การจับแข็ง (การบิน)

[thumb|upright=1.2|น้ำแข็งสะสมและถูกกำจัดออกบางส่วนบนปีกของเครื่องบิน[บีชคราฟท์ คิงแอร์]]

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
[thumb|หยดน้ำเย็นยิ่งยวดขนาดใหญ่ (SLD) ที่จับแข็งบนเครื่องบินวิจัย[เดอ ฮาิวลแลนด์ ดีเอชซี-6 ทวินออตเตอร์|ทวินออตเตอร์ของนาซา]]
* 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
[thumb|ส่วนที่ยื่นออกมาของน้ำแข็งบนใบพัดโรเตอร์ที่ได้จาก[อุโมงค์ลม ]]
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
thumb|การละลายน้ำแข็งบนเครื่องบิน ก่อนจะทำการบิน
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

[thumb|[กระเปาะละลายน้ำแข็งบนปีกของเครื่องบินแดช 8 สันนูนเกิดจากการเติมลมเข้าไปในกระเปาะเพื่อแยกและกำจัดน้ำแข็งที่เกาะอยู่]]
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

## 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