การจับแข็ง (การบิน)

ในทางการบิน การจับแข็ง () เป็นการก่อตัวของน้ำแข็งบนเครื่องบิน การจับแข็งส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงมากมายในประวัติศาสตร์การบิน การพอกและสะสมของน้ำแข็งสามารถส่งผลต่อพื้นผิวภายนอกของเครื่องบิน ซึ่งในกรณีนี้คือการจับแข็งบนโครงเครื่องบิน หรือเครื่องยนต์ ส่งผลให้เกิดน้ำแข็งจับที่คาร์บูเรเตอร์ น้ำแข็งที่ช่องอากาศเข้า และโดยทั่วไปคือการจับแข็งที่เครื่องยนต์ ปรากฏการณ์เหล่านี้อาจเกิดขึ้นแยกกันหรือเกิดพร้อมกัน

ไม่ใช่เครื่องบินทุกลำ โดยเฉพาะไม่ใช่เครื่องบินทั่วไป ที่จะได้รับการรับรองว่าสามารถบินเข้าสู่บริเวณที่มีการจับแข็ง (flight into known icing, FIKI) ซึ่งหมายถึงการบินเข้าไปในพื้นที่ที่ทำให้เกิดการจับแข็งหรือมีแนวโน้มว่าจะมีน้ำแข็งเกาะ โดยอ้างอิงจากรายงานของนักบิน การสังเกตการณ์ และการคาดการณ์ เพื่อให้ได้รับการรับรอง FIKI เครื่องบินจะต้องติดตั้งระบบป้องกันน้ำแข็งที่เหมาะสมเพื่อป้องกันอุบัติเหตุจากการจับแข็ง

 นิยาม 
สภาวะการจับแข็งจะเกิดขึ้นเมื่ออากาศมีหยดน้ำที่เย็นจัดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง หยดน้ำเหล่านี้จะแข็งตัวเมื่อสัมผัสกับจุดที่อาจเกิดนิวเคลียสผลึกได้ ซึ่งในกรณีนี้คือส่วนต่าง ๆ ของเครื่องบินทำให้เกิดการจับแข็ง สภาวะการจับแข็งจะถูกกำหนดปริมาณโดยขนาดของหยดน้ำโดยเฉลี่ย ปริมาณน้ำที่เป็นของเหลว และอุณหภูมิของอากาศ ตัวแปรเหล่านี้ส่งผลต่อขอบเขต ประเภท และความเร็วที่กำหนดลักษณะการก่อตัวของน้ำแข็งบนเครื่องบิน กฎระเบียบการบินของสำนักงานบริหารการบินแห่งชาติของสหรัฐมีคำจำกัดความของสภาวะการจับแข็ง ที่เครื่องบินบางลำได้รับการรับรองให้บินผ่าน คือสภาวะที่เรียกว่า SLD (supercooled large droplet) หรือสภาวะหยดน้ำขนาดใหญ่ที่เย็นจัดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง เป็นสภาวะที่เกินกว่าข้อกำหนดและเป็นอันตรายเฉพาะต่อเครื่องบิน ซึ่งเครื่องบินทุกลำต้องพยายามหลีกเลี่ยง

ในเชิงคุณภาพ รายงานของนักบินระบุถึงสภาวะการจับแข็งที่ส่งผลต่อเครื่องบินโดยพิจารณาจากความสามารถที่มีอยู่เดิมของเครื่องบิน เครื่องบินแต่ละลำอาจรายงานสภาวะเชิงปริมาณเดียวกันได้แม้ว่าจะมีการจับแข็งในระดับที่แตกต่างกัน เครื่องตรวจจับน้ำแข็งมักใช้เพื่อระบุถึงการมีอยู่ของสภาวะการจับแข็ง

 ชนิดของโครงสร้างน้ำแข็ง 
 น้ำแข็งใส (clear ice) มักจะใสและเรียบเนียน หยดน้ำเย็นยิ่งยวดหรือฝนเยือกแข็งจะตกลงมาบนผิวเครื่องบินแต่ไม่แข็งตัวทันที มักเกิด "ยอดแหลม" หรือส่วนที่ยื่นออกมาและยื่นขวางการไหลของอากาศ ซึ่งที่สุดจะทำให้พื้นผิวเรียบขึ้น น้ำแข็งรูปแบบนี้เรียกอีกอย่างว่าน้ำแข็งเคลือบ (glaze)
 น้ำแข็งแบบไรม (rime ice) เป็นน้ำแข็งที่หยาบและทึบแสง เกิดจากหยดน้ำเย็นยิ่งยวดที่แข็งตัวอย่างรวดเร็วเมื่อกระทบพื้นผิว น้ำแข็งส่วนใหญ่เกาะตามจุดหยุดนิ่ง (stagnation point) ของแพนอากาศ โดยทั่วไปจะมีลักษณะตามรูปร่างของโครงสร้างพื้นผิวอากาศพลศาสตร์
 น้ำแข็งผสม (mixed ice) คือการรวมกันของน้ำแข็งใสและน้ำแข็งแบบไรมซึ่งมีคุณสมบัติของน้ำแข็งทั้งสองแบบ
 น้ำแข็งแบบน้ำค้างแข็ง (frost ice) เกิดจากน้ำแข็งเกาะบนพื้นผิวที่ไม่ได้รับการปกป้องในขณะที่เครื่องบินจอดนิ่งก่อนที่จะเริ่มต้นเที่ยวบิน ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้เมื่อพยายามทำการบิน เนื่องจากน้ำแข็งจะไปขัดขวางการไหลของอากาศในชั้นขอบเขตการไหลของปีก ทำให้เกิดการหยุดนิ่งของอากาศก่อนเวลาอันควร และในบางกรณีแรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้การบินขึ้นนั้นอันตรายหรือเป็นไปไม่ได้ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดอุบัติเหตุอย่างรวดเร็ว
 น้ำแข็งแบบ SLD หมายถึงน้ำแข็งที่ก่อตัวขึ้นจากหยดน้ำขนาดใหญ่ในสภาวะเย็นยิ่งยวด (supercooled large droplet, SLD) น้ำแข็งชนิดนี้คล้ายกับน้ำแข็งใส แต่เนื่องจากหยดน้ำมีขนาดใหญ่ จึงขยายออกไปยังส่วนต่าง ๆ ของเครื่องบินที่ไม่ได้รับการปกป้อง และก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่มีรูปร่างใหญ่ขึ้น ซึ่งเร็วกว่าสภาวะการจับแข็งปกติ โดยเครื่องบินเกือบทั้งหมดไม่มีการปกป้องอย่างเพียงพอจากน้ำแข็งประเภทนี้ ซึ่งเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เที่ยวบิน 4184 ของสายการบินอเมริกันอีเกิลตก

 ผลกระทบ 
เมื่อปนเปื้อนด้วยน้ำแข็งโดยปกติแล้วปีกจะสูญเสียแรงยกเมื่อมุมปะทะต่ำกว่าและที่ความเร็วของอากาศสูงขึ้น แม้แต่น้ำแข็งจำนวนเล็กน้อยก็ส่งผลกระทบได้ และหากน้ำแข็งมีเนื้อหยาบ ก็อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงได้เช่นกัน ดังนั้นควรเพิ่มความเร็วในการทำการบินหากมีน้ำแข็งเกาะอยู่บนปีก การเพิ่มขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับทั้งประเภทของเครื่องบินและปริมาณน้ำแข็ง คุณลักษณะการสูญเสียแรงยกของเครื่องบินที่ปีกปนเปื้อนด้วยน้ำแข็งจะลดลง และมักพบปัญหาการควบคุมการหมุนอย่างรุนแรง การเพิ่มของน้ำแข็งอาจไม่สมมาตรระหว่างปีกทั้งสองข้างซึ่งต้องมีการปรับเทียบ นอกจากนี้ส่วนนอกของปีกซึ่งโดยปกติจะบางกว่าจึงสะสมน้ำแข็งได้มากกว่า ทำให้อาจเป็นส่วนที่สูญเสียแรงยกก่อน

 ผลกระทบต่ออากาศยานไร้คนขับ 
อากาศยานไร้คนขับเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่มีการใช้งานในเชิงพาณิชย์และการทหารมากมาย การจับแข็งเกิดขึ้นระหว่างทำการบินเข้าในเมฆเย็นยิ่งยวดหรือในระหว่างหยาดน้ำฟ้าที่เป็นน้ำแข็ง ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อเครื่องบินทุกประเภท การจับแข็งบนเครื่องบินไร้คนขับสร้างข้อจำกัดที่สำคัญต่อขอบเขตการปฏิบัติการ 

อากาศยานไร้คนขับมีความอ่อนไหวและไวต่อการจับแข็งมากกว่าเครื่องบินที่มีนักบินควบคุม ความแตกต่างหลักระหว่างเครื่องบินไร้คนขับและเครื่องบินที่มีคนขับเมื่อเกิดการจับแข็งมีดังนี้:

 ขนาดและน้ำหนัก: เครื่องบินขนาดเล็กจะสะสมน้ำแข็งได้เร็วกว่าและมีน้ำแข็งต่อหน่วยพื้นที่มากกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องบินขนาดใหญ่ โดยทั่วไปแล้ว UAV จะมีขนาดเล็กกว่าเครื่องบินที่มีคนขับ ดังนั้นจึงไวต่อน้ำแข็งมากกว่า นอกจากนี้มวลที่เพิ่มขึ้นจากน้ำแข็งเกาะอาจส่งผลเสียได้อย่างรวดเร็วต่อ UAV ที่มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักที่เข้มงวด
 ความเร็วการบิน: ความเร็วของอากาศที่สูงจะทำให้เกิดความร้อนที่ปีกหรือใบพัดของเครื่องบิน ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการจับแข็งได้ในระดับหนึ่ง โดรนบินด้วยความเร็วต่ำกว่าเครื่องบินที่มีคนขับและจะไม่ได้รับประโยชน์จากผลกระทบจากความร้อน ดังนั้นน้ำแข็งบนโดรนจึงอาจเกิดขึ้นได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าบนเครื่องบินที่มีคนขับ
 การไหลแบบแลมินาร์: ค่าเรย์โนลด์สำหรับ UAV นั้นต่ำกว่าค่าเรย์โนลด์สำหรับเครื่องบินที่มีคนขับประมาณหนึ่งลำดับขนาด ส่งผลให้ UAV ปฏิบัติการในระบบการไหลที่ผลกระทบจากการไหลแบบแลมินาร์มีมากกว่าผลกระทบจากการไหลแบบปั่นป่วน เนื่องจากการไหลแบบแลมินาร์ถูกรบกวนได้ง่ายกว่าการไหลแบบปั่นป่วน ผลกระทบเชิงลบของการจับแข็งจึงมีมากกว่า
 ประเภท: UAV แบบปีกหมุนมักจะไวต่อการเกิดน้ำแข็งมากกว่า UAV แบบปีกตรึง
ส่วนต่าง ๆ ของ UAV ที่สัมผัสกับน้ำแข็งมากที่สุด ได้แก่ เซ็นเซอร์ความเร็วอากาศ ขอบด้านหน้าของพื้นผิวอากาศพลศาสตร์ โรเตอร์ และใบพัด

การเกิดการจับแข็งบน UAV เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นทั่วโลก และการจับแข็งที่ระดับความสูงปฏิบัติการสามารถเกิดขึ้นได้ตลอดทั้งปีทั่วโลก อย่างไรก็ตามความเสี่ยงจากการเกิดการจับแข็งนั้นมีมากเป็นพิเศษในบริเวณกึ่งอาร์กติก อาร์กติก และแอนตาร์กติกา ตัวอย่างเช่น ในพื้นที่ส่วนใหญ่ของกลุ่มประเทศนอร์ดิก การจับแข็งเกิดขึ้นร้อยละ 35 ถึงมากกว่าร้อยละ 80 ในช่วงเวลาตั้งแต่เดือนกันยายนถึงพฤษภาคม

 การป้องกันและกำจัด 
มีหลายวิธีที่จะช่วยลดอันตรายจากการจับแข็ง วิธีแรกและง่ายที่สุดคือการหลีกเลี่ยงการจับแข็งโดยสิ้นเชิง แต่สำหรับเที่ยวบินส่วนใหญ่ วิธีนี้อาจไม่สะดวก

 การป้องกันก่อนทำการบิน 
หากพบน้ำแข็ง (หรือสิ่งปนเปื้อนอื่น ๆ) บนเครื่องบินก่อนขึ้นบิน จะต้องกำจัดออกจากพื้นผิวสำคัญ การกำจัดสามารถทำได้หลายรูปแบบ:

 วิธีการทางกล เช่น การใช้ไม้กวาดหรือแปรงเพื่อกำจัดหิมะ
 การใช้สารละลายน้ำแข็งหรือใช้น้ำร้อนเพื่อกำจัดน้ำแข็ง หิมะ ฯลฯ
 การใช้ความร้อนจากอินฟราเรดเพื่อละลายและกำจัดสิ่งปนเปื้อน
 การนำเครื่องบินไปไว้ในโรงเก็บเครื่องบินที่มีเครื่องทำความร้อนจนกว่าหิมะและน้ำแข็งจะละลายหมด
 การจอดเครื่องบินให้หันไปทางดวงอาทิตย์เพื่อเพิ่มความร้อนให้กับพื้นผิวที่ปกคลุมด้วยหิมะและน้ำแข็งให้มากที่สุด ในทางปฏิบัติวิธีนี้จะจำกัดอยู่เพียงการขจัดสิ่งปนเปื้อนบาง ๆ โดยขึ้นอยู่กับเวลาและสภาพอากาศ

วิธีการเหล่านี้ทั้งหมดสามารถขจัดสิ่งปนเปื้อนที่มีอยู่ได้ แต่ไม่สามารถป้องกันได้จริงในสภาวะที่มีการจับแข็ง หากมีน้ำแข็งเกาะหรือคาดว่าจะเกิดขึ้นก่อนเครื่องขึ้นบิน ให้ใช้สารต้านการแข็งตัวของน้ำ สารนี้จะมีความหนากว่าสารละลายน้ำแข็งและทนต่อผลกระทบของหิมะและฝนได้ระยะหนึ่ง สารเหล่านี้มีจุดประสงค์เพื่อขจัดปัญหาของเครื่องบินระหว่างนำเครื่องขึ้นบินแต่ไม่สามารถป้องกันได้ระหว่างการบิน

 ระบบป้องกันระหว่างทำการบิน 

เพื่อป้องกันเครื่องบินจากการจับแข็งระหว่างบิน มีการใช้สารต้านการแข็งตัวของน้ำหรือสารละลายน้ำแข็งหลายรูปแบบ:

 แนวทางทั่วไปคือการส่งอากาศที่ออกมาจากเครื่องยนต์ (bleed air) เข้าไปในท่อตามขอบด้านหน้าของปีกและแพนหาง อากาศจะทำให้ขอบด้านหน้าของพื้นผิวร้อนขึ้น ซึ่งจะทำให้น้ำแข็งละลายหรือระเหยเมื่อสัมผัสกัน ในเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์กังหันแก๊ส อากาศจะถูกดูดออกจากส่วนคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์ หากเครื่องบินขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ลูกสูบแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ อากาศที่ออกมาจากเครื่องยนต์จะถูกดูดออกจากเทอร์โบชาร์จเจอร์
 เครื่องบินบางลำติดตั้งกระเปาะละลายน้ำแข็งแบบลมอัดเพื่อกระจายน้ำแข็งที่เกาะอยู่บนพื้นผิว ระบบดังกล่าวใช้ลมที่ระบายออกจากเครื่องยนต์น้อยกว่า แต่โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าพื้นผิวที่อุ่นด้วยความร้อน
 เครื่องบินบางรุ่นใช้ระบบ weeping wing ซึ่งมีรูเล็ก ๆ หลายร้อยรูที่ขอบด้านหน้าปีกซึ่งจะปล่อยของเหลวป้องกันน้ำแข็งเมื่อต้องการ เพื่อป้องกันการสะสมของน้ำแข็ง
 การให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าถูกใช้เพื่อป้องกันเครื่องบินและส่วนประกอบต่าง ๆ (รวมถึงใบพัด) ไม่ให้เกิดการจับแข็ง การให้ความร้อนอาจทำต่อเนื่อง (โดยปกติจะใช้กับส่วนประกอบขนาดเล็กที่สำคัญ เช่น เซ็นเซอร์วัดความดันและการไหลของอากาศ (pitot static sensor) และเซ็นเซอร์วัดมุมปะทะ (angle of attack vane)&hairsp;) หรือให้ความร้อนเป็นระยะ ๆ ซึ่งจะให้ผลคล้ายกับการใช้กระเปาะละลายน้ำแข็ง

โดยปกติจะทำการปกป้องเฉพาะพื้นผิวและส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องบินเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขอบด้านหน้าของปีก

ระบบทำความร้อนคาร์บูเรเตอร์จะถูกใช้กับเครื่องยนต์แบบคาร์บูเรเตอร์เพื่อป้องกันและขจัดการจับแข็ง เครื่องยนต์ที่ใช้ระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงมีปัญหาน้อยกว่า แต่ยังสามารถเกิดการอุดตันของช่องรับอากาศเข้า ในเครื่องยนต์เหล่านี้มักจะมีแหล่งอากาศสำรองให้ใช้

การละลายน้ำแข็งและการป้องกันน้ำแข็งมีความแตกต่างกัน การละลายน้ำแข็งหมายถึงการกำจัดน้ำแข็งออกจากโครงสร้างเครื่องบิน ส่วนการป้องกันน้ำแข็งหมายถึงการต้านการแข็งตัวของน้ำที่สะสมบนโครงสร้างอากาศยาน

 อุบัติเหตุและเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้อง 
วันที่อุบัติการณ์15 ตุลาคม ค.ศ. 1943อเมริกันแอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 63 (แฟลกชิฟ มิสซูรี)21 พฤศจิกายน ค.ศ. 1973ซี-117ดี ของกองทัพเรือสหรัฐตกที่โซลเฮมาซานดือร์1 ธันวาคม ค.ศ. 1974นอร์ทเวสต์โอเรียนต์แอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 623113 มกราคม ค.ศ. 1982แอร์ฟลอริดา เที่ยวบินที่ 9012 ธันวาคม ค.ศ. 1985แอร์โรว์แอร์ เที่ยวบินที่ 1285อาร์15 พฤศจิกายน ค.ศ. 1987คอนติเนนตัลแอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 171310 มีนาคม ค.ศ. 1989แอร์ออนแทรีโอ เที่ยวบินที่ 136326 ธันวาคม ค.ศ. 1989ยูไนเต็ดเอกซ์เพรส เที่ยวบินที่ 241517 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1991ไรอันอินเตอร์แนชนัลแอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 59027 ธันวาคม ค.ศ. 1991สแกนดิเนเวียนแอร์ไลน์ซิสเต็ม เที่ยวบินที่ 75122 มีนาคม ค.ศ. 1992ยูเอสแอร์ เที่ยวบินที่ 4051 เมษายน ค.ศ. 1993เหตุเครื่องบินของแอลัน กุลวิคกีตก31 ตุลาคม ค.ศ. 1994อเมริกันอีเกิล เที่ยวบินที่ 41849 มกราคม ค.ศ. 1997คอมแอร์ เที่ยวบินที่ 327227 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2001โลแกนแอร์ เที่ยวบินที่ 67021 ธันวาคม ค.ศ. 2002ทรานส์เอเชียแอร์เวย์ เที่ยวบินที่ 79121 พฤศจิกายน ค.ศ. 2004ไชนาอีสเทิร์นแอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 521016 สิงหาคม ค.ศ. 2005เวสต์แคริบเบียนแอร์เวย์ เที่ยวบินที่ 70812 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2009คอลแกนแอร์ เที่ยวบินที่ 34071 มิถุนายน ค.ศ. 2009แอร์ฟรานซ์ เที่ยวบินที่ 4474 พฤศจิกายน ค.ศ. 2010แอโรแคริบเบียน เที่ยวบินที่ 8839 มกราคม ค.ศ. 2011อิหร่านแอร์ เที่ยวบินที่ 27718 พฤษภาคม ค.ศ. 2011โซลลีเนียไซเรียส เที่ยวบินที่ 542824 กรกฎาคม ค.ศ. 2014แอร์อาลเฌรี เที่ยวบินที่ 501711 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2018ซาราตอฟแอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ 703

 อ้างอิง 

 แหล่งข้อมูลอื่น 

 Aircraft Icing. นาซา.
 14 CFR 25 Appendix C – Atmospheric Icing Conditions for Aircraft Certification. Electronic Code of Federal Regulations.

หมวดหมู่:สภาพอากาศที่เป็นอันตรายต่ออากาศยาน
หมวดหมู่:น้ำแข็งในการขนส่ง
หมวดหมู่:น้ำค้างแข็งและน้ำแข็งไรม