Oblodzenie gaźnika – wpływ na bezpieczeństwo lotów

Oblodzenie gaźnika jest jedną z przyczyn tragicznych wypadków związanych z śmigłowcami wyposażonymi w silniki tłokowe i gaźniki pływakowe. Choć w nowocześniejszych silnikach często stosuje się układy paliwowe z wtryskiem (które zastępują gaźniki), to wciąż w wielu statkach powietrznych, szczególnie wykorzystywanych do szkolenia, takich jak np. R44 Raven I, R22, czy Cabri G2, gaźniki pozostają standardowym rozwiązaniem. Aby zminimalizować ryzyko częściowej bądź całkowitej utraty mocy, konieczne jest lepsze zrozumienie tego zjawiska, a co za tym idzie wypracowanie dobrych praktyk i nawyków, dzięki którym możliwe jest bezpieczne operowanie śmigłowcem w warunkach, gdzie ryzyko oblodzenia gaźnika jest wysokie. 

W samych Stanach Zjednoczonych w latach 2018-2023 oblodzenie gaźnika było powodem prawie 200 wypadków, z czego 19 było śmiertelnych. W Europie natomiast, trochę starsze statystyki, bo z lat 1998-2007 mówią o 212 wypadkach, z czego 13 stanowiło wypadki śmiertelne. Zidentyfikowane podczas analiz przyczyny wskazują, że do oblodzenia dochodzi przede wszystkim z powodu czynnika ludzkiego: braku świadomości pilotów co do istniejącego ryzyka, błędnego przekonania o tym, że oblodzenie występuje tylko w temperaturach poniżej zera, a także niewystarczającego przeszkolenia z zakresu rozpoznawania oraz zapobiegania oblodzeniu.

Jak dochodzi do oblodzenia

Jak to w ogóle możliwe, że przy temperaturze otoczenia wynoszącej nawet 30°C może dojść do takiego zjawiska jakim jest wytworzenie się powłoki lodowej na jakiejś części naszego silnika? Choć dane w literaturze się różnią, to najczęściej spotykamy się z informacją, że oblodzenie możliwe jest w zakresie temperatur od -6 do +32°C, natomiast największe prawdopodobieństwo w zakresie od -1 do +15°C, gdy wilgotność względna wynosi ponad 50%. W Instrukcji Użytkowania w Locie (IUL) śmigłowców Robinson producent podaje, że oblodzenie jest bardziej prawdopodobne, gdy temperatura otoczenia jest niższa niż 21°C oraz mamy widoczną wilgoć, czyli np. mgłę, deszcz czy śnieg. 

Gaźnik to dość specyficzna konstrukcja, w której z kilku powodów dochodzi do spadku temperatury. Po pierwsze, w gaźniku możemy zaobserwować znane nam zjawisko fizyczne jakim jest prawo Bernoulliego (im wyższa prędkość przepływu, tym niższe ciśnienie). W jednym z elementów konstrukcji gaźnika, powietrze przepływające przez wąską dyszę (zwaną zwężką Venturiego) przyspiesza i w rezultacie spada jego ciśnienie, a co za tym idzie spada również temperatura. Przy spadku ciśnienia powietrze się rozpręża, a cząsteczki oddalają od siebie, tracąc energię kinetyczną, co obserwujemy jako spadek temperatury. Po drugie, proces odparowywania paliwa w gaźniku przyczynia się do ochłodzenia przepływającego powietrza. Odparowywanie to proces, który pochłania energię (w tym energię cieplną). Cząsteczki cieczy muszą uzyskać jej wystarczającą ilość, by oderwać się od powierzchni i przejść w stan gazowy. W rezultacie temperatura może spaść aż o 20°C w stosunku do temperatury napływającego do gaźnika powietrza. Jeśli więc powietrze zawiera dużo wilgoci, istnieje ryzyko kondensacji (czyli przejścia pary wodnej w stan stały) i nagromadzenia się lodu głównie w okolicach tak zwanego zaworu motylkowego. Lód ten może doprowadzić w pierwszej kolejności do spadków mocy, a w przypadku braku odpowiedniej reakcji pilota nawet do całkowitego zatrzymania silnika. Typowymi objawami pojawiającego się oblodzenia jest nierówna praca silnika, spadek ciśnienia ładowania (MAP), a w konsekwencji także spadek obrotów silnika i wirnika. 

Ryzyko oblodzenia jest największe, gdy pilot operuje na zredukowanej mocy, czyli częściowo zamkniętej przepustnicy. Z uwagi jednak na fakt, że moc silników Robinson jest fabrycznie zredukowana, nawet na maksymalnej mocy startowej przepustnica nie jest całkowicie otwarta (dla bardziej zainteresowanych polecam artykuł Tima Tuckera pt. Unlocking the Mysteries of Robinson’s Derated Engines). Dlatego też należy utrzymywać odpowiednią temperaturę gaźnika (poza żółtym zakresem wskazanym na przyrządzie) nawet podczas startu. 

Poniżej znajduje się schemat gaźnika wraz ze wskazaniami miejsc, gdzie może wytworzyć się oblodzenie. Warto także zwrócić uwagę, że w R22 temperatura mierzona jest w innym miejscu niż w R44 Raven I (stąd też wynikają niewielkie różnice dotyczące stosowania podgrzewu gaźnika pomiędzy tymi modelami).

zródło: https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/2023-06/MSA-No-Ice.pdf

Prawdopodobieństwo wystąpienia oblodzenia gaźnika

Dla zobrazowania powagi sytuacji, warto przyjrzeć się sporządzonemu przez amerykański NTSB wykresowi prawdopodobieństwa wystąpienia oblodzenia gaźnika. Zakresy prawdopodobieństwa oznaczone są kolorami – od najjaśniejszego, gdzie ryzyko występuje, lecz jest niewielkie, do najciemniejszego, gdzie poważne oblodzenia może wystąpić przy każdym ustawieniu mocy. Na osi poziomej oznaczono temperaturę otoczenia (OAT), a na pionowej różnicę pomiędzy temperaturą otoczenia, a temperaturą punktu rosy (ang. dew point depression). Widzimy więc, że ryzyko wystąpienia oblodzenia występuje nawet wtedy, gdy temperatura otoczenia wynosi 35°C, a wilgotność względna zaledwie 20%. Warto więc raz na jakiś czas wykonać proste ćwiczenie intelektualne i przenieść aktualnie panujące warunki na taki wykres, by zbudować pewną intuicję związaną z zagrożeniem oblodzenia. 

Podobny wykres możemy znaleźć w podręczniku FAA (Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge). Wysokie prawdopodobieństwo oblodzenia występuje kiedy wilgotność względna jest wyższa niż 80%, a zakres temperatur wynosi od -7 do 21°C. 

Podgrzew gaźnika a osiągi i zapotrzebowanie na moc

Podgrzew gaźnika jest systemem, który ogrzewa powietrze wlatujące do gaźnika i w rezultacie ma zapobiec oblodzeniu. Należy go traktować jako środek zapobiegawczy i korzystać z niego, kiedy warunki sprzyjają potencjalnemu oblodzeniu. Niektóre śmigłowce wyposażone są w system wspomagający, który jest odwrotnie skorelowany z dźwignią skoku ogólnego – unosząc dźwignię do góry, podgrzew jest redukowany i na odwrót. Zaleca się, aby nawet w warunkach kiedy ryzyko oblodzenia jest niskie, nie blokować gałki podgrzewu, by mógł on swobodnie pracować razem z dźwignią. Należy jednak pamiętać, aby kontrolować temperaturę w gaźniku i w razie konieczności ręcznie zwiększyć podgrzew.  

Co istotne, włączony podgrzew gaźnika nie pozostaje bez znaczenia dla osiągów śmigłowca. Wpływ ciepła na moc obliczany jest za pomocą zasady, że na każde dodatkowe 4°C (od temperatury standardowej 15°C) występuje utrata mocy na poziomie 1%. Pełny podgrzew gaźnika, który wynosi około 40°C spowoduje więc utratę mocy o około 10%. Według IUL śmigłowców Robinson, włączony podgrzew wymaga dodatkowo około 1.5 in Hg ciśnienia ładowania (MAP). Jest to moc, którą możemy dodać do ograniczeń – zarówno do maksymalnej mocy ciągłej jak i mocy startowej (tabelka umieszczona w śmigłowcu, jak poniżej). Przykładowo, jeśli danego dnia na danej wysokości naszym ograniczeniem maksymalnej mocy ciągłej będzie 21.5 cala (0°C na wysokości 2000 ft), to z pełnym podgrzewem możemy wykorzystać 23 cale. 

Co istotne, moc silnika w śmigłowcach Robinson jest sztucznie zredukowana przez producenta (w celu zwiększenia maksymalnego pułapu oraz wydłużenia żywotności), dlatego też nawet start pomimo zastosowania maksymalnej mocy startowej nie odbywa się na całkowicie otwartej przepustnicy. W jednym z Safety Notice (SN-25), producent zwraca uwagę, że w szczególności, kiedy silnik jest jeszcze zimny, ryzyko oblodzenia jest wyższe. Dlatego też należy stosować podgrzew gaźnika nawet podczas startu, by utrzymać temperaturę w gaźniku (CAT) poza żółtym zakresem. 

Zapobieganie

Aby odpowiednio zapobiegać zagrożeniom związanym z oblodzeniem gaźnika, należy w pierwszej kolejności potrafić rozpoznać warunki, które temu zjawisku sprzyjają. Trzeba także oczywiście korzystać z podgrzewu gaźnika zgodnie z rekomendacją producenta. I w końcu, kiedy jednak pojawią się objawy oblodzenia – szybko je rozpoznać i odpowiednio zareagować. 

Podsumowując, co możesz zrobić, aby zminimalizować ryzyko oblodzenia gaźnika:

1. Monitoruj warunki atmosferyczne, które zwiększają ryzyko oblodzenia – temperaturę (OAT) oraz temperaturę punktu rosy – im te wartości są bliższe, tym wilgotność względna jest wyższa.
2. Używaj podgrzewu gaźnika (CARB HEAT) zgodnie z zaleceniami umieszczonymi w Instrukcji Użytkowania w Locie (np. producent zaleca użycie podgrzewu gaźnika w R22 podczas zniżania, jeśli MAP jest mniejszy niż 18 niezależnie od temperatury powietrza w gaźniku).
3. Stale monitoruj wskaźnik temperatury powietrza w gaźniku (CAT).
4. Zawsze sprawdzaj prawidłowe funkcjonowanie podgrzewu gaźnika jeszcze na ziemi.
5. Przy pierwszych oznakach oblodzenia, takich jak nierównomierna praca silnika, natychmiast włącz podgrzew gaźnika (niestety sytuacja może chwilowo się pogorszyć, ponieważ roztopiony lód w postaci wody trafi do silnika).
6. Zwróć szczególną uwagę na temperaturę gaźnika podczas podejścia do lądowania, ponieważ największe prawdopodobieństwo oblodzenia występuje, gdy silnik pracuje na zredukowanej mocy, a przepustnica jest częściowo zamknięta. 
7. Pamiętaj, że w śmigłowcach Robinson, regulator obrotów (governor) może zamaskować pojawiające się oblodzenie. Governor wyreguluje przepustnicę w taki sposób, by utrzymać stałe ciśnienie ładowania oraz obroty, więc oblodzenie nie będzie mogło zostać zidentyfikowane po tych parametrach. 
8. Jeśli masz wątpliwości, załóż, że panują warunki sprzyjające oblodzeniu (SN-25).

ŹRÓDŁA: 

• R44 POH
• R22 POH
• NTSB Safety Alert SA-029
• Safety & Defense 10(2) (2024) Carburetor Icing as a Source of Flight Safety Hazards
• EASA Carburetor Icing Prevention SIB 2010-03
• Tim Tucker – Unlocking the mysteries of Robinson’s derated engines
• FAA No Ice, thank you