彭華喬，王強(qiáng)，曾萍，吳海濤，張亞博，張帆，趙芯，蘇正良，夏祖西

(中國(guó)民航局第二研究所，四川 成都 610041)

在冬季的冰、雪和霜?dú)夂驐l件下，飛機(jī)表面會(huì)結(jié)冰、積雪和結(jié)霜，增加飛機(jī)的質(zhì)量，從而降低飛行性能，危及飛行安全，因此被冰、雪和霜污染的飛機(jī)是不適航的。世界航空史上已發(fā)生多起因惡劣的冰雪天氣造成的空難事故，飛行機(jī)組、機(jī)務(wù)和簽派人員都應(yīng)該高度重視冬季復(fù)雜氣象條件給飛機(jī)起飛帶來(lái)的嚴(yán)重危害性［1-2］。為了保障飛行安全，必須使用飛機(jī)除冰液對(duì)飛機(jī)進(jìn)行除冰處理。飛機(jī)除冰液分為四種類型，分別是I 型、II 型、III 型和IV 型，其中I 型為牛頓流體，粘度較小;II 型、III 型和IV 型屬于非牛頓流體，粘度較大，能較好地附著在靜止飛機(jī)的表面，但又能在起飛時(shí)從飛機(jī)表面吹脫。國(guó)際上普遍要求飛機(jī)除冰液需符合美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)(SAE)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)要求，即I 型飛機(jī)除冰液需符合SAE AMS 1424［3］的要求，II 型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液需符合SAE AMS 1428［4］的要求。該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)多次修訂，現(xiàn)在最新的版本分別是SAE AMS 1424 K 和SAE AMS 1428 G。

1 飛機(jī)除冰液穩(wěn)定性

為了保證飛機(jī)除冰液的質(zhì)量，確保航空安全，SAE AMS 1424 和SAE AMS 1428 對(duì)于飛機(jī)除冰液都規(guī)定了詳細(xì)的技術(shù)要求，包括環(huán)保性能、理化指標(biāo)、穩(wěn)定性能、與飛機(jī)材料相容性、使用性能等。其中穩(wěn)定性能是非常重要的一項(xiàng)，而且對(duì)于不同類型的飛機(jī)除冰液有不同的要求，見(jiàn)表1。

表1 I 型/II 型/III 型/IV 型飛機(jī)除冰液對(duì)穩(wěn)定性的要求Table 1 The stability requirements of aircraft fluid type I，II，III and IV

對(duì)于I 型飛機(jī)除冰液，有5 項(xiàng)穩(wěn)定性要求，而II型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液有10 項(xiàng)。目前主要有國(guó)際除冰防冰實(shí)驗(yàn)室(AMIL)、國(guó)際科學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室(SMI)和中國(guó)民航局測(cè)試中心(TCCAAC)可以開(kāi)展飛機(jī)除冰液穩(wěn)定性相關(guān)檢測(cè)和研究工作。

2 飛機(jī)除冰液穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

2.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液的保質(zhì)期一般為2 年，為了確保長(zhǎng)期儲(chǔ)存的飛機(jī)除冰液質(zhì)量穩(wěn)定，都需進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，該方法就是模擬飛機(jī)除冰液在儲(chǔ)罐里長(zhǎng)期儲(chǔ)存后是否會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于I 型飛機(jī)除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，要求運(yùn)動(dòng)粘度值的增加不應(yīng)超過(guò)儲(chǔ)存前的10%，降低不應(yīng)超過(guò)20%，pH 值的變化不應(yīng)超過(guò)儲(chǔ)存前的±0.5。儲(chǔ)存后的除冰液與ASTM D 1193 IV 型試劑水等體積混合后不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀。對(duì)于II 型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，動(dòng)力粘度值應(yīng)在產(chǎn)品允許的范圍內(nèi)。

2.2 熱穩(wěn)定性

為了使噴灑在飛機(jī)表面上的除冰溶液具有更高的熱容量、具有更好的除冰效果，一般都將除冰液加熱后使用。但加熱會(huì)使水分損失，對(duì)于I 型液，可能影響空氣動(dòng)力學(xué)性能;對(duì)于II 型、III 型和IV 型液，會(huì)導(dǎo)致除冰液粘度降低，保持時(shí)間縮短，因此應(yīng)避免對(duì)除冰液進(jìn)行不必要的加熱。本方法就是模擬飛機(jī)除冰液長(zhǎng)時(shí)間加熱后是否會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)于I 型飛機(jī)除冰液，需在(80 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，按照SAE AS 5901 進(jìn)行水噴霧試驗(yàn)測(cè)得的防冰時(shí)間不應(yīng)低于3 min，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應(yīng)超過(guò)1.0;對(duì)于II 型、III 型和IV 型液，需在(70 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應(yīng)超過(guò)1.0，動(dòng)力粘度值的增加不應(yīng)超過(guò)(20 ±2)℃下儲(chǔ)存樣品的10%，降低不應(yīng)超過(guò)20%。

2.3 硬水穩(wěn)定性

對(duì)于I 型、II 型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液與標(biāo)準(zhǔn)硬水(標(biāo)準(zhǔn)硬水的組成:在1 L ASTM D 1193 IV型水中，溶解(400 ±5)mg 醋酸鈣［(CH3COO)2Ca·2H2O］和(280 ±5)mg 硫酸鎂(MgSO4·7H2O))按照1∶1(體積比)稀釋后，需在(95 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，且與未加熱儲(chǔ)存樣品的pH 值之差不應(yīng)超過(guò)1.0;按照SAE AS 5901［5］進(jìn)行水噴霧試驗(yàn)，I 型液測(cè)得的防冰時(shí)間不能低于3 min，對(duì)于II 型、III 型和IV 型液只需報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 剪切穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液在過(guò)度機(jī)械剪切作用下會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)下降，因此評(píng)估剪切作用對(duì)除冰液的影響非常重要。對(duì)于I 型飛機(jī)除冰液，需在(3 400 ±100)r/min 條件下剪切10 min;對(duì)于II 型、III 型和IV 型液，需在(2 000 ±100)r/min 條件下剪切5 min。剪切后的除冰液還需按照SAE AS 5901 的要求進(jìn)行防冰性能測(cè)試，包括水噴霧試驗(yàn)和高濕度試驗(yàn)。

2.5 泡沫穩(wěn)定性

為了提高除冰效率，避免噴灑的飛機(jī)除冰液形成不易破滅的泡沫，造成與雪混淆，不易察覺(jué)，因此需對(duì)飛機(jī)除冰液泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。該試驗(yàn)最初由Kilfrost 公司Foster Ross 建立，后經(jīng)AMIL 修訂完善。對(duì)于I 型飛機(jī)除冰液，需加熱至(60 ±1)℃，在(3 400 ±100)r/min 條件下剪切15 s 后，將除冰液均勻的倒在傾斜的測(cè)試板上，15 min 后報(bào)告泡沫在測(cè)試板上所占的比例，見(jiàn)圖1。該試驗(yàn)需在(－10 ±0.5)℃和(0 ±0.5)℃的溫度條件下進(jìn)行;對(duì)于II型、III 型和IV 型液，要求除冰液形成的泡沫應(yīng)快速破滅，不應(yīng)與雪混淆。

圖1 泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The apparatus picture of foam stability

2.6 冷儲(chǔ)存穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液冷穩(wěn)定性模擬在低溫和室溫條件下循環(huán)儲(chǔ)存后是否會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。將2.0 L 飛機(jī)除冰液裝入容積為2.5 L 的容器中，蓋好蓋子。將該容器放入恒溫恒濕箱中，在(－20 ±2)℃條件下保持24 h 后，取出容器，在(20 ±2)℃條件下放置24 h。將在(－20 ±2)℃和(20 ±2)℃條件下的試驗(yàn)重復(fù)5 次，循環(huán)周期見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)束后，除冰液不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，并報(bào)告試驗(yàn)前后的pH 值、折射率和動(dòng)力粘度。

表2 冷儲(chǔ)存穩(wěn)定性循環(huán)周期Table 2 Cycling period of cold storage stability

2.7 干燥空氣穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液干燥空氣穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品曝露于干燥空氣是否會(huì)影響質(zhì)量。將飛機(jī)除冰液暴露于溫度為(23 ±3)℃，相對(duì)濕度為30% ～45%的恒溫恒濕箱中，當(dāng)除冰液質(zhì)量減少(20 ±1)%后，用Brookfield粘度計(jì)1 號(hào)轉(zhuǎn)子，在3 r/min 條件下測(cè)試除冰液(20±2)℃時(shí)的動(dòng)力粘度，其值不應(yīng)超過(guò)500 mPa·s。若動(dòng)力粘度大于500 mPa·s，則將飛機(jī)除冰液置于溫度為(0 ±2)℃，水平風(fēng)速為(4 ±0.5)m/s 的恒溫恒濕箱中12 h 后，測(cè)試除冰液在20 ℃的質(zhì)量，報(bào)告質(zhì)量的損失百分比，產(chǎn)品應(yīng)符合空氣動(dòng)力學(xué)性能要求［6］。

2.8 干冷空氣穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液干冷空氣穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品曝露于低溫干燥空氣是否會(huì)影響質(zhì)量。在恒溫恒濕箱中(見(jiàn)圖2)，放置3 個(gè)7075-T6 有包覆層鋁合金試板并與水平方向呈2°，在每個(gè)試件上傾倒100 ～150 mL 飛機(jī)除冰液;將空氣和試板溫度設(shè)定為(1 ±1)℃，相對(duì)濕度低于40%，空氣流以約2.5 m/s 的速度在試板表面由上向下流動(dòng)，直到樣品被吹干或保持24 h，試板表面不應(yīng)有凝膠、粘稠膠體、硬固體顆?；蚩蓜兟淠?將試板從恒溫恒濕箱中取出并將其溫度升至(5±2)℃，用500 mL ASTM D 1193 IV 型試劑水沖洗每塊試板，水溫為(15 ±10)℃，試板不應(yīng)有殘留物。

圖2 干冷空氣穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置圖Fig.2 The apparatus picture of cold dry air stability

2.9 連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性

當(dāng)殘留在飛機(jī)表面上的II 型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液干燥后，可能在飛機(jī)升降舵控制器縫隙中形成殘留物，這些殘留物遇水后會(huì)形成水合凝膠。當(dāng)飛機(jī)在高空飛行時(shí)，由于環(huán)境溫度降低，這些水合凝膠可能會(huì)重新結(jié)冰，阻礙升降舵的動(dòng)作造成升降舵控制器凍結(jié)事故。為此，SAE 采納了瑞士航空公司Rolf Buhler 建立的連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性試驗(yàn)方法。

該方法要求對(duì)2024-T3 鋁合金試板進(jìn)行刻蝕，模擬在役飛機(jī)的老化表面。稱量并記錄試板和懸掛不銹鋼絲的總質(zhì)量。將試板完全浸入飛機(jī)除冰液中。在4 s 內(nèi)，緩慢將試板從除冰液中取出，懸掛到支架上(見(jiàn)圖3)。分別在5 min 和30 min 后，稱量試板和不銹鋼絲的總質(zhì)量。將試板垂直懸掛在支架上，放入烘箱中。烘箱溫度30 ～35 ℃。讓除冰液完全干燥(一般烘干24 h)。從烘箱中取出試板。晾置30 min，稱量試板和不銹鋼絲的總質(zhì)量。重復(fù)5次試驗(yàn)，累加每個(gè)試板的6 組殘余物數(shù)據(jù)。將留有干燥殘余物的試板在ASTM D 1193 IV 型水中浸泡(30 ±2)s 后，取出并懸掛滴水(60 ±2)s 后，稱量試板和懸掛不銹鋼絲的質(zhì)量。重復(fù)9 次浸泡和稱重，累加每個(gè)樣板的10 組殘余物質(zhì)量，結(jié)果不應(yīng)超過(guò)4 g。

圖3 連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置圖Fig.3 The apparatus picture of successive dry out and rehydration stability

2.10 薄膜熱穩(wěn)定性

飛機(jī)除冰液薄膜熱穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品在機(jī)翼前緣干燥后的情況。在室溫條件下，分別將40 ～50 mL飛機(jī)除冰液傾倒在兩塊水平放置且尺寸為153 mm×50 mm 無(wú)涂層的2024-T3 鋁合金板上。5 min 后，分別在(95 ±2)℃和(48 ±2)℃的烘箱中，將試板與水平方向傾斜10°放好，恒溫(60 ±1)min，取出試板冷卻至室溫，試板不應(yīng)有凝膠、粘稠膠體、硬固體顆?；蚩蓜兟淠?。在距試板表面不小于20 cm 的位置，采用500 mL，溫度為(15 ±10)℃的ASTM D 1193 IV 型水沖洗每塊試板，觀察試板表面不應(yīng)留有殘余物。

3 結(jié)論

飛機(jī)除冰液穩(wěn)定性試驗(yàn)一共10 項(xiàng)，其中I 型飛機(jī)除冰液有5 項(xiàng)要求，II 型、III 型和IV 型飛機(jī)除冰液有10 項(xiàng)要求。熱穩(wěn)定性、硬水穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性、干燥空氣穩(wěn)定性還涉及飛機(jī)除冰液空氣動(dòng)力學(xué)性能(SAE AS 5900)和防冰性能(SAE AS 5901)試驗(yàn)要求。目前，只有AMIL 能夠開(kāi)展空氣動(dòng)力學(xué)性能和防冰性能的檢測(cè)工作，我國(guó)民航還不具備相應(yīng)檢測(cè)能力。因此我國(guó)應(yīng)積極開(kāi)展飛機(jī)除冰液穩(wěn)定性檢測(cè)和研究工作，為除冰液的適航審定提供技術(shù)支持。

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