Análise de Formação de Gelo

A análise de gelo para aeronaves, como definida aqui, envolve um conjunto de análises que compreendem: a análise da captação de gotículas sub-resfriadas de água de nuvens atmosféricas, a análise de crescimento e formação de gelo em superfícies adiabáticas e não protegidas, a análise de sistemas de proteção contra gelo e chuva em superfícies protegidas termicamente ou mecanicamente, mas também a análise de degradação aerodinâmica devido a formação de gelo em superfícies de uma aeronave.

Motivos, causas e problemas

Quando uma aeronave voa através de uma nuvem de gotículas sub-resfriadas, elas incidem nas superfícies exposta e podem congelar imediatamente devido a condição de metaestabilidade, formando gelo “rime”, ou incidem e congelam depois pelo efeito da convecção, formando o gelo “glaze”.

A formação de gelo pode causar: degradação da sustentação, aumento de peso, aumento de arrasto, ingestão de gelo por motores, gelo nos hélices, anomalia nas indicações de sensores, perda de controle da aeronave e bloqueio do campo de visão dos pilotos.

Devidos aos seus efeitos adversos, a aeronave pode ter sistemas de proteção contra gelo e chuva instalados. Eles podem ser térmicos, mais comuns, ou mecânicos. Algumas aeronaves não têm sistemas de antigelo ou degelo, logo precisam provar que o gelo formado não afeta significativamente a operação ou que conseguem escapar de forma segura da condição atmosférica de gelo.

Aeronaves comerciais de médio e grande porte possuem sistemas de proteção contra gelo nas asas, empenagens, entrada dos motores, para-brisas e nas suas sondas ou sensores. Aeronaves de vigilância e defesa podem não ter sistemas de proteção em antenas e radomes. Aeronaves de pequeno porte, também chamadas de aviação geral, ou aeronaves VTOL de mobilidade urbana, podem não ter sistemas de proteção contra gelo convencionais.

Ingestão de Cristais de Gelo por Tubos Pitot

Alguns outros tipos de efeitos atmosféricos, também considerados na análise de gelo, são a captação de cristais de gelo por sondas pitot ou de chuva congelante.

Descrição Técnica do Problema de Formação de Gelo

Para avaliar a coleta de água pelas superfícies das aeronaves é preciso conhecer em detalhe a operação e o desempenho aerodinâmico da aeronave. A formação gelo e projeto de sistemas de proteção contra gelo são altamente integrados com os sistemas da aeronave e com sua aerodinâmica afetando o arrasto, sustentação, peso e qualidade de voo. Portanto são diretamente relacionados com a segurança de voo.

É necessário saber a velocidade do ar pela altitude, mas também a faixa de ângulos de ataque locais para cada velocidade. Com isso o conteúdo de água líquida (Liquid Water Content – LWC) e o diâmetro volumétrico mediano (Media Volumetric Diameter – MVD) são estimados por meio dos envelopes dos Apêndices C e O do FAR 25, que definem a atmosfera de condições de gelo para projetos de aeronaves. As gotículas sub-resfriadas existem entre 0 ˚C e -40 ˚C, logo a atmosfera de gelo está dentro dessa faixa abrangendo do nível do mar até aproximadamente 30 mil pés. Existem nuvens curtas e mais carregadas de água e nuvens mais longas e com menos conteúdo de água líquida. Gotículas com mais de 40 mm de diâmetro são chamadas gotículas supergrandes ou SLD (Super Large Droplets).

Solução ATS

Os sistemas de proteção contra gelo, capítulo ATA 100-30, podem ser do tipo antigelo, que previne a formação de gelo, mas tem formação de água residual, e do tipo degelo, que deixa formar gelo para depois derreter ou expulsar o gelo formado. O primeiro é um sistema que opera em regime permanente e o segundo opera em regime transitório em ciclos de acresção e expulsão ou derretimento de gelo.

Em aeronaves comerciais é mais comum o sistema térmico de proteção contra gelo. Ele atua no controle da temperatura das superfícies expostas derretendo ou impossibilitando a formação de gelo.

Software de Análise Formação de Gelo

Para a análise de gelo são usados os softwares DATCOM+ Pro JSBSim, CFD++, LEWICE 2D e 3D, e ferramentas desenvolvidas pela ATS para sistemas de proteção e formação de gelo em 2D e 3D. Dependendo da disponibilidade do cliente, pode ser usado também o software Ansys FENSAP.

Certificação de Sistemas de Proteção Contra Gelo

A certificação de formação de gelo e de sistemas de proteção contra gelo é de alto risco para o desenvolvimento de novas aeronaves de acordo com o FAR 25 ou 23 e suas circulares e documentos complementares. Ela é apoiada por normas SAE, MIL ou ASTM específicas para esse tipo de certificação.

As análises de sistemas de proteção contra gelo podem ser realizadas em asas, empenagens, motores, hélices, para-brisas, sondas e sensores.

Além disso as análises precisam ser suportadas por testes em túneis aerodinâmicos, túneis de formação de gelo ou por ensaios em voo. Os testes são utilizados para a validação das ferramentas numéricas e para fazer uma verificação mais realista em alguns pontos operacionais. As ferramentas numéricas geralmente diminuem a campanha de testes pela diminuição de pontos de operação experimentais, o que diminui o custo total do projeto e da campanha de certificação.

Experiência da ATS em Formação de Gelo e em Sistemas de Proteção Contra Gelo

A ATS tem experiência em projeto, certificação, teste e simulação de formação de gelo e de sistemas de proteção contra gelo. As ferramentas desenvolvidas pela ATS são únicas no mercado e validadas com experimentos reconhecidos pelas autoridades de certificação.

Aplicações em indústria de transporte carros, aviões, trens, helicópteros, VTOL e navios.