Il ghiaccio

La formazione di ghiaccio sulle superfici di un aeroplano rappresenta uno dei fenomeni più pericolosi per il volo.
Gli accumuli di ghiaccio si manifestano quando l'aereo vola entro nubi e/o precipitazioni formate da gocce d'acqua in state di sopraffusione.
E’, questo, uno stato anomalo in cui l'acqua (cosi come altre sostanze) rimane liquida pur trovandosi a una temperatura minore del valore di solidificazione.
L'equilibrio molto instabile delle goccioline sopraffuse è permesso dalla tensione superficiale della pellicola d'acqua che avvolge ogni goccia.


Poichè la tensione superficiale è tanto maggiore quanto minore è il diametro della goccia, accade che quelle più grosse possono rimanere in stato di sopraffusione solo a temperature di poco inferiori allo zero, mentre quelle più piccole possono trovarsi allo stato liquido anche a temperature di -20°C.
L'equilibrio instabile in cui si trovano le gocce sopraffuse viene rotto quando le gocce stesse entrano in urto con un corpo solido, al quale aderiscono in conseguenza della loro immediata solidificazione.

Per questa ragione, le parti dell'aereo più soggette agli accumuli di ghiaccio sono quelle direttamente esposte al moto:
i bordi d'attacco delle ali, dei piani di coda, e delle eliche, non che il muso dell'aereo.
Gli effetti pericolosi delle formazioni di ghiaccio sono i seguenti:
a)L'alterazione del flusso aerodinamico lunge i profili deformati dagli accumuli di ghiaccio.
L'alterazione del flusso aerodinamico sull'ala provoca una diminuzione della portanza e un aumento della resistenza, la cui azione congiunta può portare la velocità di stallo a valori talmente elevati da rendere impossibile non solo la salita, ma anche il semplice mantenimento del volo livellato.
Similmente, l'alterazione del flusso aerodinamico riduce la trazione dell'elica e l'efficacia delle superfici di coda.



b) L'ostruzione delle prese d'aria di alimentazione dei motori, in conseguenza della quale la potenza diminuisce progressivamente fino ad annullarsi quando la quantità di aria aspirata non è più sufficiente a garantire la combustione.
c) La totale mancanza di visibilità anteriore, particolarmente pericolosa durante la fase di atterraggio.
d) L'ostruzione della presa dinamica, in conseguenza della quale l'indice dell'anemometro si porta a zero, o comunque indica valori di velocità assolutamente inattendibili.
e) I possibili disturbi alle comunicazioni radio e alla ricezione dei segnali di radionavigazione, conseguenti agli accumuli di ghiaccio sulle antenne.
Quando gli accumuli superano un certo limite, le antenne possono anche rompersi e provocare l'oscuramento totale degli apparati radio di bordo.
f) L'appesantimento dell'aereo.
Ovviamente, l'entità dei pericoli sopra citati è direttamente proporzionale allo spessore e alla velocità di accumulo del ghiaccio, che a loro volta sono funzione della quantità di acqua sopraffusa incontrata, delle dimensioni delle gocce, della velocità dell'aereo e della forma delle superfici esposte al moto.

A seconda dell'aspetto che di volta in volta assume e del modo in cui si viene a formare, si usa distinguere il ghiaccio in brinoso, vetroso e spugnoso (o granuloso).

Il ghiaccio brinoso, così chiamato per il suo aspetto biancastro simile alla brina che si deposita sul terreno, si forma generalmente nelle nubi stratificate, caratteristiche dei fronti caldi.
Queste nubi hanno un contenuto d'acqua allo stato liquido compreso fra 0,05 e 0,8 grammi per metro cubo, e sono formate da goccioline di dimensioni molto ridotte, generalmente di diametro compreso fra 15 e 40 micron (millesimi di millimetro). Proprio in conseguenza della modesta quantità di acqua presente nella nube, e soprattutto del diametro ridotto delle gocce, l'accumulo di ghiaccio brinoso è di solito relativamente lento, anche grazie al fatto che quanto più piccole sono le gocce, tanto più le stesse tendono a seguire il flusso aerodinamico lunge il profilo anzichè urtarne il bordo d'attacco.
Inoltre, il ghiaccio brinoso è fragile e poco consistente, per cui può essere facilmente rimosso anche dai sistemi antighiaccio più semplici.
All'interno delle nubi stratificate si può incontrare acqua sopraffusa fino a temperature di -20°C.
A temperature minori, l'acqua si trova invece già allo stato solido, sotto forma di minuti aghetti di ghiaccio che non aderiscono alle superfici dell'aereo.
In genere, le condizioni favorevoli alle formazioni di ghiaccio brinoso all'interno delle nubi stratificate si estendono orizzontalmente per grandi distanze e verticalmente solo per alcune centinaia di piedi.
Perciò, quando si comincia ad accumulare ghiaccio all'interno delle nubi stratificate, è spesso sufficiente salire o scendere anche di soli 1.000 piedi per vedere cessare il fenomeno, che invece si protrarrebbe a lungo se si mantenesse invariata la quota. Grazie alle sue caratteristiche, il ghiaccio brinoso è perciò quello che presenta i minori pericoli per il volo.

Il ghiaccio vetroso, al contrario, e il più pericoloso, sia per la rapidità con la quale si accumula, sia per la tenacia con la quale aderisce alle superfici e, quindi, per la difficoltà di eliminarlo anche con i sistemi antighiaccio più efficaci.
Questo tipo di ghiaccio ha l'aspetto lucido e compatto di una lastra di vetro e si forma quando l'aereo incontra le gocce sopraffuse di grosso diametro che si trovano nelle nubi cumuliformi e nelle precipitazioni sopraffuse.
Le nubi cumuliformi, caratteristiche dei fronti freddi, hanno un contenuto di acqua allo state liquido molto elevato, compreso fra 1 e 3 grammi per metro cubo, e il diametro delle gocce, se ci sono precipitazioni, può arrivare ai 5 millimetri.
Quando raggiungono le superfici dell'aeroplano, a causa dell'inerzia loro conferita dal proprio peso, le gocce più grosse non riescono a seguire il flusso aerodinamico e vanno perciò a impattare direttamente il bordo d'attacco dei profili.
Qui, si infrangono in numerosi frammenti che, prima di solidificare, vengono trascinati all'indietro dal vento relativo e vanno a formare accumuli di ghiaccio di spessore e di estensione rapidamente crescenti.
Poichè, come abbiamo detto, le gocce grosse hanno una tensione superficiale limitata, il ghiaccio vetroso può essere incontrato fino a temperature non minori di -10°C.
Va però tenuto presente che, a causa del raffreddamento adiabatico indotto dalla depressione generata dal profilo alare, è possibile incontrare formazioni di ghiaccio anche quando la temperatura esterna è di uno o due gradi superiore allo zero.
Le condizioni favorevoli aile formazioni di ghiaccio vetroso all'interno dei cumuli, contrariamente a quanto accade nelle nubi stratificate, hanno in genere una estensione piuttosto limitata orizzontalmente, ma sono molto estese verticalmente.

All'interno di una nube cumuliforme, il cambio di quota non da perciò risultati apprezzabili, a meno che non si scenda fino a trovare temperature sopra zero.
Un particolare accenno meritano le precipitazioni sopraffuse, costituite dalla pioggia e dalla pioviggine gelata, sia perchè danno luogo alle formazioni di ghiaccio più intense e più pericolose, sia perchè possono colpire indifferentemente gli aerei che volano in IFR e quelli che volano in VFR.
Osservando la figura 3 si può notare che le precipitazioni sopraffuse si manifestano quando la pioggia scende prima attraverso una massa d'aria calda e, successivamente, attraverso una massa d'aria fredda la cui temperatura è sotto zero.
Tale situazione si verifica a volte nelle zone interessate dai fronti caldi invernali, all'interno della massa d'aria fredda, in prossimità della linea frontale.
Poichè queste zone si trovano spesso sotto la base delle nubi, e le condizioni potrebbero perciò essere VMC, non è da escludere che, contrariamente a quanto comunemente creduto, le formazioni di ghiaccio più pericolose possano colpire anche i piloti che volano in VFR.
Un aereo che volasse in una precipitazione sopraffusa, anche se di intensità moderata come nel caso della pioviggine, si troverebbe in breve tempo ricoperto di uno spesso strato di ghiaccio vetroso che potrebbe rendere impossibile il sostentamento.

Il ghiaccio spugnoso, o granuloso, non è altro che un misto di ghiaccio vetroso e brinoso e assume l'aspetto che gli conferisce il nome, a causa delle bolle d'aria che restano intrappolate fra i cristalli di ghiaccio.
La maggiore o minore pericolosità di un accumulo di ghiaccio spugnoso dipende dalla maggiore o minore somiglianza che esso di volta in volta assume rispettivamente con il ghiaccio vetroso o con il ghiaccio brinoso

Anti-icing e de-icing
Poichè le formazioni di ghiaccio costituiscono da sempre un pericolo per il volo,lo sviluppo di sistemi antighiaccio è andato di pari passo con quello dell'aviazione. L'adozione di soluzioni sempre più efficaci ed economiche permette oggi di equipaggiare con impianti antighiaccio anche molti aerei leggeri dell'aviazione generale.
In base al modo in cui operano, i sistemi antighiaccio possono essere suddivisi in due grandi famiglie:
gli antighiaccio veri e propri (anti-icing systems), i quali prevengono le formazioni di ghiaccio;
i sistemi di rimozione del ghiaccio (de-icing systems), che lo eliminano dopo che lo stesso si e accumulato.
In base al principio di funzionamento, i sistemi antighiaccio vengono invece suddivisi in chimici, meccanici e termici.

1 Sistemi chimici.
Sono i sistemi che impiegano liquidi anticongelanti, di solito a base di alcool, con i quali vengono cosparse le superfici da proteggere.
Essi vengono usati per i parabrezza, per le eliche, per i bordi d'attacco e per le prese d'aria dei motori a turbina.
Nel corso degli anni, i sistemi chimici hanno seguito alterne vicende.
Per le eliche, a esempio, il loro impiego si è andato via via riducendo a favore dei sistemi termici, ormai quasi universalmente usati sugli aerei moderni.
Per i parabrezza, sono ancora impiegati sugli aerei leggeri.
Per i bordi d'attacco, specialmente delle ali, furono inizialmente usati dai bombardieri della Royal Air Force durante la seconda guerra mondiale, in sostituzione dei sistemi meccanici a espansione, i cui tubi di gomma non resistevano agli strappi provocati dai cavi di ritenuta dei palloni di sbarramento nemici e, soprattutto, non consentivano l'installazione sul bordo d'attacco dei dispositivi atti a recidere i cavi stessi.
La ditta inglese TKS sostituì allora i bordi d'attacco di gomma con bordi in acciaio inossidabile dotati di feritoie attraverso le quali poteva essere pompato il liquido anticongelante.

Il sistema della TKS
La TKS ha continuato a produrre (quasi esclusivamente per l'industria aeronautica britannica) sistemi antighiaccio chimici sia per i bordi d'attacco delle ali, sia per le prese d'aria dei motori a turbina.
Le attuali versioni del brevetto TKS offrono pannelli da montare sulle superfici da proteggere, costituiti da elementi di acciaio inossidabile costellati di fori del diametro di circa 6 centesimi di millimetro ricavati col laser, attraverso i quali viene immesso sotto pressione il liquido anticongelante.
Visti gli ottimi risultati conseguibili, da alcuni anni il brevetto inglese è stato preso in considerazione anche dai costruttori americani, i quali ne prevedono un impiego sempre più diffuso anche sugli aerei dell'aviazione generale.

2 Sistemi meccanici.
Sono i sistemi che combattono il ghiaccio rimuovendolo dalle superfici dell'aereo dopo che se ne e verificato l'accumulo.
Il tipo più diffuso per la protezione dei bordi d'attacco delle ali e dei piani di coda degli aerei a pistoni è quello comunemente chiamato Goodrich, dal nome della ditta americana che lo produce.
Gli aerei equipaggiati con questo sistema hanno i bordi d'attacco rivestiti da manicotti di gomma.
All'occorrenza, i manicotti possono essere gonfiati pneumaticamente cosi da deformare la superficie sulla quale si è depositato il ghiaccio.
La deformazione della superficie dovrebbe provocare il distacco della crosta di ghiaccio (diciamo dovrebbe perchè, contro certi accumuli di ghiaccio vetroso, il sistema può risultare inefficace).


La figura 2 illustra lo schema di un impianto antighiaccio di questo tipo.
L'alimentazione è fornita da una pompa vacuum o da una pompa a pressione (la quale alimenta anche gli strumenti giroscopici di bordo).
Mediante un interruttore elettrico, il pilota attiva l'impianto, la cui sequenza di funzionamento è regolata da un temporizzatore.
Attraverso un certo numero di valvole e di regolatori di pressione, l'aria viene inviata a gonfiare a turno tutti i manicotti dei bordi d'attacco.
Quando il ciclo è ultimato (la durata e di circa un minuto), i manicotti vengono riportati nella posizione di riposo.

Un altro sistema meccanico attualmente in fase di sperimentazione presso la NASA, e che sembra sia largamente impiegato sugli aerei da trasporto sovietici, è quello cosiddetto a impulsi elettromagnetici (EIDS = Electromagnetic Impulse Deicer System).
Il sistema funziona inducendo un campo elettromagnetico all'interno di speciali manicotti, che rivestono i bordi d'attacco.
Le vibrazioni prodotte dal campo elettromagnetico causano il distacco degli accumuli di ghiaccio.
Fra i sistemi antighiaccio meccanici si può annoverare anche l'impianto dell'aria alternata, che equipaggia i motori a pistoni a iniezione.
L'impianto va attivato quando si prevede che le formazioni di ghiaccio possano ostruire le prese d'aria di alimentazione del motore.
Una volta azionato l'apposito comando, i cilindri non ricevono più l'aria proveniente dalla presa situata sul muse dell'aereo, ma aspirano l'aria usata per il raffreddamento, la quale entra da aperture molto più grandi e, quindi, difficilmente ostruibili dal ghiaccio, anche grazie al calore generato dal motore.

3 Sistemi termici.
Sono i sistemi più efficaci per la prevenzione e l'eliminazione delle formazioni di ghiaccio.
Possono essere elettrici o pneumatici e vengono usati per proteggere i bordi d'attacco delle ali e dei piani di coda, i bordi d'attacco delle eliche, le prese d'aria dei motori a turbina, i parabrezza, le prese dinamiche degli anemometri, gli sfiati dei serbatoi, le antenne radio eccetera.

Protezioni termiche
La protezione dei bordi d'attacco delle ali, dei piani di coda, e delle prese d'aria dei motori, su molti aerei equipaggiati con motori a turbina, viene realizzata tramite aria calda, la quale, prelevata dai compressori, viene opportunamente canalizzata verso le parti da proteggere.
Questo sistema antighiaccio è molto efficace, ma presenta lo svantaggio di sottrarre potenza ai motori.
I bordi d'attacco delle eliche vengono ormai quasi universalmente protetti con resistenze elettriche racchiuse da elementi di gomma.
Quando il pilota aziona l'interruttore dell' impianto, la corrente fornita dal generatore di bordo viene inviata in opportuna sequenza alle resistenze delle pale attraverso un sistema di spazzole e anelli collettori.
Il bordo d'attacco delle pale viene protetto solo nella parte interna, più vicina al mozzo, quella esterna viene tenuta libera dal ghiaccio dalla maggior velocità periferica di rotazione.
Anche i parabrezza, i tubi di Pitot e le altre parti soggette a formazioni di ghiaccio vengono protetti termicamente mediante resistenze elettriche.

Il fatto di avere aerei equipaggiati con sistemi antighiaccio non deve indurre i
piloti a credere di essere al riparo dai pericoli causati dalle formazioni di ghiaccio. Infatti, come abbiamo già accennato, esistono sistemi antighiaccio più o meno efficaci e vi sono formazioni di ghiaccio che possono raggiungere proporzioni tali da rendere pericoloso il volo per qualunque tipo di aereo.
Inoltre, la maggior parte degli aerei leggeri dell'aviazione generale muniti di impianti antighiaccio non sono per questo omologati per operare in condizioni meteorologiche favorevoli alle formazioni di ghiaccio.
Per questi aerei, i sistemi antighiaccio costituiscono solo un ausilio per far fronte a occasionali formazioni impreviste.
Un aereo, affinchè possa venire omologato per operare in condizioni favorevoli alle formazioni di ghiaccio, deve superare favorevolmente determinate prove di certificazione, codificate dalla FAA rispettivamente nella FAR 23 per gli aerei leggeri e nella FAR 25 per quelli medi e pesanti.
Le prove di certificazione possono essere effettuate in reali condizioni meteo favorevoli alle formazioni di ghiaccio, oppure in apposite gallerie del vento, oppure facendo volare l'aereo da certificare a breve distanza dietro un altro aereo appositamente attrezzato per emettere una scia di acqua nebulizzata in goccioline di dimensioni variabili.

Sistemi di valutazione
Al fine di avere dei parametri di riferimento su cui basare sia la misurazione dell'intensità delle formazioni di ghiaccio, sia la valutazione dell'efficacia dei sistemi antighiaccio, la FAA ha elaborato i grafici illustrati nella figura 4.
I due grafici in alto mostrano gli inviluppi entro cui si ipotizza che si verifichino mediamente le condizioni meteo favorevoli rispettivamente alle condizioni di ghiaccio vetroso nelle nubi cumuliformi (grafico di sinistra, chiamato "delle condizioni atmosferiche che conducono alle formazioni di ghiaccio massime intermittenti") e alle formazioni di ghiaccio brinoso nelle nubi stratificate (grafico di destra, chiamato "delle condizioni atmosferiche che conducono alle formazioni di ghiaccio massime continue").

Si ipotizza che nelle nubi cumuliformi le condizioni favorevoli al ghiaccio vetroso possono essere incontrate su distanze orizzontali medie di 2,6 miglia nautiche e che nelle nubi stratificate le condizioni favorevoli al ghiaccio brinoso possano essere incontrate su distanze orizzontali medie di 17,4 miglia.

I 2 e 4 grafici consentono di ottenere dei fattori di moltiplicazione adimensionali coi quali ricavare la quantità di acqua liquida incontrata quando le distanze percorse sono diverse da quelle standard riportate dai due grafici in alto.

L'atteggiamento più saggio e sicuro che i piloti dovrebbero in ogni caso tenere nei confronti delle formazioni di ghiaccio è quello di tentare in ogni modo di evitare tali condizioni.
Il primo passo per raggiungere l'obiettivo consiste nell'analizzare, prima del volo, le previsioni meteorologiche riguardanti la rotta.
Se le previsioni riportano la presenza di nubi, particolarmente quando correlate a una situazione frontale all'interno delle nubi, ci si devono aspettare formazioni di ghiaccio a tutte le quote superiori a quella alla quale si trova lo zero termico.

La figura 5 schematizza tre situazioni frontali, una a carattere caldo (a), una a carattere freddo (b) e una a carattere occluso (c).
L'andamento delle isoterme, e quindi le quote alle quali si possono incontrare i diversi tipi di ghiaccio e le diverse precipitazioni, è riferito alla stagione invernale, quando le nubi sono più basse e lo zero termico si trova spesso al suolo.
Per quanta riguarda le previsioni specifiche di formazioni di ghiaccio, i piloti si dovrebbero orientare particolarmente verso i rapporti in volo trasmessi da altri piloti con i messaggi AIREP (Air Report).

Le previsioni dei meteorologi sulle formazioni di ghiaccio, infatti, sono sempre molto generiche e spesso poco attendibili, date le numerose variabili che entrano in gioco e la scarsità di dati ottenibili da terra.
Nella scelta dei messaggi AIREP da analizzare, è bene che i piloti orientino la loro attenzione su quelli provenienti da aerei simili al proprio, in quanto la forma dei profili e la velocità sono fattori che influenzano grandemente le formazioni di ghiaccio.

Infatti, quando un corpo si muove nell'aria, esso genera sempre un'onda
di pressione, che è tanto maggiore quanta più grosso e veloce è il corpo.
Poiche le goccioline d'acqua vengono in parte allontanate dall'onda di pressione, succede che gli aerei grossi e veloci, a parità di altre condizioni, hanno meno probabilità di fare ghiaccio che non gli aerei piccoli e lenti.

Come regolarsi
Per convenzione internazionale, nei rapporti AIREP la classificazione delle formazioni di ghiaccio viene data coi seguenti termini:
-Tracce di ghiaccio.
La formazione di ghiaccio diventa percettibile. il rateo di accumulo è di poco maggiore del rateo di sublimazione.
Non vi sono pericoli per il volo e l'attivazione dei sistemi antighiaccio non è necessaria, a meno che il fenomeno non duri molto a lungo.
- Formazioni di ghiaccio leggere.
Il rateo di accumulo è tale da creare difficoltà se il volo si protrae nelle stesse condizioni per più di un'ora.
Non esistono problemi se si azionano i sistemi antighiaccio.
- Formazioni di ghiaccio moderate.
Il rateo di accumulo è tale per cui anche incontri di breve durata diventano potenzialmente pericolosi.
E’ indispensabile l'uso dei sistemi antighiaccio, oppure l'inversione di rotta.
- Formazioni di ghiaccio intense.
Il rateo di accumulo è tale per cui i sistemi antighiaccio non sono in grado di ridurlo, o comunque di eliminare la situazione di pericolo.
E’ indispensabile invertire subito la rotta.

Rizzardo Trebbi
Volare, Maggio 1998