Vereisung

 

 

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Hier erfahren Sie etwas über

 

Flugzeugvereisung

Eisansatz an der Flügelnase

Eis am Flugzeug ist keine Frage der Jahreszeit, sondern des Wetters!

Für große Passagierflugzeuge und moderne, größere Flugzeuge der Allgemeinen Luftfahrt hat die Vereisung heute weitgehend ihre Schrecken verloren. Effektive Enteisungsanlagen sorgen hier für eisfreie Tragflächen. Zudem führen die mit diesen Luftfahrzeugen möglichen hohen Fluggeschwindigkeiten zur aerodynamischen Erwärmung und lassen so erst gar keinen Eisansatz zu. Für alle anderen Flugzeuge - ohne Enteisungsanlage - besteht jedoch nach wie vor höchste Gefahr, wenn sich Eis an Tragflächen, Leitwerk oder Propeller bildet.

Eisbildung kann das Flugverhalten eines Flugzeugs, insbesondere die Aerodynamik durch stark verminderten Auftrieb zusammen mit einem erhöhten Gewicht durch die Eislast, aber auch die Funktionsfahigkeit einzelner Komponenten, z. B. des Triebwerks oder der Anzeigeinstrumente, erheblich beeinflussen und beeinträchtigen bis zum totale Ausfall bzw. zur Flugunfähigkeit. Das Thema Flugzeugvereisung wird deshalb im Lehrprogramm der Pilotenausbilung eingehend im Abschnitt "Verhalten in besonderen Fällen" behandelt. Auch in den Fachpublikationen wird darüber so viel und häufig berichtet, daß die Ausführungen an dieser Stelle auf einige grundlegende Informationen beschränkt werden können.

Aircraft Icing, herausgegeben von der AOPA, ist eine detaillierte Darstellung des Themas in Wort und Bild über

  • Vereisungsgefahren,
  • die verschiedenen Eistypen,
  • deren Auswirkungen auf das Flugverhalten (Strömungsabriß) und die sonstige Bordtechnik,
  • die Vergaservereisung,
  • die Vereisungsrisiken in verschiedenen Luftschichten, Wolkentypen, Niederschlagsarten und Temperaturen sowie besonders stark gefährdete Vereisungsgebiete,
  • die Gefahrenvermeidung bereits bei der Flugplanung,
  • das richtige Fliegen bei Vereisungsgefahr,
    • das rechtzeitige Erkennen von Vereisung und
    • das richtige Handeln bei Vereisung
  • sowie Enteisungs- und Anti-Eis-Ausrüstung.

Hier gibt es diese Abhandlung "Aircraft Icing" der AOPA in englisch, hier einen entsprechenden Beitrag der AOPA in deutsch (Teil1, Teil 2).

 

Vereisungsbedingungen

Vereisung kann im Temperaturbereich 0 °C bis -40 °C auftreten. Bei der Eisbildung unterscheidet man:

  • Vereisung im Flug
    • Anfrieren unterkühlter flüssiger Wolkentröpfchen nach dem Auftreffen auf dem kalten Flugzeug beim Flug durch Wolken
    • Anfrieren von größeren Wassertropfen am kalten Flugzeug beim Flug durch Niederschlag (Nebel, Regen, Niesel)
    • Anfrieren von festen Partikeln wie Schneeflocken oder Eiskristallen am Flugzeug beim Flug durch Niederschlag
    • Reifbildung auf der kalten Flugzeugoberfläche beim Einflug in wärmere, feuchte Luftschichten durch Resublimalion
    • Eisbildung bei adiabatischer Expansion feuchter Luft im Vergaser von Kolbenmotoren beim Flug durch feuchte Luftmassen
  • Vereisung am Boden
    • Reifbildung z.B. über Nacht auf der Flugzeugoberfläche und an Propellern
    • Eisansatz am Flugzeug durch frostigen Niederschlag.

 

Entstehung der Vereisung

Zum Verständnis der Niederschlagsbildung wird vorweg auf die Ausführungen im Kapitel Niederschlag und insbesondere  Regen mit den Abschnitten gefrierender Regen sowie unterkühlter Regen (Eisregen) verwiesen. Auch das Kapitel Warmfront enthält zum Thema entsprechende Informationen.

Unterkühlte Wassertropfen

Vereisungsgefahr bei aufgleitender Warmfront

 

Animation gefrierender Regen

Wasser geht bei Temperaluren unter 0 °C in Eis über. Frei in der Luft schwebende Wassertropfen gefrieren aber nicht sofort bei Unterschreiten des Gefrierpunkts, sondern bleiben u.U. bis zu sehr tiefen Temperaturen im flüssigen Aggregatzustand. Erst wenn sie z.B. erschüttert werden, wie es beim Aufprall auf das Luftfahrzeug der Fall ist, findet der Phasenübergang statt. Die unterkühlten Wassertropfen gehen dann schlagartig in den Eiszustand über und frieren an der Flugzeugoberfläche fest. Das Luftfahrzeug vereist.

Unterkühlte Wassertröpfchen und -tropfen unterscheiden sich durch ihre Größe. Bei ersteren handelt es sich um Wolkentröpfchen oder feinsten Niesel, während zweitere größeren Niesel bis zu Regentropfen bezeichnet. Beide weisen Temperaturen unter 0 °C auf, befinden sich aber noch im flüssigen Aggregatszustand. Im Temperaturbereich von 0 °C bis -20 °C können sowohl große Tropfen als auch kleinere Tröpfchen vorkommen. Im Temperaturbereich von -20 °C bis -40 °C gibt es nur noch kleinere Tröpfchen, da die größeren Tropfen bereits zu Eis geworden sind. Unterhalb von -40 °C gibt es auch keine unterkühlten Tröpfchen mehr, da dann auch sie sich weitgehend in Eis verwandelt haben.

Temperaturverlauf bei Eisregen

Das Gefrieren unterkühlter Wassertropfen tritt somit einmal beim Flug durch unterkühlte Wolken auf, wenn diese als Wolkentröpfchen, als Nieseltropfen oder als Regentropfen auf der Flugzeugoberfläche auftreffen und anschließend gefrieren. Die zweite Möglichkeit besteht dann, wenn das Flugzeug zwar in wärmerer Luft fliegt, in die aber aus höheren und kalten Luftschichten unterkühlter Regen fällt. Die dritte und wohl häufigste Variante ergibt sich, wenn das Flugzeug in einer kalten Luftschicht fliegt und daher selbst kalt ist, in die aus einer wärmeren Luftschicht Regen fällt. Typischerweise kann das im Winter bei Warmfrontdurchgängen geschehen, wenn aus einer aufgleitenden Warmfront Regen in die darunter liegende Kaltluft mit Temperaturen unter 0 °C fällt. Die Regentropfen werden unterkühlt, es entsteht gefrierender Regen, der beim Auftreffen sofort Klareis bildet, welches in kürzester Zeit das ganze Flugzeug überziehen kann. Je länger sich das Flugzeug in diesen Bedingungen aufhält, desto dicker wird der Eisansatz. Dabei entsteht in Abhängigkeit von der Größe der Tropfen auf der Oberfläche des Flugzeugs Klareis oder Raueis. Dies zeigt erneut, daß der Flug auf eine Warmfront zu regelmäßig von Übel ist.

 

Eisarten

Klareis

Raueis

Mischeis

Klareis entsteht aus großen unterkühlten Tropfen. Da beim Gefrieren kurzfristig Wärme freigesetzt wird, kann das unterkühlte Wasser nach dem Auftreffen zunächst noch ein Stück auf der Flugzeugoberfläche entlang fließen bevor es gefriert. Zwischen 0 °C und -10 °C bildet sich so eine klare, durchsichtige, glatte und feste Eisschicht. Dieses kompakte Klareis ist schwer, haftet gut und läßt sich deshalb nur schwer entfernen.

Man unterscheidet je nach Schwere der Klarvereisung „leichte Vereisung“ (light clear ice), „mäßige Vereisung“ (moderate clear ice) und „starke Vereisung“ (severe clear ice). Für das Auftreten von Vereisung gibt es in speziellen Luftfahrtkarten eigene Symbole.

Raueisentsteht aus kleinen unterkühlten Wassertröpfchen. Es bildet sich typischerweise bei einer Lufttemperatur von −2 bis −10 °C. Nach dem Auftreffen gefrieren diese unmittelbar noch bevor sich der flüssige Rest über die Oberfläche verteilen kann. Zwischen den erstarrten Tröpfchen wird Luft eingelagert, was dem Eis ein weißes Aussehen verleiht.

Es ist leichter als Klareis und hat eine rauhe, unregelmäßige Oberfläche. Raueis ist spröde und läßt sich leichter als Klareis entfernen. Anders als Klareis, welches eher nach hinten auf den Tragflächen „wächst“, entsteht Raueis gegen die Anströmrichtung an den Vorderkanten des Flugzeugs, z.B. an der Flügelnase (siehe Abbildung ganz oben).

Mischeis entsteht sowohl aus größeren als auch kleinen unterkühlten Wassertröpfchen. Es ist also ein Gemisch aus Rau- wie auch Klareisansatz. Das geschieht zwischen -10 °C und -15 °C. Dies ist besonders bei Steig- und Sinkflug der Fall. Wie Raueis bildet es sich an den Vorderkanten des Flugzeugs. Die Raueispartikel sind in Klareis eingebettet und bilden eine harte und grobkantige Masse. Dieses Mischeis haftet sehr stark und läßt sich nur schwer entfernen.

Raureif entsteht als weißer, kristalliner, federartiger Eisbelag durch Resublimation des Wasserdampfes auf der Außenhaut von Luftfahrzeugen, wenn deren Temperatur unter dem Reifpunkt (Frostpoint) der Luft liegt. Das ist häufig der Fall, wenn im Winter ein Flugzeug über Nacht außerhalb einer schützenden Halle, z. B. auf dem Vorfeld, abgestellt worden ist. Dann setzt sich der Wasserdampf der Luft durch Resublimation an der kalten Oberfläche des Luftfahrzeugs in Form von Eiskristallen fest. Dieser Raureif ist vor Flugantritt sorgfältig zu beseitigen, da er insbesondere die laminare Strömung über den Tragflächen erheblich beeinträchtigen kann. Gerade beim Start kann das fatale Folgen haben. Eine geringe Bildung von Raureif auf den Tragflächen kann sich durch denselben physikalischen Prozeß auch beim raschen Verlassen großer Höhen und Absinken in eine feuchte Luftmasse eintreten.
Weitere Einzelheten zur Reifbildung stehen im Kapitel Reif.

Für gewöhnlich entsteht Raueis in stratiformer Bewölkung oder harmlosen Cumuluswolken (St, As, Sc, Ac). Dagegen kann sich beim Durchqueren konvektiver Wolken (Cu, Cb) und des Nimbostratus (Ns) meist im Bereich von 0 °C bis -20 °C sowohl Raueis als auch Klareis am Flugzeug bilden.

 

Vereisungsarten

Es können grob folgende Vereisungsarten unterschieden werden:

  • Zellenvereisung,
  • Triebwerkvereisung,
  • Instrumentenvereisung.

Bei der Zellenvereisung unterscheidet man

  • Klareis (clear ice)
  • Raueis (rime ice)
  • Mischeis (mixed ice).

Zu den Eisarten wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Bei der Triebwerkvereisung soll hier nur kurz auf die Vereisung des Vergasers von Kolbenmotoren eingegangen werden. Die Vergaservereisung kommt häufiger vor, als viele Piloten glauben. Eine Studie der AOPA über Unfälle der Allgemeinen Luftfahrt hat ergeben, daß über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren über die Hälfte aller durch Vereisung verursachten Unfälle auf Vergaservereisung zurückzuführen waren. Schon aus diesem Grund verdient der Vergaser auch hier unsere Aufmerksamkeit.

Bedingt durch die Vergasertechnik kommt es im Verturirohr des Vergasers zu einer Abkühlung der Luft um bis zu 20 K, was bei entsprechender Außentemperatur und Luftfeuchte zur Eisbildung führen kann. Somit ist klar, daß bei Wetterlagen mit hoher relativer Luftfeuchte und Temperaturen bis zu etwa +20 °C die Feuchte auskondensieren und sich im Vergaser als Eis niederschlagen kann. Der Vergaser vereist, obwohl die Außentempertur weit über 0 °C liegt.

Bei der Instrumentenvereisung ist vor allem das Staurohr anfällig für Vereisung. Deshalb sind fast alle moderneren Motorflugzeuge mit einer Heizung für das Pitotrohr ausgerüstet. Fällt die Heizung aus oder wurde erst gar nicht eingeschaltet, was selbst erfahrenen Piloten  passiert, dann arbeitet die Geschwindigkeitsanzeige wie ein Höhenmesser. Steigt das Flugzeug, erhöht sich die Geschwindigkeitsanzeige. Dieser Fehler scheint auch beim Absturz eines französischen Passagirflugzeugs in den Atlantik eine Rolle gespielt zu haben.

 

Somit läßt sich zusammenfassend zur Entstehung von Vereisung sagen, daß Vereisung im wesentlichen

  • beim Flug durch unterkühlte Wolken und
  • beim Flug durch gefrierenden oder frostigen Niederschlag auftritt.

Für die hier insbesondere angesprochenen Luftsportler und VFR-Piloten der Allgemeinen Luftfahrt sollte der erstgenannte Umstand nur ein theoretisches Problem darstellen, da für sie das Fliegen in Wolken regelmäßig nicht in Betracht kommt. Anders sieht es mit dem Einflug in Vereisungsbedingungen durch gefrierenden Regen aus. Gefrierender Regen bildet sich vor allem dann, wenn Regentropfen in eine unterkühlte Luftschicht fallen und dort auf das Flugzeug auftreffen. Diese Form der Vereisung ist als klassischer Prozeß der Klareisbildung bekannt. Sie tritt meist an einer winterlichen Warmfront oder Okklusion auf, wobei Regen aus der aufgleitenden warmen Luftmasse in die darunter befindliche kalte, polare Luftmasse fällt. Am Boden bildet sich dann Glatteis.

Flugzeugfläche mit Eisbelag

Sinken die Temperaturen nach Bildung des Taus unter den Gefrierpunkt des Wassers, also unter 0 °C, können die zuvor entstandenen Tauperlen gefrieren. Gefrorener Tau darf aber nicht mit Reif verwechselt werden, der sich bei derart niedrigen Temperaturen auch ohne den Umweg über flüssigen Tau bilden kann. Tau entsteht durch Kondensation, Reif durch Resublimation. Nebel oder Wolken können Wasserablagerungen verursachen oder, bei Temperaturen unter 0 °C, verschiedene Arten von Frostablagerungen; ebenso kann unterkühlter Regen kräftigen Eisbelag hervorrufen. Das kann zu äußerst gefährlichen Flugzeugvereisungen führen!

Flugzeugvereisung im Flug

Außerhalb von Wolken und Niederschlägen besteht für Luftfahrzeuge keine Vereisungsgefahr.

Wegen der besonderen Gefahren durch Vereisung gilt es diese Gefährdungsfaktoren schon bei der Flugvorbereitung zu berücksichtigen. Der Flugwetterdienst stellt dafür entsprechende Flugwetterwarnungen (SIGMET) für Flugzeuge im Flug und die Flugwetterberatung bei der Flugplanung bezüglich der Flughöhe bereit.

 

Intensität der Vereisung

Die Art und Menge des Eisansatzes wird wesentlich bestimmt von  

  • der Temperatur
  • dem Flüssigwassergehalt
  • dem Tropfengrößenspektrum
  • sowie diversen flugzeugspezifischen Parametern.

Ein bestímmender Faktor für die Intensität der Vereisung ist somit die Größe der unterkühlten Wassertropfen und -tröpfchen sowie ihre Konzentration. Grundsätzlich ist die Konzentration unterkühlter Wassertropfen in Haufenwolken größer als in Schichtwolken. Weil größere unterkühlte Tropfen nur im Temperaturbereich von 0 bis -20 °C vorkommen und diese in höherer Konzentration wiederum nur in Cu, Cb und Ns vorliegen können, ist starke Vereisung auch nur unter diesen Bedingungen zu erwarten. Dementsprechend lassen sich weitere Beziehungen ableiten, die in der folgenden Tabelle dargestellt sind:

Wolkentyp

Stärke der Vereisung 

Art der Vereisung

Art der unterkühlten Tropfen

Temperaturbereich

Cu, Cb, Ns

stark bis mittel

Klareis

groß

0 bis -20 °C

Cu, Cb, Ns

mittel bis leicht

Raueis

klein

-20 bis -40 °C

St, As, Sc, Ac

mittel bis leicht

Raueis

klein

0 bis -10 °C

St, As, Sc, Ac

leicht

Raueis

klein

-20 bis -40 °C

Ci

keine

keine

Eiskristalle

unterhalb -40 °C

Im übrigen herrscht bei niedrigeren Temperaturen an der Wolkenbasis immer eine höhere Konzentration von unterkühlten Wassertropfen bzw. -tröpfchen, weshalb dort die Gefahr der Vereisung stets höher ist. Auch stratiforme orografische Wolken, z.B. Wolken, die sich bei entsprechenden Bedingungen am Fuß von Bergen oder in Tälern bilden, weisen eine höhere Konzentration an Wassertröpfchen auf. In ihnen wird die Luftmasse sozusagen "gestaucht", was zugleich zu einer Absenkung der Nullgradgrenze führt. Zusammen verursacht das einen höheren Vereisungsgrad in der Wolke .

Die Intensität der Vereisung läßt sich subjektiv und objektiv bestimmen. Im ersten Fall beurteilt der Flugzeugführer den Eisansatz an seinem Luftfahrzeug. Im zweiten wird der Vereisungsgrad durch Messflüge ermittelt, wobei die Dicke des Eisansatzes mit der Länge des Flugweges sowie mit wolkenphysikalischen Werten in Beziehung gesetzt wird.

Bei der Darstellung in entsprechenden Wetterkarten sind folgende Symbole gebräuchlich

mäßige Vereisung

starke Vereisung

 

 

Auswirkungen der Vereisung

Eisansatz und Flugverhalten

Eisansatz am Flugzeug beeinträchtigt die Aerodynamik vor allem durch verminderten Auftrieb und erhöht zugleich den Luftwiderstand sowie das Gewicht des Flugzeuges, so daß das Tragwerk u.U. nicht mehr genügend Auftrieb erzeugt, um das Luftfahrzeug in der Luft zu halten. Zudem können insbesondere durch Klareis die Ruder des Flugzeugs blockiert werden. Auch kann durch den schnellen Eisansatz die Sicht stark behindert werden. Das Fluggewicht des Flugzeuges kann durch Klareisansatz so stark zunehmen, daß es selbst mit voller Motorleistung nicht mehr steigen kann. Klareis kann außerdem die Profilform der Trag- und Steuerflächen so verändern, daß ein Strömungsabriß schon bei erheblich höheren Geschwindigkeiten als gewöhnlich droht.

Weitaus gefährlicher dürfte jedoch die Vereisung des Höhenruders und ein damit einhergehender Strömungsabriß an dieser Steuerfläche sein. Das Höhenruder erzeugt aerodynamisch gesehen Abtrieb und hält damit das Flugzeug in Balance. Deshalb "nickt" ein Flugzeug, bei dem die Strömung am Höhenruder abreißt, d.h. es geht auf den Kopf. Der überraschte Pilot zieht instinktiv am Knüppel und erzeugt damit den nächsten Strömungsabriß. Die Rettungsversuche enden dann i.d.R. mit dem unkontrollierten Aufschlag auf dem Boden.

Zur Vereisung und besonders zu den Auswirkungen der Vereisung und - vor allem - wie ihnen in der Praxis wirksam begegnet werden kann, wird auf die instruktive Abhandlung "Vereisung" des LBA in der Flusicherheitsmitteilung (fsm) 2/81 verwiesen, die hier beim DAeC heruntergeladen werden kann.

 

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Einige Hinweise und Verhaltensregeln:

  • Der beste Rat für Piloten lautet:
    Vermeide Eis!
  • Der zweitbeste Rat, falls man trotz entsprechender Flugvorbereitung in ein Vereisungsgebiet eingeflogen ist, lautet:
    Der einfachste und schnellste Weg aus dem Eis ist der, auf dem man hinein gekommen ist! Also möglichst mit Vollgas 180° kehrtum.
  • Wenn es Gelände und Wetterbedingungen zulassen, sofort in tiefere und daher meist wärmere Luftschichten absinken.
  • Wegen der Empfindlichkeit von Vergasermotoren:
    Vergaservorwärmung ein.
  • Damit die Frontscheibe und somit die Sicht frei bleibt:
    Scheibenheizung ein.
  • Zum Erhalt der Fahrtanzeige:
    Pitotrohrheizung ein.
  • Über Funk den Notfall erklären.

 

Wetterkartensymbole (Auswahl)

Wetterkartensymbole Regen

Symbol

Nummer

Beschreibung

24

gefrierender Regen oder Sprühregen hat in der letzten Stunde aufgehört

66

leichter gefrierender Regen

67

mäßiger oder starker gefrierender Regen

 

Wetterkartensymbole Regen und Schnee

Symbol

Nummer

Beschreibung

23

Schneeregen oder Eiskörner (nicht als Schauer) hat in der letzten Stunde aufgehört

26

Schnee- oder Schneeregenschauer hat in der letzten Stunde aufgehört

68

leichter Regen bzw. Sprühregen mit Schneeanteilen vermischt

69

mäßiger oder starker Regen bzw. Sprühregen mit Schneeanteilen vermischt

83

leichter Schneeregenschauer

84

mäßiger oder starker Schneeregenschauer

 

Wetterkartensymbole Nebel

Symbol

Nummer

Beschreibung

47

Himmel von Nebel oder Eisnebel verdeckt, wobei dieser in der letzten Stunde dichter wurde.

45

Himmel von Nebel oder Eisnebel verdeckt, wobei sich in der letzten Stunde keine Änderungen zeigten.

43

Himmel von Nebel oder Eisnebel verdeckt, wobei dieser in der letzten Stunde dünner wurde.

46

Himmel trotz Nebel oder Eisnebel sichtbar, wobei dieser in der letzten Stunde dichter wurde.

44

Himmel trotz Nebel oder Eisnebel sichtbar, wobei sich in der letzten Stunde keine Änderungen zeigten.

42

Himmel trotz Nebel oder Eisnebel sichtbar, wobei dieser in der letzten Stunde dünner wurde.

41

Nebel oder Eisnebel in Schwaden, daher stark schwankende Sichtweiten.

48

Nebel oder Eisnebel mit Raufrost- oder Klareisbildung bei sichtbarem Himmel.

49

Nebel oder Eisnebel mit Raufrost- oder Klareisbildung bei bedecktem Himmel.

 

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