IMPIANTO ANTIGHIACCIO

IMPIANTO ANTIGHIACCIO Missione dell impianto La missione dell impianto antighiaccio (Ice Protection System) è di permettere la prevenzione (Anti-Ice system) o la rimozione del ghiaccio (De-Ice system) che si potrebbe formare o che si è formato nelle varie fasi del volo. La missione degli aeromobili si svolge in condizioni ambientali molto diverse, sia a terra sia in volo e l impianto antighiaccio ha il compito di gestire l impatto dell ambiente esterno su alcuni impianti del velivolo, al fine di garantire la sicurezza ed il corretto funzionamento in tutte le condizioni operative. Le condizioni ambientali La combinazione di presenza di umidità e di temperature prossime allo zero possono causare sulla superficie del velivolo delle formazioni di ghiaccio, sia quando il velivolo è a terra, sia quando è in volo. Le condizioni ambientali a terra possono presentare temperature di 40/50 gradi centigradi sopra e sotto zero C ed il velivolo si può trovare ad operare dopo pochi minuti dal livello del mare ad alta quota, passando da temperature al di sopra dello zero ad altra, fino a cinquanta gradi centigradi sottozero, in assenza di umidità. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 1

Le condizioni di umidità relativa nell aria, così come la presenza di pioggia o neve, possono essere molto variabili; inoltre - durante la salita - le condizioni di temperatura ed umidità dipendono molto da quelle meteo che il velivolo incontra durante la salita. Anche a terra, in alcune particolari condizioni, la temperatura superficiale del velivolo può influire su tali fenomeni: questo è il caso di velivoli atterrati da poco tempo, con molto carburante residuo e che hanno una temperatura interna stabilizzata molto inferiore allo zero centigrado: in questo caso il rivestimento dei serbatoi potrebbe avere temperature più basse di quelle ambientali ed innescare la formazione di una particolare tipologia di ghiaccio detto clear ice, molto trasparente e difficile da vedere o da riconoscere, anche con ispezioni visive ravvicinate. Anche le lunghe soste a terra durante precipitazioni di pioggia o di neve seguite da basse temperature, costituiscono una condizione di rischio per la formazione di ghiaccio, che dovrà essere rimosso prima della partenza. Le procedure di handling dei velivoli sono predisposte per affrontare questa tipologia di eventi e permettono la rimozione del fenomeno con interventi che precedono il volo. Tale azioni vengono espletate mediante attrezzature/procedure di handling aeroportuale e non con gli impianti velivolo. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 2

I dispositivi e le modalità con le quali si attua la protezione dal ghiaccio (Ice Protection System) dipendono dalla superficie da proteggere, dalle fonti di energia disponibili e dalle singole tecnologie utilizzate. Nelle convenzioni utilizzate in campo aeronautico nella categoria degli impianti in oggetto (I.P.S.) si comprendono anche dispositivi di tipo diverso: rimozione della pioggia per avere visibilità, prevenzione/rimozione dei fenomeni di appannamento dei cristalli a visione diretta della cabina piloti. Gli effetti del ghiaccio La presenza di ghiaccio causa effetti negativi di vario genere, quali ad esempio: Alterazione della forma aerodinamica delle superfici con conseguente alterazione del flusso aerodinamico. Isolamento di importanti sensori. Danni meccanici a superfici investite da pezzi di ghiaccio distaccatesi dalle superfici alari o dai bordi di attacco delle prese dinamiche dei motori. Perdita di visibilità attraverso i trasparenti a causa di formazioni di ghiaccio, acqua, appannamento. Le parti del velivolo di cui stiamo parlando sono: bordi di entrata alare, deriva, stabilizzatore, prese aria APU, prese aria condizionamento, prese aria - ogiva primo stadio statori motore, eliche, tubi pitot, prese statiche, sensori di temperatura IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 3

esterna, rilevatori di angolo d attacco, cristalli per visione diretta ecc. Ad ognuna di queste tipologie di parti corrisponde una modalità di formazione e di protezione dal ghiaccio. Prendiamo la possibile casistica relativa ad un velivolo a getto da trasporto civile: Formazione di ghiaccio sul bordo di attacco alare, con alterazione delle caratteristiche aerodinamiche, causando perdite di portanza ed anche forti asimmetrie. Il distacco improvviso di pezzi di ghiaccio dalle ali potrebbe danneggiare i piani di coda o i motori posti in coda. Formazione di ghiaccio sulla presa aria dei motori, con cambiamento dell aerodinamica, diminuzione della sezione utile al flusso, innesco di vibrazioni, perdita di portata d aria. Distacco di parti di ghiaccio nella presa d aria può provocare danni gravissimi alle palette rotanti e mettere fuori esercizio il turbomotore. Inoperatività delle prese statiche degli altimetri e delle prese in dinamica, utilizzate dagli indicatori di velocità e dai comandi di volo. Alterazione del funzionamento di sensori quali quello di angolo di attacco, di temperatura esterna, di pressioni di riferimento per l impianto carburante motori ecc. Interferenza sul flusso delle prese d aria APU e degli scambiatori del condizionamento. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 4

Bloccaggio dello scarico delle pinne di drenaggio acqua. Distorsione o impedimento della visibilità in cabina piloti. Appannamento e la presenza di acqua sui finestrini a visone diretta. A questo riguardo una serie di dispositivi quali tergicristalli, sistemi anti-appannamento, liquidi detergenti e liquidi idrorepellenti sono destinati a contrastare queste situazioni. Tutti i dispositivi predisposti per questa tipologia di fenomeni sono compresi, convenzionalmente, nell impianto antighiaccio velivolo. Tipologia, natura e modalità di intervento La necessità di prevenire o di rimuovere le formazioni ghiaccio è l obiettivo dell impianto antighiaccio ed il suo intervento può attuarsi secondo due logiche: Prevenzione della formazione di ghiaccio.. (Anti Icing) Rimozione del ghiaccio già formato.(de icing) L azione di contrasto viene effettuata mediante utilizzo di energia termica, ottenuta da: IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 5

Aria calda: in genere si tratta di aria prelevata dall impianto pneumatico Effetto joule: si utilizza l energia termica prodotta dalla circolazione di corrente elettrica in apposite resistenze localizzate nella zona interessata. Sistema meccanico: sulle ali e sui piani di coda verticali/orizzontali viene usato un sistema meccanico per rimuovere il ghiaccio. In questo caso il profilo del bordo di entrata dispone di un rivestimento di materiale elastico, incollato alla parte metallica della struttura, contenente al suo interno delle camere che in condizioni di riposo sono schiacciate. Quando, su comando del pilota, queste vengono messe in pressione con aria fornita da un dispositivo ad hoc, si modifica la forma esterna per deformazione, causando il distacco del ghiaccio. Tipologia di impianti antighiaccio Le soluzioni costruttive sono numerose e cambiano con il modello del velivolo e le tradizioni del fabbricante. Nel testo vengono usati e descritti schemi del velivolo MD80 e di qualche Wide Body, ma le medesime soluzioni possono essere ritrovate in altri velivoli. In termini generali gli impianti sono caratterizzati da: Dispositivi di comando gestiti dall equipaggio IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 6

Sorgenti di energia: aria calda o energia termica prodotta per effetto joule Rete e componenti di distribuzione Utenza finale Indicazioni di status in cabina piloti. I sistemi antighiaccio ad aria calda In questo tipo di impianto l aria calda viene prelevata dal pneumatico ed è utilizzata per: Bordi entrata alare Bordi entrata superfici stabilizzazione di coda Prese aria scambiatori condizionamento Prese aria motore Palettature fisse compressore motore Prese di pressione dinamica per Fuel Control Unit motore I sistemi antighiaccio per effetto joule Per questo tipo di impianto energia elettrica viene utilizzata per: Prese statiche e dinamiche utilizzate per il controllo della quota e della velocità velivolo. Rilevatori angolo di attacco Rilevatori temperatura esterna Pinne di drenaggio Antighiaccio parabrezza cabina piloti Sistema anti-appannamento cabina piloti IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 7

Impianto antighiaccio ad aria calda MD80 Di seguito si fornisce una sintetica descrizione dell impianto relativo al velivolo MD80, che permette allo studente di esercitarsi su schemi e denominazione dei componenti. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 8

In particolare: Il comando antighiaccio ali e coda viene dato in cabina piloti ed attiva il prelievo, mettendo in parallelo gli impianti pneumatici sinistro e destro. L informazione perviene alle Augmentation Valve, per garantire che l aria prelevata dai motori abbia la pressione, la temperatura e la portata corrette. La valvola regolatrice di pressione specifica del sistema antighiaccio (Ice Protection Pressure Regulation Valve) modula le caratteristiche dell aria per ali e coda velivolo. L aria calda viene prelevata a circa 45 psi e 230 C, nel tratto che collega i due pneumatici sinistro e destro, dopo aver aperto le valvole Cross-feed. Lo studente, con riferimento alla lezione sull impianto pneumatico, noterà che su questo tratto sono collegati anche il collegamento APU ed il collegamento a sorgenti esterne. La pressione dell aria prelevata viene controllata dalla valvola Ice Protection Pressure Regulation Valve, utile a proteggere il sistema, dal momento che il pneumatico è tarato per alimentare vari tipi di utenze e di carichi pneumatici. L informazione dell attivazione dell impianto antighiaccio ali e coda perviene alle Augmentation Valves dei due impianti IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 9

pneumatici, che comandano il prelevamento dal 13 stadio compressore motore. I condotti di mandata alle ali dispongono di una Wing Anti-ice Shut-off Valve, che viene azionata dal comando in cabina piloti. Lo stesso comando azione una Tail Anti-ice Shut-off Valve per i piani di coda. La necessità di contenere il carico sul pneumatico e di gestire la durata delle singole aperture è affidata ad un timer, che gestisce alternativamente le due valvole Tail De-icing Timer. Una valvola shut-off anti-ice alare ed una valvola shut off per lo stabilizzatore vengono gestite da un timer di sequenza. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 10

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La logica del sistema prevede anche che vengano verificate le condizioni di velivolo in volo altrimenti il comando viene interdetto. Le zone di attraversamento delle tubazioni antighiaccio vengono protette dalle alte temperature mediante sensori termici locali, per gestire i casi di rottura delle tubazioni stesse. Antighiaccio motore L impianto antighiaccio per motori turbogas viene realizzato mediante spillamenti di aria dal motore stesso; le zone interessate all antighiaccio sono in generale le seguenti: Presa aria motore (tutti i motori) Palettature fisse primo stadio compressore ed ogiva (non tutti i motori) Il prelevamento di aria avviene in due stadi diversi, quando sono necessarie temperature diverse ed il comando viene dato mediante interruttori posti in cabina piloti; apposite luci indicano che l impianto è stato azionato. Si allega uno schema di antighiaccio motore. * IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 13

Velivolo MD80 motore PW JT8 L aria calda viene prelevata dallo stadio n 8 per le palette fisse del primo stadio compressore ed una volta raggiunte tali palette cave mediante un collettore esterno, le percorre radialmente verso l interno per poi raggiungere e riscaldare anche l ogiva. In questa soluzione costruttiva sono installate due valvole di prelevamento (sinistra e destra) sempre per lo stesso stadio (si tratta solo di una scelta costruttiva). Altra aria calda viene prelevata invece dal 13 stadio ed inviata alla presa d aria motore, ove il flusso IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 14

viene fatto circolare grazie ad una serie di percorsi per poi scaricare all esterno. Riscaldamento finestrini L impianto ha due compiti: Prevenire la formazione di ghiaccio (windshield anti-ice) sui parabrezza visione diretta piloti Impedire l appannamento (Windshield Anti-fog) interno dei parabrezza per la visione diretta e laterale. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 15

L energia termica per queste azioni è ottenuta per effetto joule mediante la circolazione di energia elettrica attraverso strati trasparenti di ossido conduttore, depositati all interno della struttura dei parabrezza. Il comando viene dato mediante interruttori posti in cabina piloti; appositi dispositivi di protezione e timer gestiscono il riscaldamento. Richiamiamo alcune modalità costruttive dei finestrini : La struttura dei finestrini, per motivi di sicurezza, è formata da una serie di strati interni di vinile e esterni di cristallo Gli strati esterni della struttura multistrato sono di cristallo e l ossido viene depositato tra i cristalli La durezza del cristallo garantisce anche la qualità della visibilità, grazie alla resistenza all abrasione Lo strato di ossido trasparente e conduttore, riportato sulla superficie interna del cristallo, ha il compito di generare calore per effetto joule, quando percorso da energia elettrica Un sistema di sensori verifica la temperatura e consente la gestione tramite l unità di controllo Lo schema allegato mostra, nel caso anti-ice, il circuito completo, dai comandi fino alle resistenze di riscaldamento. In questo caso la gestione avviene attraverso un computer di controllo della temperatura. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 16

Lo schema allegato mostra anche il caso dell impianto anti-fog, destinato ad evitare il fenomeno dell appannamento interno dei finestrini a visione diretta. Questo impianto funziona in modo simile a quello antighiaccio esterno ed è gestito dall intervento di interruttori termici, tarati sul valore massimo consentito. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 17

Il sistema antighiaccio trasduttori Una serie di trasduttori esterni svolge funzioni rilevanti per la navigazione ed il funzionamento degli impianti stessi, come ad esempio: IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 19

Prese statiche pressione per altimetri e prese dinamiche per misura di velocità. Trasduttori angolo di attacco e rilevamento temperatura esterna. Prese in dinamica per limitazioni timone. La protezione avviene mediante calore prodotto dalla circolazione di energia elettrica attraverso resistenze predisposte nelle zone suddette. Impianto antighiaccio drenaggi L aeromobile è dotato di drenaggi per lo scarico esterno di acqua. La formazione di ghiaccio per basse temperature esterne bloccherebbe lo scarico sia in volo che a terra. Il riscaldamento viene generato da resistenze incorporate nel componente. L alimentazione è governata da unità di controllo, capaci di riconoscere anche le condizioni di terra e di volo. Impianto antipioggia La visibilità durante le fasi di decollo e di atterraggio può essere compromessa dalla pioggia o dalla neve. Per questo motivo i parabrezza a visione diretta comandante e copilota sono dotati di vari dispositivi per gestire il fenomeno nelle fasi di atterraggio e decollo. In particolare: Spazzole tergicristallo a più velocità, comandate da interruttori posti in cabina piloti. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 20

Fluido idrorepellente: l applicazione di questo fluido, unitamente alla sua distribuzione mediante le spazzole tergicristallo, migliora di molto la visibilità in caso di forti precipitazioni IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 21

Tale prodotto è caratterizzato da una buona aderenza al cristallo, mentre l acqua non aderisce sullo strato di repellente. L azione combinata di pioggia, di aria in dinamica e dei tergicristalli favorisce la distribuzione del liquido idrorepellente. Il prodotto può essere usato solo in volo ed in presenza di pioggia, in quanto l adesione al cristallo può dare luogo ad opacizzazioni difficili da rimuovere. La realizzazione dell impianto, come indicato negli schemi allegati, si basa su: Una o più bombole pressurizzate di cui una di riserva. Interruttori di comando. Timer e Valvola di selezione. Tubazioni e spruzzatori. Quando si comanda l invio del liquido il timer controlla la durata ed il liquido spruzzato è spalmato dall aria e dall azione del tergicristalli. IMPIANTO ANTIGHIACCIO 2007 22