Sistema de protección contra el hielo

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 de rotor , entradas de aire de los motores y entradas de aire de control ambiental . ^[1] 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 los aviones aumenta el peso y la resistencia, reduce la sustentación y puede reducir el empuje. El hielo reduce la potencia del motor al bloquear las tomas de aire. Cuando el hielo se acumula al congelarse tras un impacto o al congelarse como escorrentía, cambia la aerodinámica de la superficie al modificar la forma y la suavidad de la superficie, lo que aumenta la resistencia y reduce la sustentación del ala o el empuje de la hélice. Tanto la disminución de la sustentación en el ala debido a una forma alterada del perfil aerodinámico como el aumento de peso debido a la carga de hielo generalmente darán como resultado tener que volar en un ángulo de ataque mayor para compensar la sustentación perdida 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 de sustentación , lo que hace 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 de peso y aerodinámicos que se amplifican debido a su rotación.

Los sistemas antihielo instalados en los motores a reacción o turbohélices ayudan a prevenir problemas de flujo de aire y evitan el riesgo de daños internos graves en el motor debido a la ingestión de hielo. Estos problemas son más graves en el caso de los turbohélices, que suelen tener curvas cerradas en el conducto de admisión donde el hielo tiende a acumularse. ^[2]

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 rayas alineadas con la dirección longitudinal de la bota. Normalmente 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 cambio rápido de forma de la bota está diseñado para romper la fuerza adhesiva entre el hielo y el caucho, y permitir que el hielo sea arrastrado por el aire que fluye más allá del ala. Sin embargo, el hielo debe desprenderse limpiamente de las secciones posteriores de la superficie, o podría volver a congelarse detrás del área protegida. La recongelación 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 la formación de puentes de hielo. El aguanieve podía ser empujada fuera del alcance de las secciones inflables de la bota antes de que se endureciera. Esto se resolvió acelerando el ciclo de inflado/desinflado y alternando la sincronización de las celdas adyacentes. ^[4] Las pruebas y los estudios de casos realizados en la década de 1990 han demostrado que la formación de puentes de hielo no es una preocupación importante en los diseños de botas modernas. ^[5]

Las botas neumáticas son apropiadas para aeronaves de baja y media velocidad, sin dispositivos de sustentación de borde de ataque como slats , por lo que este sistema se encuentra más comúnmente en aeronaves turbohélice más pequeñas como el Saab 340 y el Embraer EMB 120 Brasilia . Las botas antihielo neumáticas a veces se encuentran en otros tipos, especialmente en aeronaves más antiguas. Rara vez se utilizan en aviones a reacción modernos. Fue inventado por BF Goodrich en 1923.

A veces llamados ala llorona, ^[6] sistema de funcionamiento húmedo o sistema evaporativo, estos sistemas utilizan un fluido descongelante, generalmente a base de etilenglicol o alcohol isopropílico para evitar la formación de hielo y romper el hielo acumulado en las superficies críticas de una aeronave. ^[7] 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 para redundancia, especialmente para aeronaves certificadas para volar en condiciones conocidas de formación de hielo , con bombas mecánicas adicionales para el parabrisas. El fluido se fuerza a través de orificios en paneles en los bordes de ataque de las alas, estabilizadores horizontales, carenados, puntales, entradas de motor y desde un anillo deflector en la hélice y el rociador del parabrisas. Estos paneles tienen orificios de 1 ⁄ 400 pulgadas (0,064 mm) de diámetro perforados en ellos, 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 corriente de aire. ^{[8] [9]} El sistema fue utilizado inicialmente durante la Segunda Guerra Mundial por los británicos , habiendo sido desarrollado por Tecalemit-Kilfrost-Sheepbridge Stokes (TKS) . ^[9]

Las ventajas de los sistemas de fluidos son la simplicidad mecánica y la mínima interrupción del flujo de aire a través de los minúsculos orificios; esto hizo que los sistemas fueran populares en los jets comerciales más antiguos . Las desventajas son los mayores requisitos de mantenimiento que las botas neumáticas, el peso del fluido potencialmente innecesario a bordo del avión, el suministro finito de fluido cuando se necesita y la necesidad impredecible de rellenar el fluido, lo que complica las paradas en ruta. ^[10]

La mayoría de las aeronaves de gran tamaño con motores a reacción o turbohélices utilizan sistemas de purga de aire . El aire caliente se "purga" de una o más secciones del compresor de los motores hacia tubos que recorren las alas, las superficies de la cola y las entradas de aire del motor. El aire gastado se expulsa a través de orificios en las superficies inferiores de las alas.

Una desventaja de estos sistemas es que el suministro de una cantidad adecuada de aire de purga puede afectar negativamente al 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 significativamente, el uso de aire de purga 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 de ascenso con consecuencias particularmente críticas si fallara un motor. Esta última preocupación ha dado como resultado que los sistemas de aire de purga sean poco comunes en aeronaves de turbina pequeñas, aunque se han implementado con éxito en algunas aeronaves pequeñas como el Cessna CitationJet . ^{[11] [12]}

Los sistemas electrotérmicos utilizan bobinas de calentamiento (similares a las de una estufa de bajo consumo) enterradas en la estructura del fuselaje para generar calor cuando se aplica una corriente. El calor se puede generar de forma continua o intermitente. ^[13]

El Boeing 787 Dreamliner utiliza protección electrotérmica contra el hielo. En este caso, las bobinas de calentamiento están integradas en la estructura compuesta del ala. Boeing afirma que el sistema utiliza la mitad de energía que los sistemas de aire purgado alimentados por el motor y reduce la resistencia y el ruido. ^[14]

Las bobinas de calentamiento de láminas grabadas se pueden unir al interior de los revestimientos metálicos de las aeronaves para reducir el consumo de energía en comparación con los circuitos integrados, ya que funcionan a densidades de potencia más altas. ^[15] Para la aviación general , ThermaWing utiliza una lámina de grafito flexible y conductora de electricidad unida al borde de ataque de un 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 el calentador eléctrico para proporcionar suficiente calor para evitar la formación de hielo en el parabrisas. Sin embargo, los calentadores eléctricos del parabrisas solo se pueden utilizar en vuelo, ya que pueden sobrecalentarlo. También pueden causar errores de desviación de la brújula de hasta 40°. ^[16]

Una propuesta utilizó nanotubos de carbono formados en filamentos delgados que se hilan en 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 aumento rápido de la temperatura, calentándose dos veces más rápido que el nicromo , el elemento de calentamiento preferido para el deshielo en vuelo, mientras que utiliza la mitad de la 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 nicromo. También se han sugerido calentadores de aerogel , que podrían dejarse encendidos continuamente a baja potencia. ^[17]

Los sistemas de deshielo por expulsión electromecánica (EMEDS) utilizan una fuerza de percusión iniciada por actuadores dentro de la estructura que inducen una onda de choque en la superficie a limpiar. ^{[18] [19]} También se han desarrollado sistemas híbridos que combinan los EMEDS con elementos de calentamiento, 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. ^[20]

Los sistemas pasivos emplean superficies icefobicas . 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 un efecto repelente sobre las gotas superenfriadas. ^[21] La icefobicidad requiere propiedades especiales del material pero no es idéntica a la hidrofobicidad . ^[22]

Para minimizar la acumulación, los investigadores están buscando materiales que fomenten el hielo . Entre los candidatos se encuentran los nanotubos de carbono y las superficies porosas impregnadas de líquido resbaladizo (SLIPS, por sus siglas en inglés), que repelen el agua cuando se forma hielo. ^[23]

• Formación de hielo atmosférico
• Condiciones de formación de hielo
• Lista de accidentes e incidentes de formación de hielo en aeronaves

• Guía del piloto: vuelo en condiciones de formación de hielo (PDF) . Administración Federal de Aviación (informe). 8 de octubre de 2015. AC 91-74B . Consultado el 9 de marzo de 2021 .
• Szurovy, Geza (1999). Cessna Citation Jets . Osceola, Wisconsin: MBI Publishing Company. ISBN 0-7603-0785-7.

• Artículo de SAE sobre protección electrotérmica contra el hielo por Strehlow, R. y Moser, R.