 

Przechłodzone kropelki wody

 

Przechłodzoną kropelką wody nazywa się kropelkę wody znajdującą się w stanie ciekłym w temperaturze poniżej 0ºC.

 

Większość wody występującej w atmosferze znajduje się w stanie gazowym (niewidzialna para wodna). Gdy powietrze zawierające parę wodną ulega ochłodzeniu, w pewnym momencie osiąga temperaturę punktu rosy - czyli stan nasycenia. Dalsze ochładzanie doprowadza do kondensacji (skraplania) pary wodnej. Wówczas tworzy się chmura.

 

Dla niektórych mas powietrza (stosunkowo zimnych oraz suchych) temperatura punktu rosy może mieć wartość poniżej 0ºC. Wtedy też ochładzające się powietrze, zanim osiągnie punkt rosy, wcześniej osiąga temperaturę 0ºC. W tym momencie może wytworzyć się lód w procesie tzw. resublimacji (przejście ze stanu gazowego w stan stały). Jednak by było to możliwe, niezbędna jest obecność tzw. zarodków lodu (ang. ice nucleus) lub powierzchni, na której lód mógłby osiąść. Proces resublimacji może zaistnieć w pobliżu gruntu i wówczas lód osadza się w postaci szronu. Natomiast w swobodnej atmosferze (z dala od powierzchni ziemi) zarodki lodu występują stosunkowo rzadko. Resublimacja najczęściej nie zachodzi i powietrze ulega dalszemu schładzaniu aż do osiągnięcia temperatury punktu rosy (poniżej 0ºC). Wtedy następuje kondensacja pary wodnej i powstają kropelki wody o ujemnej temperaturze. Charakterystyczną cechą powstałych przechłodzonych kropelek jest ich niestabilność. Oznacza to, że przy kontakcie z dowolną powierzchnią zmieniają stan skupienia z ciekłego na stały (lód).

 

Dla samolotu zagrożeniem wynikającym z obecności przechłodzonych kropel wody jest oblodzenie płatowca. Rodzaj oblodzenia, jego intensywność oraz szkodliwość zależą od średnicy oraz temperatury przechłodzonych kropelek wody. Zależności między temperaturą, a rozmiarami kropelek podano poniżej:

 

 

W momencie zderzenia się przechłodzonej kropelki z powierzchnią samolotu (np. krawędź natarcia skrzydła) następuje jej krzepnięcie, któremu towarzyszy wydzielanie tzw. ciepła utajonego. Powoduje ono fakt, że w zależności od rozmiaru kropelki na płatowcu mogą wytworzyć się różne rodzaje oblodzenia.

 

 

Rodzaje oblodzenia płatowca

 

  1. Lód szklisty (ang. glaze ice lub clear ice).

 

Gdy duża przechłodzona kropelka wody zderza się z krawędzią natarcia skrzydła, zaczyna ona krzepnąć. Podczas zmiany stanu skupienia wydziela się ciepło utajone, które powoduje, że tylko niewielka część kropelki natychmiast zamienia się w lód. Dużo większa jej część zaczyna przesuwać się wzdłuż górnej powierzchni skrzydła, stopniowo ulegając ochłodzeniu (oddając ciepło chłodniejszemu płatowcowi). Powoduje to wytworzenie rozległej (w stronę krawędzi spływu) warstwy przeźroczystego lodu.

 

 

CLEARice

Mechanizm powstawania oblodzenia szklistego

 

 

Zjawisko to jest jednym z najbardziej niebezpiecznych odmian oblodzenia. Tworzy ono najczęściej niewidoczną warstwę twardego lodu na znaczącej powierzchni skrzydła. Następuje istotna zmiana profilu skrzydła oraz wzrost ciężaru samolotu. Również systemy przeciwoblodzeniowe są najmniej skuteczne w walce z tego rodzaju oblodzeniem.

 

  1. Lód matowy (ang. rime ice lub opaque ice).

 

W wyniku zderzenia małej przechłodzonej kropelki z krawędzią natarcia następuje jej niemal natychmiastowe zamarznięcie. Procesowi temu towarzyszy także chwytanie niewielkich pęcherzyków powietrza. Powstaje biaława warstwa lodu o strukturze zbliżonej do plastra miodu. Ze względu na uwiązane powietrze oblodzenie to jest stosunkowo lekkie oraz kruche. Niewielki rozmiar kropelki sprawia, że warstwa zalodzenia ogranicza się przeważnie do krawędzi natarcia skrzydła.

 

 

RIMEice

Mechanizm powstawania oblodzenia matowego

 

Ten rodzaj oblodzenia jest mniej groźny w porównaniu do szklistego. Instalacje przeciwoblodzeniowe w większości przypadków skutecznie usuwają lód z  krawędzi natarcia.

 

  1. Oblodzenie mieszane (ang. mixed ice).

 

W warunkach rzeczywistych rzadko spotyka się tylko jeden z wyżej wymienionych rodzajów oblodzenia. W praktyce w atmosferze występują jednocześnie zarówno duże, jak i małe przechłodzone kropelki. Powoduje to powstawanie oblodzenia mieszanego (szklistego oraz matowego), przy czym jedno z nich jest zjawiskiem przeważającym.

 

 

Różne chmury – różne rodzaje oblodzenia

 

Rodzaj oblodzenia napotykanego w chmurach zależy również w dużym stopniu od rodzaju chmury oraz od sposobu jej formowania.

Występujące w chmurach konwekcyjnych silne prądy pionowe sprzyjają obecności dużych przechłodzonych kropel, które są przyczyną powstawania oblodzenia szklistego.

Natomiast chmury o budowie warstwowej powstają najczęściej w wyniku niewielkiej turbulencji lub stosunkowo słabych pionowych ruchów powietrza (np. podczas przechodzenia ciepłego frontu atmosferycznego). Tego typu chmury w większości zawierają małe przechłodzone kropelki, sprzyjające oblodzeniu matowemu.

 

W związku z istnieniem wielu podgrup chmur konwekcyjnych oraz warstwowych, należy wiedzieć, jakich warunków oblodzenia należy się spodziewać w konkretnej chmurze. Poniższa tabela ukazuje zależności między chmurami a najczęstszym rodzajem oblodzenia w nich występującego.

 

Chmura

Skład

Oblodzenie

Cirrus

Cirrostratus

Cirrocumulus

kryształki lodu, bardzo rzadko zmieszane z przechłodzonymi kropelkami wody

znikome, bardzo słabe

Altocumulus

Przechłodzone kropelki w zakresie 0ºC do -10ºC

 

Przechłodzone kropelki zmieszane z kryształkami lodu w zakresie -10ºC do
-30ºC

 

 

matowe,

słabe do umiarkowanego

Altostratus

przeważająca zawartość kryształków lodu

matowe,

słabe do umiarkowanego

Stratus

całkowicie z przechłodzonych kropel w temperaturze poniżej 0ºC

matowe,

słabe do umiarkowanego

Stratocumulus

głównie przechłodzone kropelki aż do -15ºC

przeważnie matowe,

umiarkowane

Nimbostratus

głównie przechłodzone kropelki aż do -15ºC

matowe

lub umiarkowane szkliste

(ponadto możliwość marznącego deszczu – patrz poniżej)

Cumulus

przechłodzone kropelki do
-20ºC

głównie szkliste,

umiarkowane do intensywnego

Cumulonimbus

przechłodzone kropelki do
-30ºC

 

przechłodzone kropelki zmieszane z kryształkami lodu w zakresie -30ºC do -45ºC

głównie szkliste,

umiarkowane do intensywnego;

 

matowe lub szkliste,

umiarkowane do intensywnego

 

clouds

 

 

Oblodzenie śmigła

 

W analogiczny sposób jak na skrzydłach, oblodzenie może się również budować na łopatach śmigła samolotu. Jest to również zjawiskiem niekorzystnym ze względu na spadek ciągu śmigła. Ponadto w wyniku powstałego niewyważenia spowodowanego oblodzeniem śmigła pojawiają się silne wibracje całego układu napędowego. W końcowym etapie, gdy warstwa lodu na śmigle jest już odpowiednio gruba, nastąpić może oderwanie od łopaty dużej bryły lodu. Pod wpływem siły odśrodkowej pochodzącej od obracającego się śmigła taka bryła może bardzo poważnie uszkodzić pokrycie samolotu.

 

 

Inne rodzaje oblodzenia

 

  1. Marznący deszcz (ang. freezing rain lub rain ice).

 

Jednym z bardziej niebezpiecznych rodzajów oblodzenia jest również tzw. marznący deszcz. Zjawisko to występuje najczęściej w umiarkowanych szerokościach geograficznych (klimat umiarkowany), gdy samolot leci w deszczu w zimnym powietrzu, a powietrze cieplejsze znajduje się powyżej. Flagowym przykładem takiej sytuacji jest ciepły front atmosferyczny w zimowej porze roku. W takim przypadku chmurą deszczową jest tzw. nimbostratus, który znajduje się w ciepłej strefie frontu. Padający z niej deszcz, o ile nie jest przechłodzony w samej chmurze, to z pewnością ulega przechłodzeniu (schładza się poniżej 0ºC pozostając w postaci kropli wody) podczas opadania przez strefę powietrza chłodnego, znajdującego się poniżej. Samolot lecący w stronę powierzchni frontowej napotyka opad marznącego deszczu. Przechłodzone krople deszczu, uderzając w powierzchnie samolotu zamieniają się w lód. Wówczas niemal na całej powierzchni skrzydła bardzo szybko narasta gruba warstwa szklistego oblodzenia, która przeważnie jest niemożliwa do usunięcia w trakcie lotu.

 

 

warmfront

Opad marznącego deszczu podczas lotu w stronę ciepłego frontu atmosferycznego

 

 

W przypadku napotkania tego rodzaju oblodzenia istnieją trzy możliwości wyjścia z obszaru zagrożenia:

  1. zawrócić

  2. wznieść się wyżej, by kontynuować lot w powietrzu ciepłym, po drugiej stronie frontu

  3. zniżyć się do wysokości poniżej izotermy 0ºC, by kontynuować lot w temperaturze dodatniej

 

Niemniej jednak, jedyną i słuszną decyzją w takiej sytuacji jest zawrócenie, w celu jak najszybszego opuszczenia strefy oblodzenia.

 

 

  1. Szron (ang. hoar frost).

 

Oszronienie powierzchni samolotu jest odmiennym zjawiskiem. Tworzy się ono zazwyczaj w przejrzystym powietrzu. Ma postać cienkiego, białego i pół-krystalicznego pokrycia lodowego (bardzo podobne do szronu powstającego na powierzchni gruntu).

Zjawisko to występuje, gdy temperatura otoczenia oraz powierzchni samolotu spada poniżej 0ºC. Wówczas zachodzi proces resublimacji (patrz powyżej) i na powierzchniach odkłada się szron. Intensywność tego zjawiska przeważnie jest niewielka.

 

Oszronienie samolotu może nastąpić zarówno na ziemi, jak i w powietrzu:

 

Na ziemi:

Szron powstaje przeważnie przez noc i jest identyczny ze szronem, który odkłada się na trawie, samochodach czy powierzchni ziemi.

Osad musi zostać usunięty przed lotem, ze względu na następujące komplikacje:

 

W powietrzu:

Podczas lotu oszronienie może powstać w dwóch przypadkach:

 

W przyszłym tygodniu: Niebezpieczeństwa w locie - oblodzenie płatowca cz. 2 – Skutki oblodzenia i instalacje przeciwoblodzeniowe

 

 

Oprac. Mateusz Kowalski