การจับแข็ง (การบิน)
.jpg)
ในทางการบิน การจับแข็ง (อังกฤษ: Icing) เป็นการก่อตัวของน้ำแข็งบนเครื่องบิน การจับแข็งส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงมากมายในประวัติศาสตร์การบิน การพอกและสะสมของน้ำแข็งสามารถส่งผลต่อพื้นผิวภายนอกของเครื่องบิน ซึ่งในกรณีนี้คือการจับแข็งบนโครงเครื่องบิน[1] หรือเครื่องยนต์ ส่งผลให้เกิดน้ำแข็งจับที่คาร์บูเรเตอร์ น้ำแข็งที่ช่องอากาศเข้า และโดยทั่วไปคือการจับแข็งที่เครื่องยนต์[2] ปรากฏการณ์เหล่านี้อาจเกิดขึ้นแยกกันหรือเกิดพร้อมกัน
ไม่ใช่เครื่องบินทุกลำ โดยเฉพาะไม่ใช่เครื่องบินทั่วไป ที่จะได้รับการรับรองว่าสามารถบินเข้าสู่บริเวณที่มีการจับแข็ง (flight into known icing, FIKI) ซึ่งหมายถึงการบินเข้าไปในพื้นที่ที่ทำให้เกิดการจับแข็งหรือมีแนวโน้มว่าจะมีน้ำแข็งเกาะ โดยอ้างอิงจากรายงานของนักบิน การสังเกตการณ์ และการคาดการณ์[3] เพื่อให้ได้รับการรับรอง FIKI เครื่องบินจะต้องติดตั้งระบบป้องกันน้ำแข็งที่เหมาะสมเพื่อป้องกันอุบัติเหตุจากการจับแข็ง
นิยาม
[แก้]สภาวะการจับแข็งจะเกิดขึ้นเมื่ออากาศมีหยดน้ำที่เย็นจัดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง หยดน้ำเหล่านี้จะแข็งตัวเมื่อสัมผัสกับจุดที่อาจเกิดนิวเคลียสผลึกได้ ซึ่งในกรณีนี้คือส่วนต่าง ๆ ของเครื่องบินทำให้เกิดการจับแข็ง สภาวะการจับแข็งจะถูกกำหนดปริมาณโดยขนาดของหยดน้ำโดยเฉลี่ย ปริมาณน้ำที่เป็นของเหลว และอุณหภูมิของอากาศ ตัวแปรเหล่านี้ส่งผลต่อขอบเขต ประเภท และความเร็วที่กำหนดลักษณะการก่อตัวของน้ำแข็งบนเครื่องบิน กฎระเบียบการบินของสำนักงานบริหารการบินแห่งชาติของสหรัฐมีคำจำกัดความของสภาวะการจับแข็ง[4] ที่เครื่องบินบางลำได้รับการรับรองให้บินผ่าน คือสภาวะที่เรียกว่า SLD (supercooled large droplet) หรือสภาวะหยดน้ำขนาดใหญ่ที่เย็นจัดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง เป็นสภาวะที่เกินกว่าข้อกำหนดและเป็นอันตรายเฉพาะต่อเครื่องบิน ซึ่งเครื่องบินทุกลำต้องพยายามหลีกเลี่ยง
ในเชิงคุณภาพ รายงานของนักบินระบุถึงสภาวะการจับแข็งที่ส่งผลต่อเครื่องบินโดยพิจารณาจากความสามารถที่มีอยู่เดิมของเครื่องบิน เครื่องบินแต่ละลำอาจรายงานสภาวะเชิงปริมาณเดียวกันได้แม้ว่าจะมีการจับแข็งในระดับที่แตกต่างกัน เครื่องตรวจจับน้ำแข็งมักใช้เพื่อระบุถึงการมีอยู่ของสภาวะการจับแข็ง
ชนิดของโครงสร้างน้ำแข็ง
[แก้]
- น้ำแข็งใส (clear ice) มักจะใสและเรียบเนียน หยดน้ำเย็นยิ่งยวดหรือฝนเยือกแข็งจะตกลงมาบนผิวเครื่องบินแต่ไม่แข็งตัวทันที มักเกิด "ยอดแหลม" หรือส่วนที่ยื่นออกมาและยื่นขวางการไหลของอากาศ ซึ่งที่สุดจะทำให้พื้นผิวเรียบขึ้น น้ำแข็งรูปแบบนี้เรียกอีกอย่างว่าน้ำแข็งเคลือบ (glaze)
- น้ำแข็งแบบไรม (rime ice) เป็นน้ำแข็งที่หยาบและทึบแสง เกิดจากหยดน้ำเย็นยิ่งยวดที่แข็งตัวอย่างรวดเร็วเมื่อกระทบพื้นผิว น้ำแข็งส่วนใหญ่เกาะตามจุดหยุดนิ่ง (stagnation point) ของแพนอากาศ โดยทั่วไปจะมีลักษณะตามรูปร่างของโครงสร้างพื้นผิวอากาศพลศาสตร์
- น้ำแข็งผสม (mixed ice) คือการรวมกันของน้ำแข็งใสและน้ำแข็งแบบไรมซึ่งมีคุณสมบัติของน้ำแข็งทั้งสองแบบ
- น้ำแข็งแบบน้ำค้างแข็ง (frost ice) เกิดจากน้ำแข็งเกาะบนพื้นผิวที่ไม่ได้รับการปกป้องในขณะที่เครื่องบินจอดนิ่งก่อนที่จะเริ่มต้นเที่ยวบิน ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้เมื่อพยายามทำการบิน เนื่องจากน้ำแข็งจะไปขัดขวางการไหลของอากาศในชั้นขอบเขตการไหลของปีก ทำให้เกิดการหยุดนิ่งของอากาศก่อนเวลาอันควร และในบางกรณีแรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้การบินขึ้นนั้นอันตรายหรือเป็นไปไม่ได้ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดอุบัติเหตุอย่างรวดเร็ว
- น้ำแข็งแบบ SLD หมายถึงน้ำแข็งที่ก่อตัวขึ้นจากหยดน้ำขนาดใหญ่ในสภาวะเย็นยิ่งยวด (supercooled large droplet, SLD) น้ำแข็งชนิดนี้คล้ายกับน้ำแข็งใส แต่เนื่องจากหยดน้ำมีขนาดใหญ่ จึงขยายออกไปยังส่วนต่าง ๆ ของเครื่องบินที่ไม่ได้รับการปกป้อง และก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่มีรูปร่างใหญ่ขึ้น ซึ่งเร็วกว่าสภาวะการจับแข็งปกติ โดยเครื่องบินเกือบทั้งหมดไม่มีการปกป้องอย่างเพียงพอจากน้ำแข็งประเภทนี้ ซึ่งเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เที่ยวบิน 4184 ของสายการบินอเมริกันอีเกิลตก
ผลกระทบ
[แก้]
เมื่อปนเปื้อนด้วยน้ำแข็งโดยปกติแล้วปีกจะสูญเสียแรงยกเมื่อมุมปะทะต่ำกว่าและที่ความเร็วของอากาศสูงขึ้น แม้แต่น้ำแข็งจำนวนเล็กน้อยก็ส่งผลกระทบได้ และหากน้ำแข็งมีเนื้อหยาบ ก็อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงได้เช่นกัน ดังนั้นควรเพิ่มความเร็วในการทำการบินหากมีน้ำแข็งเกาะอยู่บนปีก การเพิ่มขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับทั้งประเภทของเครื่องบินและปริมาณน้ำแข็ง คุณลักษณะการสูญเสียแรงยกของเครื่องบินที่ปีกปนเปื้อนด้วยน้ำแข็งจะลดลง และมักพบปัญหาการควบคุมการหมุนอย่างรุนแรง การเพิ่มของน้ำแข็งอาจไม่สมมาตรระหว่างปีกทั้งสองข้างซึ่งต้องมีการปรับเทียบ นอกจากนี้ส่วนนอกของปีกซึ่งโดยปกติจะบางกว่าจึงสะสมน้ำแข็งได้มากกว่า ทำให้อาจเป็นส่วนที่สูญเสียแรงยกก่อน
ผลกระทบต่ออากาศยานไร้คนขับ
[แก้]อากาศยานไร้คนขับเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่มีการใช้งานในเชิงพาณิชย์และการทหารมากมาย การจับแข็งเกิดขึ้นระหว่างทำการบินเข้าในเมฆเย็นยิ่งยวดหรือในระหว่างหยาดน้ำฟ้าที่เป็นน้ำแข็ง ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อเครื่องบินทุกประเภท การจับแข็งบนเครื่องบินไร้คนขับสร้างข้อจำกัดที่สำคัญต่อขอบเขตการปฏิบัติการ[5]
อากาศยานไร้คนขับมีความอ่อนไหวและไวต่อการจับแข็งมากกว่าเครื่องบินที่มีนักบินควบคุม[6] ความแตกต่างหลักระหว่างเครื่องบินไร้คนขับและเครื่องบินที่มีคนขับเมื่อเกิดการจับแข็งมีดังนี้:
- ขนาดและน้ำหนัก: เครื่องบินขนาดเล็กจะสะสมน้ำแข็งได้เร็วกว่าและมีน้ำแข็งต่อหน่วยพื้นที่มากกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องบินขนาดใหญ่ โดยทั่วไปแล้ว UAV จะมีขนาดเล็กกว่าเครื่องบินที่มีคนขับ ดังนั้นจึงไวต่อน้ำแข็งมากกว่า นอกจากนี้มวลที่เพิ่มขึ้นจากน้ำแข็งเกาะอาจส่งผลเสียได้อย่างรวดเร็วต่อ UAV ที่มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักที่เข้มงวด
- ความเร็วการบิน: ความเร็วของอากาศที่สูงจะทำให้เกิดความร้อนที่ปีกหรือใบพัดของเครื่องบิน ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการจับแข็งได้ในระดับหนึ่ง โดรนบินด้วยความเร็วต่ำกว่าเครื่องบินที่มีคนขับและจะไม่ได้รับประโยชน์จากผลกระทบจากความร้อน ดังนั้นน้ำแข็งบนโดรนจึงอาจเกิดขึ้นได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าบนเครื่องบินที่มีคนขับ
- การไหลแบบแลมินาร์: ค่าเรย์โนลด์สำหรับ UAV นั้นต่ำกว่าค่าเรย์โนลด์สำหรับเครื่องบินที่มีคนขับประมาณหนึ่งลำดับขนาด ส่งผลให้ UAV ปฏิบัติการในระบบการไหลที่ผลกระทบจากการไหลแบบแลมินาร์มีมากกว่าผลกระทบจากการไหลแบบปั่นป่วน เนื่องจากการไหลแบบแลมินาร์ถูกรบกวนได้ง่ายกว่าการไหลแบบปั่นป่วน ผลกระทบเชิงลบของการจับแข็งจึงมีมากกว่า
- ประเภท: UAV แบบปีกหมุนมักจะไวต่อการเกิดน้ำแข็งมากกว่า UAV แบบปีกตรึง[7]
ส่วนต่าง ๆ ของ UAV ที่สัมผัสกับน้ำแข็งมากที่สุด ได้แก่ เซ็นเซอร์ความเร็วอากาศ ขอบด้านหน้าของพื้นผิวอากาศพลศาสตร์ โรเตอร์ และใบพัด
การเกิดการจับแข็งบน UAV เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นทั่วโลก และการจับแข็งที่ระดับความสูงปฏิบัติการสามารถเกิดขึ้นได้ตลอดทั้งปีทั่วโลก อย่างไรก็ตามความเสี่ยงจากการเกิดการจับแข็งนั้นมีมากเป็นพิเศษในบริเวณกึ่งอาร์กติก อาร์กติก และแอนตาร์กติกา ตัวอย่างเช่น ในพื้นที่ส่วนใหญ่ของกลุ่มประเทศนอร์ดิก การจับแข็งเกิดขึ้นร้อยละ 35 ถึงมากกว่าร้อยละ 80 ในช่วงเวลาตั้งแต่เดือนกันยายนถึงพฤษภาคม[7]
การป้องกันและกำจัด
[แก้]
มีหลายวิธีที่จะช่วยลดอันตรายจากการจับแข็ง วิธีแรกและง่ายที่สุดคือการหลีกเลี่ยงการจับแข็งโดยสิ้นเชิง แต่สำหรับเที่ยวบินส่วนใหญ่ วิธีนี้อาจไม่สะดวก
การป้องกันก่อนทำการบิน
[แก้]หากพบน้ำแข็ง (หรือสิ่งปนเปื้อนอื่น ๆ) บนเครื่องบินก่อนขึ้นบิน จะต้องกำจัดออกจากพื้นผิวสำคัญ การกำจัดสามารถทำได้หลายรูปแบบ:
- วิธีการทางกล เช่น การใช้ไม้กวาดหรือแปรงเพื่อกำจัดหิมะ
- การใช้สารละลายน้ำแข็งหรือใช้น้ำร้อนเพื่อกำจัดน้ำแข็ง หิมะ ฯลฯ
- การใช้ความร้อนจากอินฟราเรดเพื่อละลายและกำจัดสิ่งปนเปื้อน
- การนำเครื่องบินไปไว้ในโรงเก็บเครื่องบินที่มีเครื่องทำความร้อนจนกว่าหิมะและน้ำแข็งจะละลายหมด
- การจอดเครื่องบินให้หันไปทางดวงอาทิตย์เพื่อเพิ่มความร้อนให้กับพื้นผิวที่ปกคลุมด้วยหิมะและน้ำแข็งให้มากที่สุด ในทางปฏิบัติวิธีนี้จะจำกัดอยู่เพียงการขจัดสิ่งปนเปื้อนบาง ๆ โดยขึ้นอยู่กับเวลาและสภาพอากาศ
วิธีการเหล่านี้ทั้งหมดสามารถขจัดสิ่งปนเปื้อนที่มีอยู่ได้ แต่ไม่สามารถป้องกันได้จริงในสภาวะที่มีการจับแข็ง หากมีน้ำแข็งเกาะหรือคาดว่าจะเกิดขึ้นก่อนเครื่องขึ้นบิน ให้ใช้สารต้านการแข็งตัวของน้ำ สารนี้จะมีความหนากว่าสารละลายน้ำแข็งและทนต่อผลกระทบของหิมะและฝนได้ระยะหนึ่ง สารเหล่านี้มีจุดประสงค์เพื่อขจัดปัญหาของเครื่องบินระหว่างนำเครื่องขึ้นบินแต่ไม่สามารถป้องกันได้ระหว่างการบิน
ระบบป้องกันระหว่างทำการบิน
[แก้]
เพื่อป้องกันเครื่องบินจากการจับแข็งระหว่างบิน มีการใช้สารต้านการแข็งตัวของน้ำหรือสารละลายน้ำแข็งหลายรูปแบบ:
- แนวทางทั่วไปคือการส่งอากาศที่ออกมาจากเครื่องยนต์ (bleed air) เข้าไปในท่อตามขอบด้านหน้าของปีกและแพนหาง อากาศจะทำให้ขอบด้านหน้าของพื้นผิวร้อนขึ้น ซึ่งจะทำให้น้ำแข็งละลายหรือระเหยเมื่อสัมผัสกัน ในเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์กังหันแก๊ส อากาศจะถูกดูดออกจากส่วนคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์ หากเครื่องบินขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ลูกสูบแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ อากาศที่ออกมาจากเครื่องยนต์จะถูกดูดออกจากเทอร์โบชาร์จเจอร์
- เครื่องบินบางลำติดตั้งกระเปาะละลายน้ำแข็งแบบลมอัดเพื่อกระจายน้ำแข็งที่เกาะอยู่บนพื้นผิว ระบบดังกล่าวใช้ลมที่ระบายออกจากเครื่องยนต์น้อยกว่า แต่โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าพื้นผิวที่อุ่นด้วยความร้อน
- เครื่องบินบางรุ่นใช้ระบบ weeping wing ซึ่งมีรูเล็ก ๆ หลายร้อยรูที่ขอบด้านหน้าปีกซึ่งจะปล่อยของเหลวป้องกันน้ำแข็งเมื่อต้องการ เพื่อป้องกันการสะสมของน้ำแข็ง
- การให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าถูกใช้เพื่อป้องกันเครื่องบินและส่วนประกอบต่าง ๆ (รวมถึงใบพัด) ไม่ให้เกิดการจับแข็ง การให้ความร้อนอาจทำต่อเนื่อง (โดยปกติจะใช้กับส่วนประกอบขนาดเล็กที่สำคัญ เช่น เซ็นเซอร์วัดความดันและการไหลของอากาศ (pitot static sensor) และเซ็นเซอร์วัดมุมปะทะ (angle of attack vane) ) หรือให้ความร้อนเป็นระยะ ๆ ซึ่งจะให้ผลคล้ายกับการใช้กระเปาะละลายน้ำแข็ง
โดยปกติจะทำการปกป้องเฉพาะพื้นผิวและส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องบินเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขอบด้านหน้าของปีก
ระบบทำความร้อนคาร์บูเรเตอร์จะถูกใช้กับเครื่องยนต์แบบคาร์บูเรเตอร์เพื่อป้องกันและขจัดการจับแข็ง เครื่องยนต์ที่ใช้ระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงมีปัญหาน้อยกว่า แต่ยังสามารถเกิดการอุดตันของช่องรับอากาศเข้า ในเครื่องยนต์เหล่านี้มักจะมีแหล่งอากาศสำรองให้ใช้
การละลายน้ำแข็งและการป้องกันน้ำแข็งมีความแตกต่างกัน การละลายน้ำแข็งหมายถึงการกำจัดน้ำแข็งออกจากโครงสร้างเครื่องบิน ส่วนการป้องกันน้ำแข็งหมายถึงการต้านการแข็งตัวของน้ำที่สะสมบนโครงสร้างอากาศยาน
อุบัติเหตุและเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้อง
[แก้]อ้างอิง
[แก้]- ↑ Wadel, Mary (3 สิงหาคม 2017). "Airframe Icing". NASA Glenn Research Center. National Aeronautics and Space Administration. สืบค้นเมื่อ 8 มิถุนายน 2019.
- ↑ Wadel, Mary (31 กรกฎาคม 2017). "Engine Icing". NASA Glenn Research Center. National Aeronautics and Space Administration. สืบค้นเมื่อ 8 มิถุนายน 2019.
- ↑ Yodice, John S. (1 สิงหาคม 2005). "The law on 'known icing'". AOPA Pilot Magazine. Vol. 48 no. 8. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 1 มกราคม 2015. สืบค้นเมื่อ 25 เมษายน 2013.
- ↑ "Federal Aviation Regulations, Part 25, Appendix C". Electronic Code of Federal Regulations. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 19 มีนาคม 2012. สืบค้นเมื่อ 20 กันยายน 2008.
- ↑ Hann, Richard; Johansen, Tor (2020). "Unsettled Topics in Unmanned Aerial Vehicle Icing (EPR2020008 Research Report) - SAE Mobilus". saemobilus.sae.org. doi:10.4271/epr2020008. hdl:11250/3113980. S2CID 226200723. สืบค้นเมื่อ 12 กุมภาพันธ์ 2021.
- ↑ Hann, Richard (2020). Atmospheric Ice Accretions, Aerodynamic Icing Penalties, and Ice Protection Systems on Unmanned Aerial Vehicles. NTNU. ISBN 978-82-326-4749-1.
- ↑ 7.0 7.1 "UAV Atmospheric Icing Limitations". UBIQ Aerospace. พฤษภาคม 2021. สืบค้นเมื่อ 8 ธันวาคม 2021.
แหล่งข้อมูลอื่น
[แก้]
- Aircraft Icing. นาซา.
- 14 CFR 25 Appendix C – Atmospheric Icing Conditions for Aircraft Certification. Electronic Code of Federal Regulations.