De-icing/anti-icing fluids & fluid residues

De afgelopen winters zijn er verschillende incidenten geweest, veroorzaakt door de aanwezigheid van ‘anti-icing fluid residues’, zoals vastgevroren rolroerbesturing op de Fokker 100 en bevroren speedbrakes op de Boeing 737.

Uitgedroogde restanten van met name anti-icing fluids kunnen – vanwege hun hygroscopische eigenschappen na contact met water – een gelvormige substantie vormen die kan uitzetten tot meerdere malen het eigen volume. Bevriezing kan dan voor de nodige problemen zorgen. Met name op die plaatsen in de vliegtuigconstructie waar geen aerodynamische wisselwerking optreedt of waar drainage van deze anti-icing vloeistoffen vermindert of moeizaam is kunnen problemen ontstaan wanneer interactie met flight controls mogelijk is.
Alhoewel de problemen in Nederland relatief nieuw lijken, is de problematiek buiten Nederland al jaren bekend. Met name in Europa zijn vele incidenten bekend, veroorzaakt door het tijdens droge omstandigheden veelvuldig preventief (overnight) toepassen van verdikte anti-icing fluids danwel toepassing van two-step de-/anti-icing met verdikte vloeistoffen (Type II en IV), hetgeen buiten Europa minder wordt gedaan.

Types de-icing en anti-icing fluids

De fundamentele werking van aircraft de-icing fluids (ADF) en aircraft anti-icing fluids (AAF) berust op vriespuntverlaging. ADF/AAF bestaan uit een water-alcohol oplossing (meestal ethyleen glycol of het minder toxische propyleen glycol) in combinatie met chemicaliën die een corrosieve werking tegengaan, eventuele verdikkingsmiddelen (polymeren) en kleurstoffen. Wanneer winterse neerslag of ijsaanzetting in aanraking komt met ADF/AAF zal deze gaan smelten. Toename van de concentratie water in het resulterende mengsel zal de vriespuntverlaging verminderen totdat uiteindelijk bevriezing optreedt en de werkzaamheid van de ADF/AAF beëindigd is. Afgezien van een vriespuntverlaging is ook de viscositeit (of stroperigheid) van de ADF/AAF van belang. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen zogenaamde Newtonse vloeistoffen en niet-Newtonse vloeistoffen. Newtonse vloeistoffen kenmerken zich door een bij vaste temperatuur van schuifspanning (shear load) onafhankelijke viscositeit. Niet-Newtonse vloeistoffen daarentegen kennen bij een vaste temperatuur een afname van de viscositeit met toenemende schuifspanning (zoals toenemende luchtsnelheid) en worden bij toenemende belasting dus vloeibaarder. Van deze eigenschap van de verdikkingsmiddelen (pseudoplastisch gedrag) wordt gebruik gemaakt bij Type II, III en IV vloeistoffen teneinde een langere Hold-Over-Time te bewerkstelligen in combinatie met een hoge vloeistof eliminatie voor vliegtuigrotatie.

Type I (ADF/Newtons)

Type I vloeistoffen hebben een lage viscositeit en bevatten meestal geen verdikkingsmiddelen. Type I vloeistoffen hebben een korte werkzaamheid en worden veelal verwarmd of onverwarmd toegepast als de-icing fluid. (Rood/Oranje)*

Type II (AAF/pseudoplastisch)

Type II vloeistoffen bevatten een pseudoplastisch verdikkingsmiddel. Bij rotatiesnelheden boven de 100 knopen leidt de windbelasting tot een verlaging van de viscositeit waardoor de vloeistof van het vliegtuig af stroomt, hetgeen een niet noemenswaardige aerodynamische verstoring geeft. (Kleurloos/Bruin)*

Type III (AAF/pseudoplastisch)

Type III vloeistoffen zijn relatief nieuw en kenmerken zich door een lagere belasting waarbij pseudoplastische eigenschappen leiden tot afstroming van het vliegtuig. Type III vloeistoffen zijn bedoeld voor commuters met rotatiesnelheden boven de 60 knopen. (Geel-Groen)*

Type IV (AAF/pseudoplastisch)

Type IV vloeistoffen zijn rond 1994 ontwikkeld uit Type II vloeistoffen en hebben een langere werking tijdens sneeuwcondities. Voorheen werden Hold-Over-Times gepubliceerd voor vloeistoftypes en op verzoek van de US ALPA is een nieuw Type IV ingevoerd. Type IV vloeistoffen zijn evenals Type II vloeistoffen bedoeld voor vliegtuigen met rotatiesnelheden boven de 100 knopen. (Donkergroen)*

* Kleurcoderingen zijn indicatief en worden niet altijd consistent toegepast
Source: Anti-icing Materials Laboratory (AMIL) Canada

Certificatie

In de tachtiger jaren werd onder meer door de AEA (Association of European Airlines) geconcludeerd dat toepassing van Newtonse en niet-Newtonse de-/anti-icing fluids kon leiden tot een significant draagkrachtverlies bij takeoff. In samenwerking met Boeing en de AECMA (Association of European Aircraft and Components Manufacturers) werd in 1984 in de windtunnels van het Von Karman Institute gewerkt aan een certificatiemethode die uiteindelijk resulteerde in AEA, ISO en de tegenwoordig voornamelijk gebruikte SAE (Society of Automotive Engineers) standaards AMS 1424 (Type I) en AMS 1428 (Type II, III en IV). Door de jaren heen zijn aanvullende eisen en testprocedures ontwikkeld door het Anti-icing Materials Laboratory (AMIL) in Canada en overgenomen door de SAE G-12 Fluids Subcommittee. Vliegtuigfabrikanten schrijven over het algemeen gebruik voor van vloeistoffen die voldoen aan de laatste eisen, onder meer:

WSET/HHET

De Water Spray Endurance Test (WSET) en de High-Humidity Endurance Test (HHET) zijn ontwikkeld om de de-/anti-icing fluids onderling te vergelijken en om kwantitatief inzicht te krijgen in de effectiviteit van een bepaalde vloeistof. De laboratoriumcondities zijn slechts representatief voor een zeer beperkt aantal neerslag types en de ieder jaar door de FAA gepubliceerde Hold-Over-Time tabellen worden dan ook gebaseerd op additionele laboratorium onderzoeken en onderzoeken onder actuele weercondities welke moeilijk in een laboratorium na te bootsen zijn (bijvoorbeeld sneeuw).

Aerodynamic Acceptance

Het effect van een AAF op de aerodynamica wordt getest door in een windtunnel het effect op de verdringingsdikte van de grenslaag op een vlakke plaat te bepalen (Boundary Layer Displacement Thickness, BLDT). Dit is een maat voor het energieverlies in de grenslaag en vormt aldus een indicatie voor eventuele prestatieverliezen tijdens de start. In de windtunnel wordt een snelheidsprofiel nagebootst representatief voor een startend vliegtuig in combinatie met een BLDT-limiet welke resulteert in een gering prestatieverlies. Hierbij dient te worden opgemerkt dat over het algemeen bij afname van de temperatuur de viscositeit van de vloeistof en daarmee de verstoring van de grenslaag toeneemt.

Lowest Operational Use Temperature (LOUT)

De Lowest Operational Use Temperature wordt bepaald door:
• Een marge ten opzichte van het vriespunt van de vloeistof (verdund/onverdund) van
   ofwel 10 graden Celsius (Type I) ofwel 7 graden Celsius (Type II, III, IV).
• Die temperatuur waar aan de BLDT-eisen wordt voldaan.

Milieueisen

Organische chemicaliën zoals deze voorkomen in ADF/ AAF kunnen dienen als voedsel voor micro-organismen zoals bacteriën, welke de betreffende stoffen oxideren door zuurstof aan de omgeving te onttrekken en aldus een gevaar kunnen vormen voor organismen in sloten en rivieren. Overigens betekent dit evenzo dat restanten veelal biologisch afgebroken kunnen worden.

Residu’s, rehydratie en gelvorming

Ervaring met toepassing van Type IV vloeistoffen leidde tot waarneming van gelvorming en dunne films met restanten van opgedroogde AAF tijdens bijvoorbeeld koude en droge weersomstandigheden. Als gevolg hiervan werden additionele eisen opgenomen in de AMS 1428 standaard.

Elimination Test

De elimination test sluit aan op de BLDT-test en vereist een minimale hoeveelheid vloeistof die verwijderd moet zijn tijdens het takeoff windtunnel profiel.

Thin Layer Thermal Stability

Bij leading-edge verwarming mag geen onoplosbaar residu ontstaan of gelvorming optreden.

Dryout Test

Deze test omvat criteria voor uitdroging tijdens droge en koude omstandigheden.
Sinds 1999 zijn echter vele incidenten gerapporteerd en met name bij vliegtuigen met ‘unpowered flight controls’. Deze incidenten kenmerken zich door een ophoping van AAF residu’s in holtes zonder aerodynamische interactie, hetgeen na contact met water zorgde voor gelvorming. Deze gelvorming leidde na bevriezing tot loss-of-control. Naar aanleiding van deze incidenten werd de volgende additionele testprocedures voor nieuwe vloeistoffen toegevoegd aan AMS 1428.

Multiple Dryout and Rehydration Test

Deze test omvat het meerdere malen aanbrengen en laten drogen van AAF waarbij de hoeveelheid residu gewogen wordt. Vervolgens wordt meerdere malen gedemineraliseerd water toegevoegd en wordt de hoeveelheid gelvorming bijgehouden.
In oktober 2000 is de volgende detectiemethode aanbevolen door de SAE:

De commissie Vliegtechnische Zaken heeft op nationaal niveau in het verleden reeds gewezen op deze problematiek, internationaal is ECA/IFALPA samen met verschillende instanties zoals vliegtuigfabrikanten, vloeistoffabrikanten, regelgevende instanties, maatschappijen en onderzoeksbureaus betrokken bij het zoeken naar een oplossing. Desalniettemin vinden incidenten nog steeds plaats en helaas moet worden geconcludeerd dat er nog geen consensus is over te nemen maatregelen. Complicerende factoren zijn milieuoverwegingen, dure certificatietrajecten van nieuwe vloeistoffen, de transitie van JAA naar EASA en het tijdsbeslag voor nieuwe regelgeving. Dit voorjaar heeft een ECA/IFALPA cold weather specialist deelgenomen aan een workshop georganiseerd door de European Regional Airlines Association (ERA) hetgeen geleid heeft tot de volgende voorlopige aanbevelingen:
• Beperking gebruik Anti-icing Fluids Type II en Type IV.
• Verbetering inspectiemethodes.
• Schoonmaak bij voorkeur met warm water of (warm) Type I.
• Two-step De-/Anti-icing met als eerste stap Type I.
• Geen takeoff na detectie van residu’s op kritieke plaatsen.

Uiteraard heeft de problematiek de aandacht van AAS en de Nederlandse maatschappijen en zijn er een aantal maatregelen genomen, waaronder de vervanging van Kilfrost ABC-2000 door Type IV Kilfrost ABC-S (verminderde gelvorming), een verbeterd inspectie- en schoonmaakprogramma met bewaking van residuvorming, minder preventief anti-icing en zoveel mogelijk toepassen van two-step de-/anti-icing met als eerste stap Type I danwel water. Specifiek voor de B737 is het onderhoud van het spoilerkwadrant aangepast. Hopelijk zijn de problemen hiermee grotendeels opgelost; de commissie Vliegtechnische Zaken zal de situatie echter nauwlettend blijven volgen.

Aanvullende Informatie

EASA Safety Information Notice 2006-09, 26-09-2006
JAA Safety Information Communication (SIC) 2, 15, 09-05
JAR OPS 1.345 / ACJ OPS 1.345
http://aircrafticing.grc.nasa.gov/courses.html
http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/aero_08/deice.html
http://www.amil.chicoutimi.qc.ca