התקרחות (תעופה)

בתעופה, התקרחות^[1] היא תופעת הצטברות קרח על גבי כלי טיס ומהווה את אחד הסיכונים הסביבתיים המשמעותיים בטיסה. בנוסף להגדלת הגרר על כלי הטיס בשל שינוי צורתו האווירודינמית, הצטברות קרח מסוגלת להפוך משטח אווירודינמי כגון כנף, מייצבי גובה או כיוון למשטח לא יעיל. כלומר הצטברות קרח מסוגלת לגרום להזדקרות ולאובדן שליטה. בנוסף התקרחות מסוגלת לבלום חיישנים אווירודינמיים, מה שיגרום לתצוגה לא נכונה של נתוני אוויר לצוות ולמערכות המטוס, לפגוע בשדה הראייה של צוות האוויר על ידי הצטברות על השמשה ולפגוע במערכות הקשר והניווט של כלי הטיס על ידי הצטברות על האנטנות.

ישנן מערכות לזיהוי ולמניעת התקרחות, בעיקר במשטחים האווירודינמים המרכזיים וחיישני נתוני האוויר.

מאפיינים

התקרחות מתרחשת כאשר כלי הטיס פוגש אוויר לח וקר. גוף כלי הטיס בגלל טיסתו נוטה להיות קר יותר מהאוויר שאותו הוא פוגש. אוויר קר ולח בעיקר בגובה של מעל שכבת האינוורסיה יכול לגרום לטיפות הקרות מנקודת הקפיאה להישאר במצב נוזלי מה שמכונה טיפות מקוררות־על. כאשר גוף קר פוגע בטיפות אלו, הן מתחילות לקפוא באופן מידי.

עובי הפרופיל של המשטח הפוגש את הטיפות משפיע על "היתפסות" הטיפות, כאשר על גבי משטחים עבים קשה לטיפות להיתפס ולקפוא מאשר על גבי משטחים דקים יחסית. לכן אנטנות וכנפיים או הגאים דקים רגישים מאוד להתקרחות.

סוגים של התקרחות

דוגמה להתקרחות שקופה בלהב של מסוק כפי שמוצג בניסוי של נאס"א

מטוס טווין אוטר של נאס"א במחקר על התקרחות עם התקרחות SLD חמורה על מבנה האף של כלי הטיס

התקרחות כפור – קרח שמצטבר על כלי הטיס במהלך חנייתו. קרח זה נוטה להיות אחיד בשכבתו, אבל בעל צורה לא אווירודינמית. הוא גם נוטה להצטבר בהרבה יותר אזורים מבטיסה ובעיקר במשטחים העליונים. בהצטברות התקרחות זאת לא מתאפשרת המראה בטוחה עד להסרת הקרח. לרוב במטוסים המיועדים להמראה בתנאים אלה, יתבצעו בדיקות לזיהוי אזורי קיפאון וכן שטיפה של הכנפיים עם מים חמים או עם חומר מסיר התקרחות.
התקרחות גסה – התקרחות של טיפות מקוררות־על הקופאות מיד עם המגע בגוף כלי הטיס, מופיע לרוב בנקודת הסטגנציה של זרימת האוויר. צורת הקרח נוטה להיות גסה ועמומה.
התקרחות שקופה – התקרחות שבה הטיפות המקוררות־על לא קופאות מיד עם מגע עם הגוף. צורת התקרחות זאת היא שקופה וחלקה. לרוב בתופעת התקרחות זאת יופיעו הצטברויות דמויות קרניים הפולשות לתוך זרימת האוויר.
התקרחות SLD – התקרחות של טיפות מקוררות־על גדולות (Supercooled Large Droplets). הדבר מתאפיין בהצטברות מהירה של קרח באזורים שלא ממוגנים על ידי מערכות מניעת התקרחות. זאת משום שהטיפות הן גדולות מהרגיל.

תופעות טיסה בהתקרחות

על גבי הכנפיים הצטברות של קרח משנה את הפרופיל האווירודינמי של הכנפיים, מגדילה את הגרר ומגדילה את זווית ההתקפה של הכנף ועקב כך את מהירות האוויר בה הכנף מזדקרת. גם כמות קטנה של קרח מסוגלת לשנות בצורה משמעותית של ביצועי הכנף. אם ההתקרחות היא גסה, אז ביצועי הכנף צפויים להחמיר אף יותר. במצבי קיצון התקרחות על גבי הכנפיים מסוגלת לגרום להזדקרות במהירויות טיסה מרביות. התקרחות על גבי הכנפיים צפויה גם לפגוע בשליטה בגלגול בגלל שבירת זרימת האוויר על גבי המאזנות.

על גבי משטחי הייצוב כגון מייצב כיוון וגובה התקרחות מסוגלת לגרום לירידה משמעותית ביעילות המשטח ועקב כך לירידה ביציבות ויכולת שליטה על כלי הטיס. במקרה של מייצבי גובה הסיכון הוא חמור במיוחד שכן הגה הגובה לרוב פועל כמשקולת נגד למרכז המסה של כלי הטיס. במקרה והגה הגובה יזדקר, אף המטוס צפוי לנטות מטה במהירות ולהכניס את המטוס לצלילה, ומשום שאין זרימת אוויר על גבי המשטח, יעילות הגה הגובה יכולה להיות נמוכה מאוד, ולכן זה ימנע היחלצות ממצב זה.

הצטברות על גבי להבים של מדחף תקטין את יעילות המדחפים וכפועל יוצא בזה את הדחף של המנועים. הצטברות זאת שנוטה להיות לא אחידה תגרום בהדרגה לרטט של הלהבים וליציאתם מאיזון, שתגדיל משמעותית את העומס על ציר המנוע ותסכן את המנוע בכשל. במנועי סילון הצטברות קרח בלהבי המדחס או המניפה תגרום לזרימה לא יעילה של האוויר, וכתוצאה מכך תסכן את כלי הטיס בהזדקרות מדחס ובכיבוי להבה. כמו כן חלקיקי קרח גדולים מהווים מקור לגופים זרים שיכולים לגרום לנזק למנוע אם הם נשברים ונשאבים לתוכו.

התקרחות עשויה להצטבר על גבי חיישני נתוני אוויר כגון צינור פיטו, חרירים סטטיים ומשדרי זווית התקפה. בשל הצטברות זאת הנתונים הנמדדים על ידי המכשירים הללו יהיו שגוים ויגיבו בצורה לא הגיונית ועשויים להטעות את צוות האוויר ואף את מערכת בקרת הטיסה של כלי הטיס ולהכניסו לתמרונים מסוכנים בניסיון לפצות על השגיאות.

התקרחות עשויה להצטבר על גבי השמשה של כלי הטיס ולחסום את שדה הראייה של צוותי האוויר. מה שעשוי למנוע מהטייסים את היכולת לנחות ויקשה על זיהוי מכשולים בעת טיסה בגובה נמוך.

התקרחות עשויה להצטבר על האנטנות, שנוטות להיות דקות. הצטברות גדולה של קרח יכולה לחסום קליטה ולמנוע עבודה של מערכות ניווט וקשר ובמצבי קיצון מסוגלת לשבור את האנטנות קליל.

עם כל הגורמים הללו, הצטברות קרח מגדילה את משקל כלי הטיס שמשפיע על מקדם העומס ועל מהירות הזדקרותו.

התקרחות משפיעה לרעה על כל הכוחות הפועלים על כלי הטיס – היא מקטינה את הדחף והעילוי ומגדילה את הגרר והמשקל.

ניהול סיכונים בהתייחס להתקרחות

מטוס A319 של לופטהנזה עובר תהליך של הסרת התקרחות מהכנפיים בהכנות לקראת המראה

צוות אוויר המכין תוכנית טיסה יבדוק תחזית מזג אוויר ויתאים את תוכנית הטיסה שלו לתנאיה, זה חל גם על תנאים כמו התקרחות. תחזיות יציינו בצורה נפרדת תנאי התקרחות במספר קטגוריות, כאשר התקרחות חמורה תמנע כניסה לאזור המוכה כלל. כלי טיס המצוידים במערכות מניעת התקרחות יקבלו הסמכה מיוחדת לכניסה לתנאי התקרחות ידועים (FIKI - Flight Into Known Icing), וטייסים מסחריים יקבלו הכשרה מיוחדת לטיסה והימנעות מטיסה בתנאי התקרחות.

יש מספר קטגוריות של תנאי התקרחות:

זניחה – עקבות של התקרחות אפשריים בתנאים אלה, אבל אלה לא חמורים מספיק בשביל להשפיע גם על כלי טיס ללא מערכות מניעת התקרחות.
קלה – טיסה קצרה אפשרית בתנאים אלו. הצטברות משמעותית צפויה בטיסות ממושכות – מעל שעה.
מתונה – הצטברות משמעותית צפויה להיות מהירה יחסית בתנאים אלו. מטוסים ללא מערכות מניעת התקרחות לא יכולים לטוס במצב זה.
חמורה – גם עם שימוש במערכות נגד התקרחות אין יכולת לשלוט על התופעה. טיסה לתוך תנאים אלה אסורה ומסוכנת לכל כלי טיס.

תפעול בעת התקרחות

אם כלי הטיס נקלע לתנאי התקרחות על צוות האוויר האמונים על בטיחות כלי הטיס לתפעל בצורה שתקטין או תמנע את הסיכון הנובע מכך. אם כן יציאה מאזור עם תנאים להתקרחות ייקח עדיפות. אם אפשרי המטוס יכול לרדת לגובה בו התנאים לטיפות מקוררות־על לא קיימות. צוות האוויר ישקול בחירת יעד או נתיב חלופי בו לא קיימים תנאי התקרחות.

אם כלי הטיס כולל מערכות הסרת או מניעת התקרחות, וכולל הסמכת FIKI, צוות האוויר יוכל להיכנס ולנחות בתנאי התקרחות מתונה, אבל ידאג לנטר את התנאים בטיסה. כמו כן צוות האוויר יאיץ הן את מהירות הטיסה ואת מהירות הגישה והנחיתה בתנאי התקרחות, שכן זה יקשה על הקרח להצטבר ואם הצטבר יתן מרווח ביטחון למהירות ההזדקרות שצפויה לעלות.

מערכות זיהוי התקרחות

חיישן התקרחות מודד קיבוליות במטוס טרנסל C-160

במטוסים שטסים במסלולים ארוכים או במגוון גבהים ומהירויות שונות בכל גיחה לעיתים יותקנו מכשירים שיעזרו לאתר תנאי התקרחות בשביל להתריע ולעזור להיחלץ מאזור ההתקרחות ולתפעל את מערכות המניעה או הסרה בהתאם ובמהירות. ישנם מספר סוגים של חיישני התקרחות, העיקריים בהם הם חיישן תנודה, וחיישן קיבוליות.

חיישן תנודה רוטט בקצב קבוע, בהצטברות קרח תדר התנודה משתנה וזה מדליק התראת התקרחות. חיישן קיבול חש שינוי בקיבול בין שני מוליכים הנגרם מהצטברות קרח וזה מדליק את ההתראה.

מערכות מניעת או הסרת התקרחות

מערכות נגד התקרחות מתחלקות לשני סוגים עיקריים:

מערכות מניעת התקרחות (Anti-Icing) – מונעות הצטברות קרח באזורים ומשטחים עיקריים. מערכות מניעת הצטברות נוטות ליצור תנאים המונעים מקרח מלהיצמד למשטחים עיקריים.
מערכות הסרת התקרחות (De-Icing) – המסירות הצטברות של קרח באזורים ומשטחים עיקריים לרוב לפני טיסה.

מערכות מניעת או הסרת התקרחות עיקריות:

שפת התקפה מחוממת – מערכת זאת מותקנת בשפת התקפה של משטחים אווירודינמיים, בכונסים למנוע או על גבי להבים של מדחפים – לרוב מפלדת אל־חלד, ומזרימה אוויר חם מהמנוע. החום של המשטח ממיס מידית גבישי קרח הצמודים אליו, ואלה לא מסוגלים להצטבר על המשטח.
מערכת TKS – הכוללת שפת התקפה הכוללת חריצים זעירים. דרך חריצים אלה מוזרם נוזל עשיר בגליקול בעל טמפרטורת קפיאה נמוכה במיוחד. הנוזל יוצר שכבה על גבי הכנף או שלא מאפשרת לקרח להצטבר עליה. משמש בעיקר בכנפיים או מדחפים.
חימום שמשה – חימום שמשה מתבצע לרוב על ידי גוף חימום העובר בתוך הזכוכית, או על ידי אוויר המוזרם ממערכת המיזוג של כלי הטיס. זה ממיס ומעיף את הקרח מהשמשה ומאפשר ראות קדימה.
חימום חיישני נתוני אוויר – חיישני נתוני אוויר כוללים לרוב גופי חימום חשמליים המופעלים ידנית על ידי צוותי האוויר או אוטומטית על ידי מערכות המטוס וזאת בגלל החשיבות הקריטית והסיכון בקבלת נתוני אוויר שגויים.
שרוול מתנפח מכונה גם מגף – שרוול כנף מתנפח בצורת בליטות השוברות את הצטברות הקרח ומרחיקות אותן מפרופיל הכנף בעוד הן מועפות על ידי זרימת האוויר. המערכת בדרך כלל משתמשת באוויר ממערכת המיזוג והדיחוס של המטוס. נפוץ מאוד בתעופה ומותקן על גבי משטחים אווירודינמיים עיקריים וכן על גבי להבי מדחף.
אלקטרו פולס – משתמש בפולס אלקטרומגנטי מסלילים המותקנים בשפת ההתקפה, אלה שוברים את הגבישים הנושקים לשפת ההתקפה ועקב כך הצטברות הקרח מתנתקת משפת ההתקפה ומועפת על ידי זרימת האוויר.

תרשים עקרוני המדגים פעולת מגף מתנפח
תרשים המציג את אופן ניתוב האוויר למערכת המגפים המתנפחים
תמונה הממחישה את אופן העבודה של המגפים. הרכסים מתנפחים, שוברים את הקרח ואת החיבור שלו לשפת ההתקפה והאוויר מעיף את השברים
תמונה המציגה אמצעי חשמלי להסרת קרח במדחף. שרוול זה מכיל סליל שמחמם את הלהב ומפשיר את הקרח
תמונה הממחישה שפת התקפה של מערכת TKS המשתמשת במבנה חריצי דרכו מוזרם נוזל בעל טמפרטורת קיפאון נמוכה
תמונה המציגה הצטברות קרח על המגפים של שפת ההתקפה. חלק מהקרח נשבר והועף, אבל חלק משכבת הקרח נשארה.