18.3.5. Icing in Stratiform Clouds
중/저층 층운형 구름에서의 착빙은 평균적으로 3,000~4,000 feet 두께의 층으로 국한됩니다. 따라서 항공기가 구름 속에 있더라도 수천 피트의 고도 변화만으로 착빙 조건에서 벗어날 수 있습니다. 착빙의 강도는 일반적으로 경미한(trace) 강도에서 약한(light) 강도까지 다양하며, 최댓값은 구름의 상부에서 발생합니다. 층운형 구름에서는 거친 착빙과 혼합 착빙이 발견됩니다. 주요 위험은 층운형 구름 층에서 엄청난 규모의 수평적 범위에서 존재합니다. (-20℃보다 낮은 온도에서 존재하는) 고고도에서의 층운형 구름은 대부분 얼음 결정으로 구성되어 있으며 착빙을 거의 발생시키지 않습니다.
18.3.6. Icing in Cumuliform Clouds
적운형 구름에서 착빙이 발생하는 층은 층운형 구름에서보다 수평적으로는 작지만, 수직적으로는 훨씬 큽니다. 착빙은 적운형 구름에서 착빙에 도움이 되는 많은 요소가 특정 구름의 발달 단계에 따라 달라지기 때문에 더욱 가변적입니다. 착빙의 강도는 작은(small) 적운에서의 경미한(trace) 정도에서 커다란 탑적운 또는 적란운에서의 심각한(severe) 정도에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 적운형 구름에서 *빙결 고도(결빙 고도, freezing level) 이상의 모든 고도에서 착빙이 발생하지만, 상승기류가 집중되고 *SLD(Supercooled Large Drops)가 풍부한 구름의 상부에서 가장 강력합니다. 착빙은 -40℃의 차가운 온도에서 SLD가 존재할 수 있는 강한 상승 기류가 있는 탑적운과 적란운에서 높은 고도로 확장될 수 있습니다. 적운형 구름에서의 착빙은 보통 상층 고도에서 맑은 착빙 또는 혼합 착빙이 발견됩니다.
18.3.7. Icing with Fronts
대부분의 착빙 보고는 전선 근처에서 발생합니다. [Figure 18-1]과 같이 착빙은 전선면의 아래와 위에서 모두 발생할 수 있습니다.
전선 위로 큰 규모의 착빙이 발생하려면 따뜻한 공기가 들어 올려져야 하고, 따뜻한 공기는 반드시 0℃ 이하의 온도에서 포화 상태로 냉각되어야 하며, 과냉각된 물방울을 포함해야 합니다. 과냉각된 물방울은 항공기와 충돌하면서 얼게 됩니다. 따뜻한 공기가 불안정할 경우, 착빙은 산발적으로 발생할 수 있으며, 따뜻한 공기가 안정적일 경우, 착빙은 연장된 (더 넓은) 영역에 걸쳐 착빙이 지속될 수 있습니다. 한랭 전선을 따라 소나기나 뇌우가 줄지어 내리면 착빙이 일어날 수 있지만, 비교적 좁은 범위에서만 전선에 따라 착빙이 발생합니다.
맑은 착빙이 심할 경우 자주 발생하는 영역은 전선 아래의 어는비 및/또는 어는 이슬비에서 입니다. 비는 영하의 온도보다 따뜻한 온도에서 전선면 위에서 형성됩니다. 그 후, 비는 영하의 온도인 공기를 통과하며 떨어지면서 과냉각됩니다. SLD는 항공기와 부딪힐 때 얼게 됩니다. 영하인 층이 얕을 경우, 어는비는 표면에서 발생하게 될 것입니다. 영하인 층이 두껍다면, 과냉각된 물방울이 얼음 싸라기(ice pellets)로 얼게 될 것입니다. 얼음 싸라기는 앞에서 말한 착빙을 나타냅니다. 과냉각수의 많은 양 때문에 착빙이 심할 수도 있습니다. 얼어붙은 강수에서의 착빙은 종종 넓은 지역에 수평으로 확장되고, 조종사는 낮은 고도로 하강함으로써 벗어나지 못할 수 있기 때문에 특히 위험합니다.
18.3.8. Icing with Mountains
착빙은 산악 지역에서 더 심하고 발생 가능성이 높습니다. 산맥은 풍상측 쪽으로 상승 기류의 운동을 일으킵니다. 이러한 수직 기류는 빙결 고도 이상에서 과냉각된 커다란 물방울에 도움이 됩니다. [Figure 18-2]처럼 산맥을 가로지르는 전선의 이동은 전선의 상승(frontal lift)과 산의 오르막을 따라 흐름 효과(mountain's upslope flow effect)가 결합되어 매우 위험한 착빙 지대를 형성하게 됩니다.
가장 심한 착빙은 산마루 위나 산등성이의 풍상층 쪽에서 발생합니다. 이 지대는 보통 산 정상에서 약 5,000 feet 높이까지 확장되지만 적운형 구름이 발달하면 훨씬 더 높이 확장될 수 있습니다.
산에서의 착빙은 특히 위험할 수 있는데, 이는 조종사가 지형의 높이에 의해 빙점 이상의 온도까지 하강할 수 없기 때문입니다. 조종사가 풍상측에서 산등성이에 접근하면 항공기가 산 정상 위로 상승하지 못하거나 심각한 착빙이 축적되면서 고도를 유지조차 못할 수 있습니다. 이로 인한 결과는 산과의 충돌로 이어질 수 있습니다.
18.3.9. Icing Hazards
구조적 착빙은 항공기의 성능을 저하시킵니다. 공기의 원활한 흐름을 방해하여 항력을 증가시키고 양력을 발생시키는 에어포일(airfoil)의 능력을 감소시키기 때문입니다. 비행기에 축적된 실제 얼음의 무게는 공기 흐름의 분리와 비교했을 때 중요하지 않을 수 있습니다. 얼음이 축적되어 추가적으로 더해진 항력을 보상하기 위해 파워(power)를 증가시키고 고도 유지를 위해 기수를 들어 올리면 받음각(angle of attack)이 증가하게 됩니다. 이를 통해 날개 밑면과 동체(fuselage)에 추가적으로 더 얼음이 축적되게 됩니다.
풍동 및 비행 시험 결과 (날개 앞쪽 가장자리 또는 위쪽 표면에 발생하는 ) 굵은 사포 한 장보다 두껍지 않거나 거칠지 않은 서리, 눈, 그리고 얼음의 축적은 양력을 30% 감소시키고 항력을 최대 40%까지 증가시킬 수 있는 것으로 나타납니다. 더 많은 얼음의 축적은 양력을 더욱 감소시킬 수 있으며 항력을 80% 이상 증가시킬 수 있습니다.
날개, 프로펠러, 윈드실드(windshield), 안테나, 환기구(vent), 흡입구(intake) 및 카울링(cowling) 등 비행기의 노출된 모든 전면의 표면에 얼음이 축적될 수 있습니다. 얼음은 열(heat)과 *부츠(boots)가 작동되지 않는 곳에서 비행하는 동안 축적될 수 있습니다. 그로 인해 안테나가 너무 심하게 떨리게 되어 고장 날 수도 있습니다. 중간(moderate)에서 심각한(severe) 정도의 착빙 상태에서 경비행기는 얼음의 축적(accumulation) 또는 부착(accretion)에 많이 노출되게 되어 비행이 불가능할 수 있습니다. 비행기는 정상보다 훨씬 빠른 속도와 낮은 받음각을 가질 때 착빙에서 벗어날 수 있습니다. 착빙으로 인해 롤(roll)과 피치(pitch) 조작이 제어 불가능할 수 있고, 회복이 불가능할 수도 있습니다.
항공기에 장착되어 있는 방빙(anti-ice) 또는 제빙(de-ice)과 상관없이 조종사의 첫 번째 행동 방침은 눈에 보이는 습기 영역(area of visible moisture)을 벗어나는 것이어야 합니다. 이것은 구름 베이스(base) 아래의 고도로 강하하는 것, 구름 꼭대기(top) 위의 고도로 상승하는 것, 또는 다른 코스(course)로 항공기의 방향을 돌리는 것을 의미할 수 있습니다. 만약 이것이 불가능하다면, 조종사는 온도가 0℃ 이상인 고도로 이동해야 합니다.
18.4. Engine Icing
18.4.1. Carburetor Icing
흡입 기관(aspirated engine)에서, 기화 과정(carburetion process)은 빨아들이는 공기의 온도를 최대 33℃까지 낮출 수 있습니다. 만약 수분 함량이 충분히 높을 경우, 스로틀 플레이트(throttle plate)와 벤투리(venturi)에 얼음이 형성되어 엔진으로 공급되는 공기가 점차 차단될 수 있습니다. 기화기(carburetor)에서 소량의 얼음으로도 출력이 손실되고 엔진이 거칠게 작동할 수 있습니다. 상대습도가 50% 이상이면서 하늘이 맑고 외부 온도가 33℃(90℉) 이상 높은 경우에도 기화기에 얼음이 형성될 수 있습니다.
18.4.2. High Ice Water Content (HIWC)
HIWC는 적어도 연구와 이해의 관점에서 비교적 새로운 착빙의 위험입니다. HIWC는 적란운과 뇌우의 모루와 꼭대기에 존재할 수 있는 높은 고도에서의 얼음 결정을 말합니다. 특정 HIWC 조건에서 터빈 엔진 성능은 연소 정지(flameouts)를 포함하여 영향을 받을 수 있습니다. HIWC 조건에 대한 연구는 계속되고 있습니다.
- 빙결 고도 (결빙 고도, freezing level) : 어떤 지역의 대기의 온도가 0℃가 되는 가장 낮은 지상으로부터 높이.
- SLD (Supercooled Large Drops) : https://jicho9597.tistory.com/177 참조.
- 부츠 (boots) : 비행 중 착빙을 기계적으로 방지하는 장치. 항공기의 표면에 장착되지만 일반적으로 착빙되기 쉽고, 착빙됐을 경우 항공기의 성능에 심각한 영향을 미치는 날개의 전면에 장착되어 있음. 예를 들어 착빙으로 인해 얼음이 형성되면 공기압 시스템이 압축 공기를 부츠를 부풀려 주면서 팽창하게 되는데 이때 얼음에 균열이 생기면서 얼음을 바람으로 하여금 날려버리게 함. 그 후 부츠는 다시 수축되면서 원래의 형상으로 되돌아가게 됨.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 18-4~7 해석
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