氷防護システム

航空学では、防氷システムは、翼、プロペラ、ローターブレード、エンジン吸気口、環境制御吸気口などの航空機の表面に大気中の水分が蓄積するのを防ぎます。^{[1]氷が蓄積すると、}翼や飛行制御面の形状が変化し、制御および操縦特性と性能が低下する可能性があります。防氷システム、除氷システム、または防氷システムは、氷の形成を防ぐか、氷が危険になる前に航空機が氷を除去できるようにします。

航空機の着氷により、重量と抗力が増加し、揚力が減少し、推力も減少します。氷は空気取り入れ口を塞ぐことでエンジン出力を低下させます。衝突時に凍結したり、流出物として凍結したりして氷が積もると、表面の形状と滑らかさが変わって表面の空気力学が変化し、抗力が増加し、翼の揚力またはプロペラの推力が低下します。翼型の形状の変化による翼の揚力の減少と、氷の荷重による重量の増加の両方により、通常は高度を維持するために失われた揚力を補うために、より大きな迎え角で飛行する必要があります。これにより燃料消費が増加し、速度がさらに低下して失速が発生しやすくなり、航空機が高度を失います。

ヘリコプターの回転翼や航空機のプロペラに氷が蓄積し、回転によって重量と空気力学の不均衡が増幅されます。

ジェットエンジンやターボプロップ機に搭載された防氷システムは、気流の問題を防ぎ、氷の吸い込みによるエンジン内部の重大な損傷のリスクを回避するのに役立ちます。これらの懸念は、氷が蓄積する傾向のある吸気経路に急カーブがあることが多いターボプロップ機で最も深刻です。^[2]

空気圧ブーツは通常、ゴムまたはその他のエラストマーの層で作られ、層の間には 1 つ以上の空気室があります。複数の空気室を使用する場合、それらは通常、ブーツの長手方向に沿った縞模様の形になります。これは通常、航空機の翼と安定装置の前縁に配置されます。空気室は、同時に、または特定の空気室のみのパターンで、急速に膨張および収縮します。ブーツの形状が急速に変化する理由は、氷とゴムの間の粘着力を破壊し、翼を流れる空気によって氷が運び去られるようにするためです。ただし、氷は表面の後部からきれいに剥がれ落ちなければならず、さもないと保護領域の後ろで再凍結する可能性があります。このような氷の再凍結は、アメリカンイーグル4184便の墜落の一因でした。

旧式の空気入りブーツは氷の橋渡しが起こりやすいと考えられていました。雪解け水は、ブーツが固まる前に、ブーツの膨張部分から押し出される可能性がありました。この問題は、膨張/収縮サイクルを高速化し、隣接するセルのタイミングを交互にすることで解決されました。^[4] 1990年代に実施されたテストとケーススタディでは、現代のブーツ設計では氷の橋渡しは大きな問題ではないことが実証されています。^[5]

空気圧ブーツは、スラットなどの前縁揚力装置のない低速および中速の航空機に適しているため、このシステムは、サーブ 340やエンブラエル EMB 120 ブラジリアなどの小型ターボプロップ機で最も一般的に使用されています。空気圧除氷ブーツは、他のタイプ、特に古い航空機に時々見られます。これらは現代のジェット機ではほとんど使用されていません。これは 1923 年にBF グッドリッチによって発明されました。

ウィーピングウィング^[6]、ランニングウェットシステム、または蒸発システムと呼ばれることもあるこれらのシステムは、氷の形成を防ぎ、航空機の重要な表面に蓄積した氷を分解するために、通常エチレングリコールまたはイソプロピルアルコールをベースにした除氷液を使用します。 ^[7] 1つまたは2つの電動ポンプが流体をプロポーショニングユニットに送り、そこで保護する領域間で流れを分割します。2つ目のポンプは冗長性のために使用され、特に既知の氷結条件での飛行が認定されている航空機では、風防用の追加の機械式ポンプとともに使用されます。流体は、翼の前縁、水平安定板、フェアリング、支柱、エンジン吸気口のパネルの穴、およびプロペラのスリンガーリングと風防スプレーから押し出されます。これらのパネルには、直径1 ⁄ 400インチ（0.064 mm）の穴がドリルで開けられており、1平方インチあたり800個の穴（120/cm ²）があります。このシステムはセルフクリーニング機能を備えており、液体が航空機を洗浄し、その後スリップストリームで吹き飛ばされる。^{[8] [9]このシステムは}テカレミット・キルフロスト・シープブリッジ・ストークス（TKS）によって開発され、第二次世界大戦中にイギリスで 最初に使用された。^[9]

流体システムの利点は、機械的な単純さと、小さな穴による気流の乱れが最小限であることであり、このため、このシステムは古いビジネスジェットで人気がありました。欠点は、空気圧ブーツよりもメンテナンスの必要性が高いこと、機内に不要な流体が重くのしかかる可能性があること、必要なときに流体が限られていること、そして流体の補充が予測できないため、途中の停止が複雑になることです。^[10]

ブリード エアシステムは、ジェット エンジンまたはターボプロップ エンジンを搭載したほとんどの大型航空機で使用されています。熱い空気は、1 つまたは複数のエンジンのコンプレッサー セクションから、翼、尾翼、およびエンジン吸気口を通るチューブに「ブリード」されます。使用済みの空気は、翼の下側の穴から排出されます。

これらのシステムの欠点は、十分な量のブリードエアを供給するとエンジン性能に悪影響を与える可能性があることです。巡航中や降下中、特に1つ以上のエンジンが故障している場合は、通常よりも高い出力設定が必要になることがよくあります。さらに重要なのは、ブリードエアの使用がエンジン温度制限に影響し、上昇中に出力設定を下げる必要がある場合が多く、エンジンが故障した場合には特に重大な結果を伴う上昇性能の大幅な低下を引き起こす可能性があることです。この後者の懸念により、ブリードエアシステムは小型タービン航空機では一般的ではありませんが、セスナサイテーションジェットなどの一部の小型航空機では正常に実装されています。^{[11] [12]}

電熱システムは、機体構造に埋め込まれた加熱コイル（低出力ストーブの要素に似ている）を使用して、電流が流されると熱を発生させます。熱は連続的に、または断続的に発生させることができます。^[13]

ボーイング787ドリームライナーは電熱式防氷装置を採用している。この場合、加熱コイルは複合翼構造内に埋め込まれている。ボーイング社は、このシステムはエンジン供給のブリードエアシステムの半分のエネルギーしか使用せず、抗力と騒音も低減すると主張している。^[14]

エッチングされた箔加熱コイルは、金属の航空機スキンの内側に接着することができ、埋め込み回路に比べて高い電力密度で動作するため、消費電力を抑えることができます。^[15]一般航空では、ThermaWingは翼の前縁に取り付けられた柔軟で導電性のグラファイト箔を使用しています。電気ヒーターが箔を加熱して氷を溶かします。

風防ガラスを温めるために、小さな電線やその他の導電性材料を風防ガラスに埋め込むことができます。パイロットは電気ヒーターをオンにして、風防ガラスの氷結を防ぐのに十分な熱を与えることができます。ただし、風防ガラスの電気ヒーターは、風防ガラスを過熱する可能性があるため、飛行中にのみ使用できます。また、コンパスの偏差が最大40°になることもあります。^[16]

1つの提案では、薄いフィラメント状に形成されたカーボンナノチューブを10ミクロンの厚さのフィルムに紡ぎました。このフィルムはナノチューブ間の隙間のため、電気伝導性は低いです。代わりに、電流によって温度が急上昇し、飛行中の除氷に好まれる加熱要素であるニクロムの2倍の速さで加熱されますが、重量は1万分の1で、エネルギーは半分です。747の翼を覆うのに十分な材料の重量は80グラム（2.8オンス）で、コストはニクロムの約1％です。低電力で継続的にオンにできるエアロゲルヒーターも提案されています。^[17]

電気機械式除氷システム（EMEDS）は、構造内部のアクチュエータによって発生する衝撃力を利用して、除氷すべき表面に衝撃波を発生させます。^{[18] [19]} また、EMEDSと加熱要素を組み合わせたハイブリッドシステムも開発されており、ヒーターが翼の前縁の氷の蓄積を防ぎ、EMEDシステムが翼の加熱部分の後方の蓄積を除去します。^[20]

パッシブシステムでは、疎氷性表面を採用しています。疎氷性は疎水性に類似しており、着氷に耐性のある材料特性を表します。この用語は明確に定義されていませんが、一般的には、氷と表面の接着力が低いこと、氷の形成を防ぐこと、過冷却液滴をはじく効果という3つの特性が含まれます。^{[21]疎氷性には特別な材料特性が必要ですが、}疎水性と同じではありません。^[22]

堆積を最小限に抑えるために、研究者は疎氷性材料を探しています。候補には、カーボンナノチューブや、氷になったときに水をはじく滑りやすい液体注入多孔質表面（SLIPS）などがあります。^[23]

• 大気の氷結
• 氷結条件
• 航空機の氷結事故および事件の一覧

• パイロットガイド：着氷状況での飛行（PDF）。連邦航空局（レポート）。2015年10月8日。AC 91-74B 。 2021年3月9日閲覧。
• Szurovy, Geza (1999)。セスナ・サイテーション・ジェット。ウィスコンシン州オセオラ：MBI Publishing Company。ISBN 0-7603-0785-7。

• Strehlow, R. と Moser, R. による電気熱防氷に関する SAE 論文