Aerei e ghiaccio: i sistemi di protezione atmosferica

L’aeroplano è un sistema molto dinamico nel suo complesso, costituito da molti componenti e che necessita di un coordinamento costante tra i molti sottosistemi.  Non bisogna però dimenticare che ciò con cui l’aeromobile si confronta continuamente è l’ambiente esterno: un sistema caotico e poco prevedibile, variabile e spesso anche pericoloso.  Alle alte quote e non solo, infatti, i pericoli atmosferici sono un fattore estremamente importante da considerare per la perfetta riuscita del volo e della missione.

L’atmosfera e la minaccia del ghiaccio per gli aerei

Quando si parla di sistemi di protezione atmosferica per un aeromobile, i fattori da considerare sono molteplici, ma spesso le soluzioni sono puramente strutturali, come per la grandine. Per quanto riguarda le raffiche di vento invece, l’unico risvolto impiantistico della faccenda risiede nell’imbarco del Gust Load Alleviation System (GLS). Si tratta di un sistema di controllo automatico che aziona superfici di comando al fine di alleviare i carichi aerodinamici sulle strutture.

I fulmini sono invece anche meno preoccupanti: l’aereo è infatti assimilabile ad una gabbia di Faraday per la sua struttura conduttiva esterna. Le cariche elettriche non penetreranno all’interno e gli unici minimi danni possibili saranno sugli strumenti avionici più delicati. L’unica accortezza da tenere è garantire una continuità elettrica tra i componenti tramite giunzioni conduttive. In questo modo non si genera differenza di potenziale e quindi archi voltaici capaci di danneggiare altri componenti. L’unico problema rimasto sembra essere il ghiaccio: ed è proprio quest’ultimo ad essere il pericolo atmosferico più importante per un aeromobile.

La questione del ghiaccio e gli aerei

Molti incidenti aerei si sono verificati per mancate accortezze sulla formazione di ghiaccio sulle ali: un esempio è il volo Aero Trasporti Italiani AZ460 da Linate a Colonia. L’aeromobile cadde per mancata constatazione della formazione alare di ghiaccio, che aveva abbassato criticamente l’angolo di stallo. Il ghiaccio, infatti, tende ad accumularsi lungo il bordo di attacco dell’ala, deteriorando significativamente le caratteristiche aerodinamiche.

Ma questo non è il solo effetto deleterio del ghiaccio: è in grado di otturare le sonde di Pitot che, in combinazione con altri strumenti, restituiscono al pilota dettagli sul volo come altitudine, numero di Mach e velocità verticale. E non solo: il funzionamento di tutte le prese d’aria decadrebbe, le eliche calerebbero di prestazioni e rischierebbero di sbilanciarsi, le superfici mobili si bloccherebbero e le trasmissioni radio verrebbero disturbate. Si tratta quindi di un problema che influenza la navigazione, il controllo, l’aerodinamica e la propulsione: va perciò studiato al fine di evitarlo a tutti i costi.

Tipo e crescita del ghiaccio

Il ghiaccio tende a formarsi per condensazione del vapore d’acqua a basse temperature e per coalescenza in gocce di diametri molto variabili. L’accrescimento viene invece causato dagli urti e moti caotici nelle nubi con alto contenuto di acqua. La formazione e l’accrescimento sono fenomeni estremamente dinamici, con repentini cambi di stato per effetto delle variazioni di pressione e temperatura con la quota.

Il ghiaccio a temperature molto basse risulta facile da eliminare, è granuloso e fragile. Al contrario salendo di temperatura, ma sempre al di sotto 0°C, è possibile trovare nubi di pioggia sopraffusa: si tratta di una condizione termodinamica estremamente instabile, con formazione di un ghiaccio vetroso, aderente e molto resistente.

Attraverso il radar meteo, il pilota riesce ad avere una stima del contenuto d’acqua delle nubi, e un relativo rischio di formazione di ghiaccio. Per valori molto alti del Liquid Water Content (LWC) il sistema può anche suggerire diversioni. Questo perché le condizioni potrebbero essere più severe di quelle per cui l’impianto di protezione è stato dimensionato.

L’impianto di protezione negli aerei

Per l’individuazione del ghiaccio, il pilota si avvale di sonde o di sistemi di vario tipo: sonde ottiche, che misurano l’opacità e la rifrazione; sonde visive, come telecamere ottiche o a infrarossi; elementi oscillanti, che misurano la variazione di frequenza in risonanza con l’accumulo del ghiaccio. Per la prevenzione di formazione del ghiaccio, si usa riscaldare il bordo d’attacco dell’ala canalizzando l’aria compressa ad alta temperatura proveniente dall’impianto pneumatico. Per componenti più piccoli o per zone in cui è più difficile canalizzare, è opportuno l’uso di resistenze elettriche per riscaldamento. Se le condizioni metereologiche al di sopra dell’aeroporto sono pericolose, si può optare per irrorare l’aereo a terra con sostanze che abbassano il punto di congelamento.

Per rimuovere il ghiaccio formatosi, si può usare un sistema di tre guaine gonfiabili pneumaticamente, capaci di frantumare la formazione. Richiede però un tempismo corretto: infatti se usato troppo tardi le guaine potrebbero bloccarsi. Se troppo presto il ghiaccio ancora troppo plastico potrebbe inserirsi nelle fessure delle guaine, rendendole inutilizzabili.

Infine, un altro metodo è quello di utilizzare pannelli immersi in resistenze elettriche, capaci di fondere il ghiaccio nei punti corretti per frantumarlo. Meno usata è la strategia di usare un sistema di vibrazione dei pannelli dell’ala alimentato elettricamente.

A cura di Luigi Marchese