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Engenharia de proteção contra gelo: projeto, ensaios e certificação de sistemas antigelo e degelo
Projetamos, ensaiamos e certificamos sistemas de proteção contra gelo. O dimensionamento e a verificação usam CFD acoplado: escoamento, gotas, filme de água, evaporação, escoamento de água e condução de calor pela estrutura. O método vem de dez anos de projeto e certificação de antigelo na Embraer e é comparado com experimentos antigelo da NASA.
Liderada pelo Dr. Guilherme A. Lima da Silva: projeto e certificação de antigelo de asas, pitot, TAT, porta estática e smart probes na Embraer (1997 a 2007), com ensaios no túnel de gelo da NASA. Seus artigos de 2007 no Journal of Aircraft sobre simulação de antigelo em aerofólios seguem os mais citados.
Potência insuficiente. O aquecedor não mantém a superfície acima de zero, e o gelo se forma também na área protegida.
Running wet. A superfície fica acima de zero. A água escoa para trás do aquecedor e pode recongelar como uma crista. Com a mesma densidade de potência, um aquecedor mais longo só desloca a crista para trás. Só mais densidade de potência a reduz.
Totalmente evaporativo. Nenhuma água sai do aquecedor. Isso exige a maior potência.
Esquema qualitativo do compromisso. A densidade de potência é uma fração do nível que evapora toda a água que impacta. Aumentar o aquecedor com a mesma densidade de potência não elimina o gelo residual, só o desloca para trás e aumenta a potência total. Não é resultado de simulação.
- IndústriaEmbraer, 1997 a 2007: projeto e certificação de antigelo da asa e de sondas pitot, TAT, porta estática e smart probesAntigelo térmico do slat e da asa com LEWICE e o túnel de gelo da NASA. Smart probes certificadas com CFD++, antes da TSO-C16b.
- IndústriaSistema antigelo de motor desenvolvido com ensaios e simulaçãoArtigo técnico SAE, 2007, com a equipe da Embraer.
- ProjetoSTC da Akaer em aeronave de vigilância: desenvolvimento, simulação, ensaios e certificação da proteção contra gelo (base FENSAP)Pacote completo de quatro anos para fornecimento à Turkish Aerospace (TAI). Relatórios de certificação prontos para submissão.
- ProjetoJoby eVTOL e redesenho de sonda de LWC: carga de calor, coleta de água e potência ótima do aquecedorSonda de dados de ar para cruzeiro na fuga de gelo e sonda de LWC aquecida eletricamente, validada em túnel de gelo.
- PesquisaModelo de densidade de potência de sondas de dados de ar, SAE AC-9C Portland, 2010Comparou condições do FAR 25, EASA, BS 2G 135 e SAE AS5562.
- iceAccretionFoamNosso solver 3D iceAccretionFoam vai incluir proteção térmica na Fase 2FAPESP PIPE, 2027/28. Desenvolvimento de produto, separado da experiência em projetos acima.
Pacotes completos, do projeto aos relatórios de certificação
Preferimos programas inteiros e de longo prazo a rodadas isoladas: a ATS4i responsável pelo projeto da proteção contra gelo, pelos ensaios e pelas evidências de certificação.
O que um pacote cobre
Projeto, dimensionamento e integração da proteção contra gelo; planejamento e execução de ensaios em túnel de gelo, em solo e em voo; e os documentos de certificação, prontos para submissão à autoridade. Nós mesmos os emitimos, sejam de resultados de análise ou de ensaios: descrição do sistema, avaliação de segurança, plano de certificação, relatórios ou qualquer outro documento que o programa precise. Você os revisa e os submete às autoridades. Esse é o nosso diferencial.
Uma equipe para o programa inteiro
Os mesmos engenheiros levam o programa da primeira análise ao último relatório, e assim as decisões de projeto, os pontos de ensaio e as evidências ficam coerentes ao longo dos anos. A simulação roda dentro desse trabalho, ela não é o produto.
Um exemplo: Akaer, ASOJ TAI
2020 a 2024. Um pacote completo para uma aeronave de vigilância, terceirizado pela Akaer à ATS4i para fornecimento à Turkish Aerospace: desenvolvimento e simulação da proteção contra gelo, ensaios e todos os relatórios de certificação prontos para submissão.
Como um projeto acontece
Um programa passa por cinco relatórios de certificação: descrição do sistema; avaliação de segurança; plano de certificação; planejamento e resultados de ensaios em túnel de gelo e em voo; e descrição, validação e resultados do modelo numérico.
Precisa só de uma parte? Definimos o escopo com você.
Antigelo e degelo, e para onde vai o gelo
As duas famílias se comportam de forma diferente, e por isso a análise e a evidência também diferem.
| Antigelo | Degelo | |
|---|---|---|
| Finalidade | Impedir a formação de gelo na superfície protegida. | Deixar o gelo se formar e depois derretê-lo ou expeli-lo. |
| Operação | Regime permanente, ligado durante o encontro com gelo. | Transiente, em ciclos de acreção e desprendimento. |
| Água | Forma-se água residual que pode escoar e recongelar atrás da área protegida. | Água de fusão e pedaços de gelo desprendidos. |
| O que analisamos | Temperatura de superfície, limites de molhado e seco, local de escoamento e recongelamento, densidade de potência e margem. | Temporização do ciclo, espessura do gelo na ativação, gelo residual e para onde vão os pedaços desprendidos. |
| Hardware típico | Ar quente de sangria, aquecedores eletrotérmicos. | Botas pneumáticas, ciclos eletrotérmicos, sistemas eletro-expulsivos. |
Sistemas térmicos são os mais comuns em aviões comerciais. Sistemas novos podem usar superfícies hidrofóbicas ou degelo eletro-expulsivo, e modelamos esses e também a proteção mecânica.
Proteção contra gelo é um problema de sistemas
Ele toca outros sistemas
A proteção contra gelo se conecta aos sistemas pneumático, elétrico, de indicação, de navegação e de proteção contra estol.
Ele não pode interferir
Sua operação não pode degradar esses sistemas, e eles precisam ser avaliados em condições de gelo.
Ele exige regras de operação
Voar em condições de gelo exige procedimentos específicos de manutenção e operação.
O sistema de proteção contra gelo tem múltiplas interfaces com os sistemas da aeronave e exige procedimentos específicos de operação.
Dr. Guilherme A. Lima da Silva, The Icing Engineering Process
A física que resolvemos
Cinco camadas, do escoamento livre até a pele, resolvidas em conjunto.
- 1Escoamento livreVelocidade, altitude e ângulo de ataque da missão.
- 2Escoamento gasoso com gotasMistura de ar e vapor de água. Trajetórias de gotas e impingement.
- 3Camadas limite de quantidade de movimento e térmicaSolução integral ou diferencial, ou CFD com transferência de calor, com transição laminar-turbulenta e gradientes ao longo do escoamento.
- 4Filme de águaGotículas, filme e filetes. Evaporação, balanço de energia e escoamento para trás.
- 5Superfície sólidaCondução pela pele, pelo aquecedor e pelas camadas da estrutura.
Efeitos que decidem a resposta
A transição laminar-turbulenta, os gradientes de temperatura e pressão ao longo do escoamento e a hidrodinâmica da água de escoamento alteram a temperatura e a evaporação, e por isso fazem parte do modelo.
O que você recebe
Temperatura de superfície, vazão de água, molhamento, limites de escoamento, densidade de potência e margem, e o gelo residual quando o sistema falha ou está desligado.
Uma ferramenta de CFD para as cinco camadas
Toda essa física pode ser resolvida dentro de uma única ferramenta de CFD, como o iceAccretionFoam, o CFD++ ou o FENSAP-ICE. Ela aparece separada em camadas aqui apenas por fins didáticos.
Ferramentas e o quanto cada uma está madura
Dizemos o que roda hoje e o que ainda está em desenvolvimento, para você planejar a evidência.
| Ferramenta | Papel no trabalho de proteção contra gelo | Situação |
|---|---|---|
| ATS4i thermal codesATS4i, 2D | Métodos de camada limite integral (Ambrok e superposição) e diferencial acoplados a um filme de água com gotículas, filme e filetes. Comparados com o experimento antigelo da NASA de Al-Khalil et al. (2001). | Em uso |
| CFD++Metacomp | CFD com transferência de calor: escoamento externo, gotas e balanço térmico na parede, mais o escoamento interno de ar quente quando o sistema exige. | Em uso na produção |
| LEWICE and LewIntNASA, American Kestrel | Análise térmica rápida do balanço de calor de antigelo e degelo. A ATS4i tem licença do LewInt. | Licenciado |
| FENSAP-ICEAnsys | Módulo de proteção contra gelo em uma licença fornecida por você, como no trabalho de proteção contra gelo do STC da Akaer em que o cliente o exigiu, comparado com as outras ferramentas quando uma verificação cruzada ajuda. | Licença fornecida pelo cliente |
| iceAccretionFoamATS4i, foam-extend 5.0 | Filme de água em área finita trocando calor com a parede e condução em casca 2D para aquecedores eletrotérmicos, no mesmo solver 3D que faz o gelo crescer. | Meta da Fase 2, 2027/28 |
Mapeamento de envelopes de sondas de dados de ar
Fabricantes de sondas pitot, TAT e smart probes, palhetas de ângulo de ataque e detectores de gelo formam um grande mercado, com centenas de fornecedores só nos EUA, e sua certificação depende de condições que variam de norma para norma. Nós as mapeamos.
O que o mapeamento faz
Programas em Python colocam os pontos de operação da sua aeronave e os pontos de ensaio em túnel de gelo no mesmo plano de carga de calor contra água coletada das normas antigas e atuais: FAR 25 Apêndice C, EASA, BS 2G 135 e SAE AS5562, que a TSO-C16b da FAA chama. Você vê quais condições definem a potência do aquecedor e quais ensaios valem a pena. O método começou como um modelo em planilha apresentado no SAE AC-9C em Portland, com balanço concentrado de calor e massa, termos de cristais de gelo e de água coletada e eficiência de coleta do CFD++ (apresentação). Hoje roda como programas em Python.
Por que sondas têm norma própria
Sondas pitot são qualificadas pela TSO-C16b, que remete à SAE AS5562, e pela ETSO-C16, e não apenas pelo Apêndice C ou O do FAR 25. No voo Air France 447, em 2009, cristais de gelo bloquearam as sondas pitot e iniciaram a cadeia de eventos, segundo o relatório final do BEA francês.
CFD na aeronave real
O CFD dá a água coletada, a concentração de LWC e a velocidade perto da sonda, e mapeia a carga de calor no aquecedor. Fizemos isso em uma sonda de dados de ar de eVTOL que precisava ser certificada para cruzeiro durante a fuga de condições de gelo.
Normas de sondas pitot e nossa certificação
A qualificação de sondas pitot passou de uma especificação de tubos de velocidade de 1948 para as condições de gelo e chuva da SAE AS5562, que a TSO-C16b da FAA exige desde 2017. Nossa certificação das smart probes da Embraer respondeu a uma CRI da EASA em 2003 e 2004, antes de as normas da FAA e da EASA chegarem a essas condições de água líquida. Selecione um marco para ler o detalhe.
- Dec 1947
SAE AS393, a primeira norma de aquecimento de pitot
SAE AS393, Airspeed Tubes, Electrically Heated. Revisada em 1960 e declarada não vigente em 2002.
- 1 Sep 1948
TSO-C16 da FAA (então CAA), primeira edição
TSO-C16 da FAA (então CAA), Airspeed Tubes (Electrically Heated), primeira edição, com os requisitos de desempenho da SAE AS393. Registro: FAA TSO-C16, Accuris
- 1967
Norma britânica BS 2G 135 com ensaios de água super-resfriada
Norma britânica BS 2G 135, Electrically-Heated Pitot and Pitot-Static Pressure Heads (Emenda 1 de 1973), com os ensaios de água super-resfriada da seção 8.7.
- 24 Oct 2003
EASA ETSO-C16, baseada na SAE AS393
EASA ETSO-C16, baseada na SAE AS393. Documento: EASA ETSO-C16
- 2003–2004
Embraer E170/190: CRI da EASA das smart probes respondida
Embraer, E170/190: a CRI da EASA para as smart probes é respondida com as condições de água líquida da AS5562, mais de uma década antes da TSO-C16b, com simulação e CFD++. O E170 foi validado pela EASA em 20 de fevereiro de 2004 (ficha de dados do certificado de tipo da EASA).
- 6 Oct 2006
FAA TSO-C16a inclui os ensaios de gelo e a BS 2G 135
FAA TSO-C16a: passa da SAE AS393 para a SAE AS8006 (1988) e inclui o ensaio de gelo do máximo intermitente do Apêndice C do 14 CFR 25, além dos ensaios de água super-resfriada 1 e 2 da BS 2G 135, parágrafo 8.7.2.
- 14 Oct 2009
EASA ETSO-C16a, harmonizada com a FAA
EASA ETSO-C16a (ED Decision 2009/014/R), harmonizada com a TSO-C16a da FAA após o acidente do Air France 447, com o mesmo ensaio de gelo da BS 2G 135, seção 8.7. Documentos: EASA ETSO-C16a, termos de referência da EASA
- Feb 2016
EUROCAE ED-225, a contraparte da SAE AS5562
EUROCAE ED-225, com o mesmo título e escopo da SAE AS5562: padrões mínimos de qualificação para gelo e chuva de sondas pitot e pitot-estáticas.
- 27 Jan 2017
FAA TSO-C16b passa a exigir a SAE AS5562
FAA TSO-C16b: passa a exigir a SAE AS8006A e a SAE AS5562, no lugar da norma britânica. Documento: FAA DRS, TSO-C16b
- 21 Feb 2018
EASA ETSO-C16b, baseada na FAA TSO-C16b
EASA ETSO-C16b (ED Decision 2018/002/R), baseada na FAA TSO-C16b. Documento: EASA ETSO-C16b
Evidências que você pode conferir
Trabalho em projetos de clientes e na Embraer, e os artigos por trás do método.
Trabalho em projetos
| Projeto | O que fizemos | Ferramentas e ensaios | Resultado ou local |
|---|---|---|---|
| Akaer STC, surveillance aircraftProjeto | Desenvolvimento, simulação, ensaios e certificação da proteção contra gelo dentro de um pacote completo de quatro anos para fornecimento à Turkish Aerospace (TAI). A ATS4i foi responsável por projeto, ensaios e certificação. | FENSAP-ICE, como o cliente exigiu. | Relatórios de certificação prontos para submissão. 2020 a 2024. |
| Joby (eVTOL) air data probeProjeto | Mapeamento de carga de calor na sonda para cruzeiro durante a fuga de condições de gelo. | Coleta de água por CFD 3D, concentração de LWC e velocidade perto das sondas. | Programas em Python para os pontos de operação e de ensaio em túnel contra a SAE AS5562, e apoio à certificação. 2023 a 2024. |
| LWC probe redesign, Droplet Measurement TechnologiesProjeto | Análise de CFD e de proteção contra gelo para o melhor projeto de aquecimento elétrico de uma sonda de LWC. | CFD para Cp e impingement, código eletrotérmico de antigelo, ensaios em túnel de gelo para validar o código. | Distribuição ótima de potência de aquecimento na sonda. |
| Zodiac Aerotechnic: ice detector shapeProjeto | Otimização da forma de um detector de gelo para atenuar a onda de choque e aumentar a transferência de calor convectiva. | CFD em várias formas candidatas. | Melhor coeficiente de transferência de calor selecionado, arrasto minimizado, onda de choque atenuada. |
| Embraer: smart probes certificationIndústria | Certificação das smart probes do E170/190. A resposta a uma CRI da EASA antecipou, em 2003/2004, as condições de água líquida da SAE AS5562, que a TSO-C16b só incluiu mais de uma década depois. | Abordagem inovadora com uso intensivo de simulação e do CFD++. | Programas E170/190, 2003 a 2004. |
| Embraer: wing (slat and wing anti-ice)Indústria | Projeto e certificação do antigelo térmico do slat e da asa e das sondas pitot, TAT e porta estática. | Simulação LEWICE e ensaios no túnel de gelo da NASA. | 1997 a 2007. |
| Embraer: engine anti-iceIndústria | Sistema de proteção antigelo de motor desenvolvido com abordagens experimental e numérica. | Ensaios e simulação. | Artigo técnico SAE, 2007. |
| Pitot tube, A-4 Skyhawk, Brazilian NavyProjeto | Coleta de água no tubo de pitot. A distribuição alimenta modelos 1D ou 2D do aquecedor. | CFD++. | β máximo de 0,916. |
| Air data probes: heat load and envelope analysisProjeto | Programas em Python que definem os pontos de operação e os pontos de ensaio em túnel de gelo, comparados com normas antigas e atuais: FAR 25 Apêndice C, EASA, BS 2G 135 e SAE AS5562, que a TSO-C16b da FAA chama. | Programas em Python: carga de calor contra água coletada e pontos de operação. | Usado na Joby e apresentado no SAE AC-9C. |
| Icing tunnel and pitot tests at UFRJProjeto | Projeto e instalação do primeiro túnel de gelo do Brasil, ensaios de gelo em pitot em voo e no túnel e a investigação do acidente do voo Air France 447. | Túnel de gelo, ensaios em voo e modelos térmicos. | J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2016. |
| Anti-ice model against NASA experimentPesquisa | Temperatura de superfície e coeficientes de transferência de calor contra o experimento de Al-Khalil et al. (2001). | Modelos de camada limite integral e diferencial da ATS4i. | AIAA, 2009. |
De onde vem o modelo
O balanço térmico acopla a pele, o filme de água e o ar: condução ao longo da parede, troca de calor com a água, entalpia e energia cinética das gotas e evaporação. Foi construído em um doutorado apoiado pela Embraer e ampliado com Cal State Long Beach.
Artigos por trás do método
- Silva, Silvares, Zerbini (2007). Numerical simulation of airfoil thermal anti-ice operation, part 1: mathematical modelling. Journal of Aircraft 44(2).
- Silva, Silvares, Zerbini (2007). Numerical simulation of airfoil thermal anti-ice operation, part 2: implementation and results. Journal of Aircraft 44(2).
- Silva, Silvares, Zerbini, Hefazi, Chen, Kaups (2009). Differential boundary-layer analysis and runback water flow model applied to flow around airfoils with thermal anti-ice. AIAA.
- Silva, Silvares, Zerbini (2006). Water film breakdown and rivulets formation effects on thermal anti-ice operation simulation. AIAA/ASME Joint Thermophysics Conference.
- Domingos, Pustelnik, Trapp, Silva, Campo (2007). Development of an engine anti-ice protection system using experimental and numerical approaches. SAE.
- Lima da Silva et al. (2011). Proposed wall function models for heat transfer around a cylinder with rough surface in cross flow. SAE 2011-38-0023.
- Souza, Lisboa, Allahyarzadeh, Silva et al. (2016). Thermal analysis of anti-icing systems in aeronautical velocity sensors and structures. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng.
O que protegemos
Asas e empenagens
Sistemas eletrotérmicos, de ar quente e de botas em bordos de ataque e compensadores.
Entradas de ar de motor, ar dinâmico e hélices
Risco de ingestão, aquecimento do lábio e proteção de pás e cone.
Sondas de dados de ar e palhetas
Sondas TAT, pitot e inteligentes, palhetas de ângulo de ataque e detectores de gelo, com potência do aquecedor e localização.
Para-brisas
Aquecimento para a visão do piloto, com pilha de camadas e limites de temperatura.
Antenas e radomes
Proteção que não perturba a função eletromagnética.
eVTOL, drones e rotores
Aeronaves que podem não ter sistema convencional e precisam mostrar que o gelo não afeta a operação, ou que conseguem escapar da condição.
Ensaios e simulação trabalham juntos
Ensaios que você ainda vai precisar
Túnel de vento com gelo simulado para aerodinâmica, túnel de gelo para o sistema de proteção, ensaios em voo com gelo artificial e em gelo natural, e ensaios que validam os resultados.
O que a simulação faz pela campanha
Ela projeta o sistema, economiza ensaios em túnel e em voo, apoia a cobertura do envelope, apoia a certificação e apoia a análise de casos de falha.
De onde vem a experiência
Dez anos de projeto e certificação de antigelo na Embraer, depois projetos de clientes na ATS4i, junto com pesquisa e o desenvolvimento do nosso solver próprio.
Indústria Embraer, 1997 a 2007Projeto Projetos de clientes e de instalações da ATS4iPesquisa Artigos, workshops e comitêsiceAccretionFoam Desenvolvimento do nosso solver 3D próprio
- 1997–2007Indústria
Embraer: projeto e certificação de antigelo da asa e de sondas pitot, TAT, porta estática e smart probes, com ensaios no túnel de gelo da NASA e simulação.
E190: sistema pneumático, ECS e certificação de gelo, com a campanha de ensaios em túnel e em voo e os relatórios. E145: suporte técnico de sondas, ADs, boletins de serviço e manual de voo. E170/190: certificação de smart probes, um trabalho inovador e intensivo em simulação com CFD++, em resposta a uma CRI da EASA que antecipou em 2003/2004 as condições de água líquida da SAE AS5562, que a TSO-C16b só incluiu mais de uma década depois. Antigelo térmico do slat e da asa com simulação LEWICE e ensaios no túnel de gelo da NASA. Também o processo de certificação de sondas de 2001 com fabricantes e autoridades e um sistema antigelo de motor (SAE, 2007).
- 2003Pesquisa
Modelagem e simulação de sistema antigelo em aerofólios, AIAA 41st Aerospace Sciences Meeting.
- 2006–07Pesquisa
Modelo de quebra do filme de água e filetes, e dois artigos no Journal of Aircraft sobre antigelo em aerofólios.
- 2007Projeto
A ATS4i inicia serviços de engenharia, ensaios e certificação apoiados por simulação, com projetos de gelo e proteção contra gelo em sondas, asas e eVTOL.
- 2009Pesquisa
Na Cal State Long Beach, integrou o método diferencial compressível de camada limite de Cebeci ao seu código de antigelo, com o escoamento da água.
Artigo no AIAA com os Profs. Hefazi, Chen e Kaups.
- 2010Pesquisa
Modelo de densidade de potência de sondas de dados de ar, SAE AC-9C, Portland.
- 2011–15Pesquisa
Funções de parede para superfícies rugosas e depois modelos CFD e de camada limite com transição, validados em cilindro rugoso.
- 2016Projeto
Gelo em pitot em voo e no túnel de gelo projetado para a UFRJ, com a análise térmica de antigelo em sensores de velocidade e estruturas.
- 2020–24Projeto
STC da Akaer em aeronave de vigilância: desenvolvimento, simulação, ensaios e certificação da proteção contra gelo (base FENSAP), em um pacote completo para fornecimento à Turkish Aerospace (TAI).
- 2023–24Projeto
Joby (eVTOL): mapeamento de carga de calor e coleta de água 3D em sonda de dados de ar, com apoio à certificação de gelo.
- 2023Pesquisa
Transferência acoplada de calor e massa em sistemas de proteção de aerofólios, publicada no blog da ATS4i.
- 2026–28iceAccretionFoam
iceAccretionFoam: a Fase 2 do FAPESP PIPE mira a proteção térmica no solver 3D.
Como um projeto acontece
Missão e desempenho
Perfil de missão, pesos, velocidades e altitudes. Faixas de ângulo de ataque a partir da dinâmica de voo.
Gelo de referência e condições críticas
Gelo na superfície desprotegida e os pontos críticos do envelope.
Projeto do sistema
Arquitetura, fonte de calor, camadas, área protegida e lógica de controle junto com a sua equipe.
Análise térmica
Balanço de calor, filme de água, escoamento e densidade de potência nos pontos críticos.
Casos de falha e gelo residual
Formatos de gelo quando o sistema falha ou está desligado, e o gelo residual após o degelo.
Relatórios de certificação e apoio aos ensaios
Descrição do sistema, avaliação de segurança, plano de certificação, e relatórios do modelo numérico e dos ensaios em túnel de gelo e em voo. Tudo sob NDA.
Palestras, artigos e imprensa
- FAPESP aprova o iceAccretionFoam no PIPE (2026)
- Simulação de sistemas de proteção contra gelo em aerofólios: transferência acoplada de calor e massa (2023)
- Simulação numérica de transferência de calor convectiva para gelo em voo (2023)
- Gelo em aeronaves explicado: entrevista à Revista Asas (2024)
- “The Icing Engineering Process”: palestra na SUNY Korea (2022)