Formación de hielo (aeronáutica)

• El hielo transparente suele ser liso y sin brillo. Las gotas de agua superenfriada, o lluvia helada , impactan contra una superficie pero no se congelan instantáneamente. A menudo se forman protuberancias que se proyectan hacia el flujo de aire, alisando la superficie. Esta forma de hielo también se conoce como hielo vidriado.
• El hielo de escarcha es áspero y opaco, y se forma por la congelación rápida de gotas superenfriadas al impactar. Se forma principalmente en el punto de estancamiento de un perfil aerodinámico y, por lo general, se adapta a su forma.
• El hielo mixto es una combinación de hielo transparente y hielo escarchado, que posee ambas propiedades. ^{[ 5 ]}
• La formación de hielo por escarcha se produce cuando el agua se congela sobre superficies desprotegidas mientras la aeronave está parada, incluso antes de que comience el vuelo. Esto puede ser peligroso al intentar volar, ya que interrumpe el flujo de aire de la capa límite del perfil aerodinámico, provocando una pérdida aerodinámica prematura y, en algunos casos, un aumento drástico de la resistencia, lo que hace que el despegue sea peligroso o imposible y podría provocar accidentes prematuros.
• El hielo SLD se refiere al hielo que se forma en condiciones de gotas grandes superenfriadas (SLD). ^{[ 6 ]} Es similar al hielo transparente, pero debido a que el tamaño de las gotas es grande, se extiende a las partes desprotegidas de la aeronave y forma estructuras de hielo más grandes, más rápido que en condiciones normales de formación de hielo, para las cuales casi ninguna aeronave está suficientemente protegida. Este fue un factor en el accidente del vuelo 4184 de American Eagle .

La formación de hielo estructural en una aeronave está determinada principalmente por tres factores: el contenido de agua líquida subenfriada, que determina la cantidad de agua disponible para la formación de hielo; la temperatura del aire, ya que la mitad de los casos de formación de hielo reportados ocurren entre -8 °C (18 °F) y -12 °C (10 °F) ; y el tamaño de las gotas, pues las gotas pequeñas afectan los bordes de ataque de la aeronave y las gotas grandes pueden impactar más atrás del perfil aerodinámico . La velocidad del aire también influye en la formación de hielo. En general, a mayor velocidad, mayor acumulación de hielo. Sin embargo, esto se contrarresta con la fricción de la superficie del fuselaje a velocidades más altas, y como resultado, la formación de hielo estructural es mínima cuando la velocidad supera los 575 nudos (1065 km/h; 662 mph) . Además, el diseño de la aeronave también influye en la formación de hielo. ^{[ 7 ]}       

En las nubes estratiformes , la formación de hielo es más leve. Generalmente se presenta como hielo escarchado o mixto y tiende a confinarse en una capa de 910 a 1200 m (3000 a 4000 pies ) de espesor. En contraste, la intensidad de la formación de hielo en las nubes cumuliformes puede variar desde mínima en los cúmulos pequeños hasta severa en los grandes, presentándose como hielo transparente o mixto en los niveles superiores y pudiendo extenderse a grandes alturas. ^{[ 7 ]}  

Las aeronaves no tripuladas son una tecnología emergente con una amplia variedad de aplicaciones comerciales y militares. La formación de hielo en vuelo se produce durante el vuelo en nubes subenfriadas o precipitaciones heladas y representa un peligro potencial para todas las aeronaves. La formación de hielo en vuelo en los UAV impone una limitación importante en su envolvente operativa. ^{[ 9 ]}

Las aeronaves no tripuladas son más sensibles y susceptibles a la formación de hielo en comparación con las aeronaves tripuladas. ^{[ 10 ]} Las principales diferencias entre los UAV y las aeronaves tripuladas en lo que respecta a la formación de hielo son:

• Tamaño y peso : Las aeronaves pequeñas acumulan hielo más rápidamente y en mayor cantidad por unidad de superficie que las aeronaves grandes. Los UAV suelen ser más pequeños que las aeronaves tripuladas y, por lo tanto, más sensibles a la formación de hielo. Además, la masa adicional derivada de la acumulación de hielo puede tener efectos negativos inmediatos en los UAV con estrictas restricciones de peso.
• Velocidad de vuelo : Las altas velocidades provocan el calentamiento de las alas o las hélices de la aeronave, lo que puede contrarrestar la formación de hielo hasta cierto punto. Los UAV actuales suelen volar a velocidades inferiores a las de las aeronaves tripuladas y, por lo tanto, no se benefician del mismo efecto de calentamiento. En consecuencia, la formación de hielo en los UAV puede producirse en un rango de temperaturas más amplio que en las aeronaves tripuladas.
• Flujo laminar : El número de Reynolds para los UAV es aproximadamente un orden de magnitud menor que el de las aeronaves tripuladas. Esto hace que los UAV operen en regímenes de flujo donde los efectos del flujo laminar predominan sobre los del flujo turbulento. Dado que el flujo laminar se ve afectado con mayor facilidad que el flujo turbulento, los efectos negativos de la formación de hielo son mayores.
• Tipo : Los UAV de ala rotatoria suelen ser más sensibles a la formación de hielo que los UAV de ala fija. ^{[ 11 ]}

Las partes del UAV más expuestas a la formación de hielo son el sensor de velocidad aerodinámica, el borde de ataque de las superficies aerodinámicas, los rotores y las hélices.

La formación de hielo en los UAV es un fenómeno global, y las condiciones de formación de hielo a la altitud operativa pueden presentarse durante todo el año en todo el mundo. Sin embargo, los riesgos de formación de hielo son particularmente altos en las regiones subárticas, árticas y antárticas. En gran parte de los países nórdicos, por ejemplo, las condiciones de formación de hielo están presentes entre el 35 % y más del 80 % del tiempo desde septiembre hasta mayo. ^{[ 11 ]}

Si hay hielo (u otros contaminantes) en una aeronave antes del despegue, deben eliminarse de las superficies críticas. La eliminación puede realizarse de diversas maneras:

• Medios mecánicos, que pueden ser tan simples como usar una escoba o un cepillo para quitar la nieve.
• Aplicación de líquido descongelante o incluso agua caliente para eliminar el hielo, la nieve, etc.
• Uso de calentamiento por infrarrojos para fundir y eliminar contaminantes.
• Guardar la aeronave en un hangar climatizado hasta que la nieve y el hielo se hayan derretido.
• Se orientan las aeronaves hacia el sol para maximizar el calentamiento de las superficies cubiertas de nieve y hielo. En la práctica, este método se limita a superficies con poca contaminación, debido al tiempo y las condiciones climáticas.

Todos estos métodos eliminan la contaminación existente, pero no ofrecen protección práctica en condiciones de formación de hielo. Si existen condiciones de formación de hielo, o se prevén antes del despegue, se utilizan fluidos antihielo. Estos son más densos que los fluidos descongelantes y resisten los efectos de la nieve y la lluvia durante un tiempo. Su función es desprenderse de la aeronave durante el despegue y no ofrecen protección en vuelo.

Para proteger una aeronave contra la formación de hielo en vuelo, se utilizan diversas formas de sistemas antihielo o de deshielo :

• Un método común consiste en canalizar el aire de purga del motor a través de conductos situados en los bordes de ataque de las alas y los estabilizadores. El aire calienta la superficie del borde de ataque, lo que provoca que el hielo se derrita o evapore al contacto. En las aeronaves con motor de turbina, el aire se extrae de la sección del compresor. Si la aeronave utiliza un motor de pistón turboalimentado, el aire de purga puede obtenerse del turbocompresor.
• Algunas aeronaves están equipadas con sistemas neumáticos antihielo que dispersan la acumulación de hielo en la superficie. Estos sistemas requieren menos aire comprimido del motor, pero suelen ser menos eficaces que una superficie calefactada.
• Algunos aviones utilizan un sistema de alas con orificios de drenaje , que tiene cientos de pequeños agujeros en los bordes de ataque y libera líquido antihielo bajo demanda para evitar la acumulación de hielo.
• El calentamiento eléctrico también se utiliza para proteger las aeronaves y sus componentes (incluidas las hélices) contra la formación de hielo. El calentamiento puede aplicarse de forma continua (generalmente en componentes pequeños y críticos, como los sensores pitot-estáticos y las paletas de ángulo de ataque) o intermitente, logrando un efecto similar al del uso de botas antihielo .

En todos estos casos, normalmente solo se protegen las superficies y componentes críticos de la aeronave. En particular, generalmente solo se protege el borde de ataque del ala.

En los motores con carburador, se aplica calor al carburador para prevenir y eliminar la formación de hielo. Los motores de inyección de combustible no son propensos a la formación de hielo en el carburador, pero pueden sufrir obstrucciones en las entradas de aire. En estos motores, suele haber una fuente de aire alternativa disponible.

Existe una diferencia entre deshielo y antihielo. El deshielo consiste en eliminar el hielo de la estructura del avión; el antihielo consiste en evitar que el hielo se acumule en la estructura.