پدیده یخ زدگی در هواپیما

کسانی که شیشه ماشینشان را در زمستان تمیز کرده اند می توانند تصور کنند که یخ زدگی می تواند باعث چه مشکلاتی شود

کسانی که شیشه ماشینشان را در زمستان تمیز کرده اند می توانند تصور کنند که یخ زدگی می تواند باعث چه مشکلاتی شود. بر خلاف اتومبیل، یخ زدگی در هواپیما نه تنها باعث کاهش دید خلبان می شود (البته با تولید و سایل ناوبری پیشرفته این مساله زیاد بحرانی نمی باشد ) بلکه مهمتر از آن می تواند توانایی پرواز را هم تحت تاثیر قرار دهد. در این مقاله به توضیح پدیده یخ زدگی، انواع آن و راه های جلوگیری از این پدیده می پردازیم.

یکی از پدیده های ناخوشایندی که در پرواز اتفاق می افتد، یخ زدگی است زیرا با تشکیل یخ، سطح صاف لازم برای جریان هوا از بین رفته و نیروی پسا افزایش می یابد همچنین توانایی تولید نیروی برآی ایرفول هم کاهش می یابد. مقدار افزایش وزن ناشی از این یخ ها در مقایسه با اختلالاتی که در جریان هوا ایجاد میکنند، بسیار ناچیز است. بنابراین برای جبران این پسای اضافی نیروی پیشران هواپیما نیز باید افزایش یابد حتی ممکن است نیاز باشد تجهیزات دیگری نیز برای تولید نیرو به هواپیما اضافه شود. دماغه هواپیما هم، برای تولید نیروی بر آی بیشتر و جلوگیری از کاهش ارتفاع باید بالاتر رود. اما با افزایش زاویه حمله، میزان یخ روی بالها و بدنه به طور ناخوشایندی افزایش می یابد.

یخ نه تنها سطح بال، بلکه روی تمامی سطوح بدون حفاظ هواپیما از جمله ملخ، شیشه جلو، آنتن ها، هواش ها، رودی هوا و پوسته موتور را هم می پوشانند. این یخ ها می توانند باعث ارتعاش شدید آنتن ها و حتی شکسته شدن آن ها شوند. در حالت عادی، این شرایط می تواند به اندازه ای وخیم باشد که مانع از ادامه پرواز یک هواپیما سبک شود.

به دلیل وجود این یخ ها، هواپیما ممکن است در سرعت های بالاتر و زوایای حمله کمتری نسبت به حالت عادی استال کرده وبه صورت غیر قابل کنترلی roll و Pitch کند.یخ ها همچنین می توانند با تشکیل شدن در کاربراتور سبب گرفتگی موتور شده و یا در مورد موتورهای انژکتوری باعث انسداد راه هوا می شوند.

● انواع یخ وتاثیرات آن در پرواز

در یک تقسیم بندی کلی یخ به وجود آمده

۱) یخ سازه ای

۲) یخ القایی تقسیم می شود.

● یخ سازه ای

این نوع یخ در اثر کاهش طبیعی دما روی سازه تشکیل شده، به قسمت بیرونی هواپیما می چسبد و در سه دسته زیر مورد بررسی قرار می گیرد:

۱) یخ های نوع Rime که رنگ سفید کدر و سطح زبری دارند و به طور فشرده روی خطوط مرزی سطوح قرار می گیرند.

۲) یخ Glaze یا Clear که بعضی اوقات به صورت صاف و شفاف مشاهده می شود ولی معمولا شامل توده ای از هوا بوده و در نتیجه ظاهری نیمه شفاف وناهموار پیدا می کند. این یخ ها چگال تر، سخت تر وشفاف تر از یخ های نوع rime بوده وشکستن آن ها هم مشکل تر است.

۳) یخ مرکب که ترکیبی از انواع یخهای Clean و Rime است.

یخ ایجاد شده روی هواپیما، جریان هوای روی بال را منحرف کرده، ماکزیمم نیروی بر آی بال ها و همچنین زاویه حمله ماکزیمم را کاهش می دهد و سبب افزایش نیروی پسا نیز می شود. تونل های باد وتست های پروازی نشان داده اند که برف و یخ دانه های روی لبه حمله یا سطوح بالایی که به ضخامت و زبری دانه های کاغذ سنباده هستند، میتوانند نیروی برآ را تا ۳۰ درصد کاهش داده و باعث افزایش ۴۰ درصدی نیروی پسا شوند. دانه های بزرگتر باعث کاهش بیشتر نیروی برآ و افزایش نیروی پسا تا ۸۰ درصد ویا حتی بیشتر، می شوند. تحقیقات ناسا نشان می دهد که حتی پس از یخ زدایی سطوح حفاظت شده، نزدیک به ۳۰ درصد پسای کلی ناشی از یخ زدگی باقی می ماند. زیرا حتی هواپیماهایی که به وسایل لازم برای پرواز در شرایط یخ زدگی مجهز شده اند، در بخش هایی که به این سیستم مجهز نیستند، با پدیده یخ زدگی مواجه می شوند. این بخش ها شامل آنتن ها، اتصالات بالچه ها، ارابه های فرود ثابت، برف پاکن ها و... میباشند.

● یخ القایی

همه یخ های موجود در هواپیما، یخ های سازه ای نیستند، نوع دیگری از یخ زدگی به نام یخ زدگی القایی در هواپیما وجود دارد که دارای دو حالت است

۱) یخ زدگی کاربراتور و

۲) ۲- انسداد ورودی هوا. تصادفات ناشی از این نوع یخ زدگی در حدود ۵۲ درصد از کل تصادفات ناشی از یخ را تشکیل میدهد.

در صورت عدم پیشگیری و اندازه گیری های صحیح، یخ زدگی کاربراتور می تواند باعث از کارافتادگی کامل آن شود. در یک موتور معمولی فرایند مخلوط شدن در کاربراتور، دمای هوای ورودی را تا ۶۰ درجه فارنهایت پایین می آورد و در صورت کافی بودن رطوبت، تشکیل یخ روی دریچه ورودی گاز و ونتوری آغاز شده وبه تدریج مانع از رسیدن هوا به موتور می شود. حتی مقدار کمی یخ کاربراتور می تواند باعث کاهش توان آن شود. این پدیده با کاهش دور یا rpm یک ملخ با گام ثابت مشخص شده و در نهایت منجر به ایجاد اختلالاتی در روند کار موتور می شود. هنگامی که رطوبت هوا بیش از ۵۰ درصد بوده و دور موتور هم پایین باشد، حتی در دمای هوای ۹۰ درجه فارنهایت هم امکان یخ زدگی کاربراتور وجود دارد.

سرعت جمع شدن یخ بر روی سطوح به شکل آن ها بستگی دارد. بال های مدرن ونازک نسبت به بال های ضخیم تر قدیمی که شتاب جریان روی آن ها بیشتر است در معرض یخ زدگی بیشتری قرار دارند. سطوح دم یک هواپیما به طول معمول سریعتر از بال دچار یخ زدگی می شوند. اگر دم هواپیما به دلیل یخ زدگی دچار استال شود و جریان هوای روی آن به هم بریزد، رفع آن در ارتفاعات پایین تقریبا غیر ممکن خواهد بود.

معمولاً در هنگام یخ زدگی، بال درزویه حمله کمتر و بنابراین در سرعت بالاتری استال می کند.

حتی مقادیر کم یخ نیز بر روی بال تاثیرگذار خواهد بود و اگر این یخ زبر باشد، تاثیر بیشتری خواهد داشت. یخ زدگی باعث بروز مشکلات جدی در کنترل غلتش هواپیما می شود. یخ های روی بال می توانند باعث تغییر شکل آیرودینامیکی بال شده و تقارن بین دو بال را بر هم بزنند. بر روی قسمت بیرونی بال (نوک بال) که معمولا نازک تر است یخ راحت تر جمع شده و بنابراین زودتر استال خواهد کرد.

بال هواپیما معمولا طوری طراحی می شود که استال ابتدا در ریشه آن اتفاق بیفتد و سپس به سمت خارج پیشروی کند تا استال با از کارانداختن شهپرها در کنترل غلتش اختلال ایجاد نکند. اما یخی که در قسمت جلویی شهپرها جمع می شود با تاثیر روی جریان هوا باعث ایجاد مشکل در کنترل غلتش می شود. البته ممکن است فشار جزیی جلویی روی بالابرها به چسبیدن دوباره جریان به شهپرها کمک کند. سکان افقی هواپیما با تولید نیروی برآ به سمت پایین، دماغه هواپیما که تمایل به پیچش به سمت پایین دارد را متعادل نگه می دارد. با استال دم این نیرو کم شده یا به کلی از بین می رود و باعث چرخش هواپیما به سمت پایین می شود. از آنجایی که دم در لبه حمله، شعاع کوچتری داشته و طول وتر آن نیز از بال کوچکتر است، می تواند تقریبا دو تا سه برابر بیشر از بال، یخ جمع کند و اغلب هم این یخ ها توسط خلبان قابل مشاهده نیستند.

از نظر قانونی هواپیماهایی که تجهیزات لازم برای پرواز در شرایط یخ زدگی را ندارند، اجاره پرواز در مناطقی با این شرایط را نخواهند داشت. تجهیزات معمولی مانند گرم کن ملخ یا شیشه جلو برای پرواز در چنین شرایط کافی نیست. این تجهیزات تنها فرار از این شرایط را آسان تر می کنند.

یکی دیگر از قسمت هواپیما که می تواند به سرعت دچار یخ زدگی شود، لوله پتیوتی که به خاطر از کارافتادن گرم کن مسدود شده باشد به جای نشان دادن فشار استاتیکی، همواره فشار سکون را اندازه گیری می کند ومتعاقبا به جای نشان دادن سرعت به ارتفاع سنج تبدیل می شود و در نتیجه با تشخیص نادرست سرعت، می تواند منجر به سانحه می شود.

در شرایط خاصی از یخ زدگی، سطوح کنترلی ممکن است سفت یا قفل شوند. بنابراین در هواپیما های اصلاح شده، اطراف لبه های سطوح کنترلی فضایی خالی وجود دارد که اجازه می دهد یخ بدون اختلال در حرکت این سطوح، در این فضا تشکیل شود.

انسداد سوراخ های ورودی سوخت که مجهز به سیستم گرم کننده نیستند، می تواند منجر به کمبود سوخت شود. در تانکرهای سوخت به خصوص در نوع پره ای، از آنجایی که هوایی برای جایگزینی سوخت مصرفی وجود ندارد، احتمال شکستگی تانکر و توقف موتور وجود دارد.

● یخ زداها و ضدیخ ها

▪ استفاده از سیالات یخ زدا

یکی از روش های رایج برای یخ زدایی هواپیما استفاده از سیالات یخ زدا یا ضدیخ های شیمیایی است که به طور عمده شامل اتیلن یا گلیکول اتیلن می باشند. میزان گلیکول موجود در این سیالات بر حسب دما وشرایط آب وهوایی متغیر است.

اتیلن گلیکول یکی از آلاینده های خطرناک هوا به شمار می رود.مواد ضد خوردگی هم از نظر واکنش شیمیایی بسیار فعال بوده وپس از واکنش با یکدیگر وبا گلیکول، محصلات فرعی سمی و خطرناکی تولید می کنند. از این رو تولیدکنندگان سعی در کاهش زیان های محیطی این سیالات دارند.

● بوت یا بادکنک یخ شکن

بوت در واقع نوارهای لاستیکی با قابلیت متورم شدن هستند که به لبه حمله بال و سطح دم متصل شده وبر آن ها منطبق می شوند.این نوارهای لاستیکی باید به اندازه ای کوچک باشند که پس از باد شدن در شکل آیرودینامیکی بال تغییر زیادی ایجاد نکنند. در هنگام استفاده، فشار هوا با بادکردن بوت ها باعث کنده شدن یخ از سطح آن ها می شود. سپس با مکش هوا بوت ها به حالت اولیه خود بر میگردند. اگر بوت ها بلافاصله بعد از مواجه شدن با یخ باز شوند به جای شکستن یخ می توانند باعث گسترش لایه یخ شوند و بنابراین پس از تخلیه شدن بوت ها از هوا پلی از یخ بر روی سطح باقی می ماند. البته بعد از هر سیکل ممکن است مقدار کمی یخ همچنان روی بوت باقی بماند. ولی این مساله در بوت های مدرن اتفاق نمی افتد. از این روش بیشتر در هواپیماهای ملخی استفاده می شود.

● ویپینگ وینگ

سیستم های یخ زدا، سیال را از مخزن به سمت سوراخ های توری ایجاد شده روی لبه حمله بال و دم، پمپ می کند. سیال روی سطح دم و بال جریان پیدا می کند و باعث آب شدن یخ ها می شود. این سیستم در ملخ و شیشه جلو هم کاربرد دارد.

● بال گرم

در قسمت لبه حمله درون بال، لوله ای قرار می گیرد که سوراخ های ریز کوچکی روی آن تعبیه شده است. هوای گرم که به صورت جت از سوراخ ها خارج می شود، روی سطح لبه حمله جریان پیدا کرده و با افزایش دما باعث آب شدن سریع یخ ها می شود. یخ همچنین تحت تاثیر جریان هوا در سرعت بالا از روی سطح برداشته می شود. این هوای گرم توسط موتور هواپیما و با استفاده از سیستم هواگیری ورزیده می شود و ورودی هوای موتور نیز به این طریق می تواند یخ زدایی شود.

● ضد یخ ملخ

یخ معمولا روی ملخ قبل از شکل گیری آن روی بال دیده می شود. برای از بین بردن یخ روی ملخ یا از سیال یخ زدایی که از طریق لوله های حلقوی و مارپیچ انتقال دهنده روغن روی هاب ملخ منتقل می شوند و یا از المنت های گرم کن الکتریکی به کار گماشته روی لبه حمله استفاده می شود.

● ضد یخ شیشه جلو

از آنجایی که میزان دید در هنگام فرود خیلی مهم است به این منظور دو نوع سیستم در هواپیمای سبک وجود دارد. ۱- استفاده از گرم کن الکتریکی ۲- لوله پاشش سیال ضد یخ که دقیقا بالای سیشه جلوی کابین قرار می گیرد و مانع از تشکیل یخ می شود. در روش اول تنها محدوده کوچکی از شیشه جلویی به اندازه کافی تمیز می ماند.

● سیستم یخ زدایی مادون قرمز

در هواپیماهای کوچک سیستم یخ زدایی مادون قرمز از گرم کننده هایی به منظور از بین بردن یخ استفاده که البته برای تکمیل آن، استفاده از سیالات یخ زدا و ضد یخ برای جلوگیری از یخ زدگی مجدد نیز لازم است.

● گرم کننده های کاربراتوری یا جریان هوای متناوب

گرم کردن کاربراتور بیشتر برای موتور های کاربراتوری و در زمان کم کردن توان لازم برای پرواز کروز، پرواز در برف و باران ویا پرواز در نزدیکی ابرهای با دمای پایین استفاده می شود. در موتورهای انژکتوری که از جریان هوای ورودی یخ بزند دریچه هوای متناوب به طور اتوماتیک یا به وسیله خلبان فعال می شود تا ادامه کار موتور امکان پذیر باشد.

نصب سیستم پاشش کامپیوتری که از یخ زداهای شیمیایی استفاده می کند، میتواند میزان استفاده از سیالات یخ زدا و ضد یخ را کاهش دهد. از آنجایی که تشخیص یخ توسط خدمه غالبا مشکل است، هر زمان که به وجود یخ روی هواپیما مشکوک شوند از سیالات یخ زدا استفاده خواهند کرد. حس گرها و سیستم های تشخیص یخ، تجهیزات الکترومغناطیسی، Magnetostrive و فراصوتی می توانند وجود یخ را در مناطقی که قابل دیدن نیستند، تشخیص دهند و بدین ترتیب از استفاده بی مورد این سیالات جلوگیری کنند.

پیش بینی یخ زدگی و تأثیرات ناشی از آن، مسائلی هستند که در حال حاضر تحلیل آن ها با بهره گیری ازCFD مورد مطالعه محققین است. هر دو مسئله در حال حاضر از نظر مدل کردن هندسی و مش بندی جای کار دارند.

یکی از پروژه هایی که در حال حاضر در ناسا انجام می شود توسعه یک نرم افزار ترکیب هندسی / شبکه بندی/ شبیه سازی پدیده یخ زدگی روی ایرفول هاست. این کد که ICEG۲D نام دارد، به صورت خودکار پیش پردازشهای لازم برای تحلیل CFD را نیز انجام می دهد.

یکی دیگر از مواردی که ناسا بروی آن تحقیق می کند، بررسی چگونگی تاثیرگذاری رسوبات یخی بر روی هواپیما می باشد. در این مرکز با استفاده از تونل های تحقیقاتی یخ زدا، دمای هوا تا ۳۵- درجه سانتی گراد پایین آورده و به کمک نازل های مخصوص پاشش آب، ابرهای طبیعی را شبیه سازی می کنند.