Oblodzenie #1 – jak powstaje i czym grozi

W ostatnich dniach obserwowaliśmy znaczne zróżnicowanie warunków pogodowych w Polsce z jej termicznym podziałem na ciepłe południe i mroźną północ. Taki obraz synoptycznej sytuacji w Polsce kształtowany był przez wymrożone powietrze wyżu skandynawskiego, którego masy ścierały się nad naszym krajem z ciepłym i wilgotnym powietrzem niżu śródziemnomorskiego, co w konsekwencji przyniosło opady śniegu na północy, deszczu na południu i marznącego deszczu w strefie kontaktu tych obszarów.

W poniedziałek i wtorek sytuację pogodową na południu Polski skomplikował jednak rozkład mas powietrza obu tych frontów charakteryzujący się tym, że miąższość mroźnego powietrza skandynawskiego osiągała wartość 400 – 500 m AGL*, a powyżej tej warstwy następował wzrost temperatury powietrza do wartości dodatnich. Skutkiem takiej sytuacji były obfite opady marznącego deszczu, których wystąpienie można było obserwować w bieżących komunikatach pogodowych dla FIR Warszawa. W informacji SIGMET** wydanej 21 stycznia 2014 roku przez meteorologiczne biura nadzoru podano występowanie silnego oblodzenia na wysokości od poziomu terenu do poziomu FL 040:

579
WSPL31 EPWA 210426
EPWW SIGMET 2 VALID 210435/210835 EPWA-
EPWW WARSAW FIR SEV ICE (FZRA) OBS S OF LINE N5340 E01430 – N5200 E02330 AND S OF LINE N5030 E01620 – N4920 E02230 SFC/FL040 STNR NC=

W czasie obowiązywania powyższego ostrzeżenia na katowickim lotnisku rejestrowaliśmy opad marznącego deszczu, oznaczanego w komunikatach meteorologicznych symbolami FZRA (z ang. freezing rain), co mogliście zaobserwować w publikowanych METARach, m.in. z godz. 0630 UTC i 0700 UTC:

METAR EPKT 210630Z 06009KT 5000 -FZRA BR SCT003 BKN005 M01/M01 Q1006 =
METAR EPKT 210700Z 06009KT 7000 -FZRA SCT003 BKN005 M02/M02 Q1006 =

Na poznańskiej Ławicy występował w tym samym czasie (METAR z godz. 0630 UTC) opad deszczu lodowego (oznaczenie – PL), którego skutki odzwierciedliły się również w stanie nawierzchni pasa startowego, który uległ całkowitemu zalodzeniu***:

METAR EPPO 210630Z 08010KT 5000 -PL BR BKN006 OVC014 M05/M06 Q1011 REFZRA R10/790291 =

Powyższa analiza minionych warunków pogodowych w naszym kraju nie oznacza wcale, że zmieniamy tematykę bloga na meteorologię, ale ma na celu wprowadzenie do omówienia jednego z najbardziej niebezpiecznych zjawisk w lotnictwie, jakim jest oblodzenie, któremu zamierzam poświęcić także kolejny tekst.

Zjawisko to występuje zarówno na ziemi, jak i w czasie lotu i polega na tworzeniu się powłoki lodowej na powierzchni płatowca (krawędzie natarcia, powierzchnie skrzydeł i stateczników), elementów zespołu napędowego (wloty silnikowe, wlotowe stopnie sprężarek, śmigła) oraz w jego instalacjach, co istotnie wpływa na bezpieczeństwo lotu.

Skutki oblodzenia objawiają się na kilka sposobów, przede wszystkim poprzez zmniejszenie siły nośnej i wystąpienie znacznych przyrostów oporu, przyrost masy samolotu i zmianę położenia jego środka ciężkości, co ma decydujący wpływ na wyważenie samolotu i jego pilotowanie, oblodzenie ciśnieniowych urządzeń pilotażowych, co w efekcie daje błędne odczyty przyrządów ciśnieniowych (wysokościomierza barometrycznego, prędkościomierza, wariometru, wskaźnika liczby Macha), czy chociażby osadzanie się lodu na przedniej szybie, powodujące ograniczenie widzialności. Okazuje się, że oblodzenie pojawia się najszybciej na cienkich profilach o małej cięciwie takich, jak końcówki skrzydeł i usterzenia. Lód powstaje też 2 – 3 razy szybciej na usterzeniach niż na skrzydłach.

Warunki zamarzania „na ziemi” powstają wówczas, gdy zewnętrzna temperatura powietrza jest niższa niż +3°C i dostrzegalna jest wilgoć w jakiejkolwiek formie (np. mgła przy widzialności poziomej poniżej 1,5 km, deszcz, śnieg, deszcz ze śniegiem lub kryształki lodu) lub na pasie startowym znajduje się woda, rozmokły śnieg, lód lub śnieg.

Oprócz wspomnianych warunków atmosferycznych zjawisku temu sprzyja również tzw. przechłodzona powierzchnia skrzydła (cold – soak effect), z którą mamy do czynienia wtedy, gdy zbiorniki w skrzydle zawierają bardzo zimne paliwo wychłodzone w czasie lotu na dużych wysokościach przelotowych, zostały zatankowane zimnym paliwem lub gdy dotankowana ilość paliwa nie powoduje dostatecznego podwyższenia jego temperatury w zbiorniku.

Zalegające na powierzchni skrzydeł i kadłuba formy oblodzenia mogą wydłużyć rozbieg, a poprzez zmianę charakterystyk lotnych samolotu biorących się m.in. z zaburzenia opływu skrzydeł i zwiększenia jego ciężaru doprowadzić nawet do przeciągnięcia tuż po starcie i rozbicia samolotu, dlatego też zanieczyszczenia te powinny być bezwzględnie usuwane z samolotu.

W czasie lotu niebezpieczne oblodzenie samolotu występuje z kolei w sytuacji, gdy odbywa się on w chmurze lub opadzie, a temperatura powietrza jest ujemna do wartości ok. -15°C, a w skrajnych przypadkach nawet do -42°C. Najgorszym wariantem jest w takich warunkach mżawka lub opad marznącego deszczu, który powoduje bardzo szybki przyrost grubej warstwy szklistego oblodzenia, przeważnie niemożliwego do usunięcia w trakcie lotu i może pozbawić samolot zdolności do lotu już po kilku minutach.

Zjawisko to pojawia się wówczas, gdy opady pochodzące z cieplejszych mas powietrza spadają poprzez strefę inwersji temperatury dostając się do schłodzonego poniżej 0°C powietrza zalegającego niżej. Takie przechłodzone krople, uderzając w powierzchnie samolotu, niemal natychmiast zamieniają się w lód. Załodze wchodzącej w takie warunki pozostaje zatem zawrócić w celu jak najszybszego opuszczenia obszaru zagrożenia, wznieść się wyżej, by kontynuować lot w ciepłym powietrzu po drugiej stronie frontu lub obniżyć lot do wysokości poniżej izotermy 0°C, by kontynuować go w temperaturze dodatniej.

Jak zatem radzić sobie z oblodzeniem? Ze względu na fakt, że nie zawsze możliwe jest wykonywanie lotów poza rejonami występowania warunków sprzyjających powstawaniu oblodzenia, statki powietrzne wyposażone są w różnego rodzaju sygnalizatory i czujniki oblodzenia, które poza sygnalizacją w kabinie pilota komunikatu „oblodzenie” umożliwiają automatyczne sterowanie pokładowymi systemami odladzającymi.

W obliczu takiego zagrożenia na pewno zdecydowanie lepiej zapobiegać niż leczyć. Dlatego też w krytycznych miejscach samolotu rozmieszcza się czujniki detekcji oblodzenia, które sygnalizują powstawanie oblodzenia w powietrzu, a poprzez ich sprzężenie z instalacjami anti-icing powodują ich automatyczne uruchomienie. W sytuacji, gdy zawiedzie system automatyczny załoga, oceniwszy wzrokowo odpowiednie parametry lotu i pracy zespołu napędowego (m.in. zmniejszenie mocy i ciągu silników, spadek maksymalnego pułapu lotu i maksymalnej prędkości wznoszenia, pojawienie się drgań na wolancie przy braku drgań płatowca czy znaczny wzrost sił na drążku sterowym podczas wypychania klap podczas podejścia i lądowania) ma możliwość ręcznego uruchomienia instalacji przeciwoblodzeniowej. Zbyt późne włączenie instalacji przeciwoblodzeniowej silników może doprowadzić nawet do ich wyłączenia.

Systemy do walki z lodem na samolotach dzieli się na dwie podstawowe grupy – urządzenia odladzające (de-icing), usuwające powstały już lód z krytycznych powierzchni płatowca (np. system Goodrich pneumatycznych komór do mechanicznego usuwania lodu, stosowany najczęściej w samolotach z napędem tłokowym) oraz urządzenia przeciwoblodzeniowe (anti-icing), które mają za zadanie uniemożliwić powstawanie warstwy lodu na newralgicznych częściach płatowca i zespołu napędowego zanim dostanie się on w strefę oblodzenia (urządzenia elektryczne, termiczne lub chemiczne).

W samolotach z silnikami odrzutowymi stosuje się najczęściej układy ogrzewania ciepłym powietrzem pobieranym z jednej ze sprężarek lub pobieranym z otoczenia i ogrzewanym w wymienniku ciepła z wykorzystaniem gorących gazów spalinowych. W silnikach Rolls – Royce Trent 900 stosowanych do napędzania Airbusów A380, dla zabezpieczenia przed oblodzeniem wlotów pobiera się powietrze w ilości 1,16 – 1,39% masowego natężenia przepływu przez kanał wewnętrzny. Metoda chemiczna polega na zastosowaniu specjalnych płynów na bazie glikolu, którym zarówno na ziemi, jak i w trakcie lotu pokrywa się chronione powierzchnie przed powstaniem oblodzenia.

W następnym materiale przyjrzymy się zapisom instrukcji FCOM**** wybranych samolotów w zakresie czynności związanych z unikaniem/przeciwdziałaniem oblodzeniu oraz procedurom anti-/de-icing agenta handlingowego. Pokażę też na przykładach w jaki sposób możecie samodzielnie sprawdzić w komunikatach meteorologicznych wystąpienie zjawisk sprzyjających oblodzeniu.

*AGL (above ground level) – nad poziomem terenu.

**SIGMET (SIGnificant METeorological Information).Informacja wydana przez meteorologiczne biuro nadzoru dotycząca faktycznego lub przewidywanego występowania określonych zjawisk     meteorologicznych na trasie lotu, które mogą wpłynąć na bezpieczeństwo statków powietrznych.

*** R10/790291, gdzie: R10 – kierunek pasa startowego, dla którego opublikowano informację, 7 – lód, 9 – pokrycie pasa 51 – 100%, 02 – grubość pokrywy w [mm], 9 – zdolność do hamowania oceniana doświadczalnie oraz 1 – hamowanie złe (jest to najniższa możliwa wartość oceny skuteczności hamowania, co w efekcie oznacza wstrzymanie wszystkich operacji lotniczych na pasie).

****FCOM (Flight Crew Operations Manual) – instrukcja operacyjna w locie.

Tekst: Michał Stanek, Jednostka Realizująca Projekt
Zdjęcie: Piotr Adamczyk, Dział Komunikacji i Promocji