Flugzeugvereisung

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

Eisarten

	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.

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!

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:

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

Auswirkungen der Vereisung

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.

Zum vorletzten Punkt (Pitotrohrheizung ein) fällt mir der Absturz einer französischen Passagiermaschine in den Atlantik ein. 2009 war das. Ursache seien vereiste Pitotrohre gewesen. Soweit mir bekannt, ist das Flugzeug in ein Gewitter eingeflogen, was meiner Ansicht nach bereits die erste Fehlentscheidung der Crew war. Warum dabei nicht die Pitotrohrheizung eingeschaltet wurde, bleibt mir rätselhaft. Ich kann mir auch nicht vvorstellen, dass an einem solchen Flugzeug keone solche Heizung vorhanden sein könnte. Infolge der Vereisung ist wohl eine zu hohe Fahrt angezeigt worden. Die Crew hat deshalb anscheinen die Triebwerksleistung reduziert, um die Fahrt zu verringern, und/oder, da das offensichtlich ohne Wirkung blieb, ist in den Steigflug übergegangen. Es ist ja richtig. daß in einem CB heftige Aufwinde herrschen, ob das in der Flughöhe des Jets auch der Fall ist, entzieht sich meiner Kenntnis. Richtig ist sicher auch, dass ein Flugzeug in dieser Höhe recht kippelig reagiert, d.h. der fliegbare Bereich ist recht eng. Aber nach der unterbliebenen Pitotrohrheizung und der Reduzierung der Triebwerksleistung, war der Übergang in den Steigflugnun nun schon der vierte Fehler. Ja vier. Der erste war der Einflug in ein aktives Gewitter. Im Ergebnis kam es so zum Strömungsabriss, womöglich zum Flachtrudeln und letztlich zum unkontrollierten Sturz in den Atlantik.

Es ist mir nicht bekannt, daß neben den pneumatischen auch die elektrisch betriebenen Fluglageinstrumente zugleich ausgefallen wären. Egal wie, bei den von mir geflogenen Flugzeugen ergibt jedoch eine bestimmte Längsneigung bei einer bestimmten Triebwerksleistung immer eine bestimmte Fahrt. Ich sehe nicht, wieso das bei einem Jet grundlegend anders sein sollte. Steigflug und Leistungsreduzierung führt aber im Endeffekt immer zur überzogenen Fluglage, ggf. zum Strömungsabriss. Durchsacken oder sogar Trudeln ist dann letztlich unvermeidlich. Allerdings ist das bei den mir bekannten Flugzeugen und ausreichender Höhe noch immer kein Grund unkontrolliert ins Meer zu fallen. Knüppel neutral, Seitenruder gegen die die Drehrichtung ist dafür ein längst bewährtes Rezept. Ja, ich weiß nicht, ob das auch für solche Jets gilt, aber davon gehe ich einfach mal aus. Und wenn das stimmt, müsste aus einer Flughöhe von ca. 12 km genügend Platz sein, um die Drehung zu beenden. Jedem Privatpiloten oder Segelflieger bleibt in den ihnen zugewiesenen Höhen in einem solchen Fall bedeutend weniger Platz zur Verfügung. Trotzdem gelingt es schon Flugschülern in Begleitung eines Fluglehrers das Trudeln nach rund 300 m zu beenden. Querruder neutral, Seitenruder dagegen, warten bis die Drehung aufhört, abfangen, alle Ruder neutral, Leistung setzen, weiterfliegen.

Wie man (wie immer) sieht, ein Fehler zog den nächsten nach sich. Einflug ins Gewitter. Unterlassene Pitotrohrheizung. Außerachtlassung der elektischen Fluglageinstrumente. Dann eine massive Fehlreaktion (Steigflug und gleichzeitige Leistungsverminderung). Schließlich falsche oder unterbliebene Gegenreaktion zum Sackflug oder Trudeln. Soweit erinnerlich verloren damals über 200 Menschen das Leben.
Aufgrund der Ergebnisse der Unfalluntersuchung soll meines Wissens danach die Ausbildung der französischen Piloten in Richtung Sichtflug und manuelle Steuerung ergänzt worden sein.

Wetterkartensymbole (Auswahl)