李哲, 徐浩軍, 薛源, 王小龍

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038)

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結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響機(jī)理與防護(hù)研究

李哲, 徐浩軍, 薛源, 王小龍

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038)

飛機(jī)結(jié)冰導(dǎo)致機(jī)毀人亡的飛行事故頻發(fā),嚴(yán)重威脅了飛行安全。分析了飛機(jī)結(jié)冰產(chǎn)生的機(jī)理,明確了飛機(jī)結(jié)冰問題研究的重點(diǎn),闡述了飛機(jī)結(jié)冰的條件、過程和種類。在此基礎(chǔ)上,分析了影響飛機(jī)結(jié)冰的主要因素和參數(shù),深入剖析了機(jī)體不同部位結(jié)冰對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性和操縱性能的危害機(jī)理,并總結(jié)了飛機(jī)防、除冰的相關(guān)技術(shù),展望了防、除冰技術(shù)的發(fā)展趨勢,討論了飛機(jī)結(jié)冰保護(hù)的研究方向。

飛機(jī)結(jié)冰; 飛行安全; 飛行特性; 除冰; 容冰

0　引言

表面結(jié)冰是飛機(jī)經(jīng)常遇到的嚴(yán)重威脅飛行安全的現(xiàn)象。表面結(jié)冰改變了飛機(jī)的氣動(dòng)外形,導(dǎo)致翼型失真,流場紊亂,嚴(yán)重時(shí)易誘發(fā)飛機(jī)失速,導(dǎo)致機(jī)毀人亡。美國Safety Advisor 1990～2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,結(jié)冰引起的飛行事故占所有氣象因素引起飛行事故的12%,且92%發(fā)生在飛行階段[1]。我國國土面積較大,地形差異顯著,氣象條件復(fù)雜,飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象多發(fā)。并且由于我國航空事業(yè)發(fā)展迅猛,飛行密度不斷提高,全天候飛行需求旺盛,飛機(jī)遭遇結(jié)冰條件的概率大幅上升,對(duì)飛機(jī)結(jié)冰問題的研究刻不容緩。本文闡述了飛機(jī)結(jié)冰的機(jī)理、過程和種類,分析了影響結(jié)冰的主要因素和參數(shù),詳細(xì)剖析了結(jié)冰對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性和操縱性的危害方式,結(jié)合防、除冰技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,討論了飛機(jī)結(jié)冰保護(hù)的發(fā)展方向。

1　飛機(jī)結(jié)冰的內(nèi)涵

依據(jù)飛機(jī)所處狀態(tài)的不同,飛機(jī)結(jié)冰包括地面結(jié)冰和飛行中結(jié)冰。

地面結(jié)冰是指在地面停放或起飛滑跑階段,由于降水或外部氣溫較低等原因,飛機(jī)表面產(chǎn)生結(jié)冰或霜凍的現(xiàn)象。通常機(jī)械師在進(jìn)行地面檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)冰情況時(shí),應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行地面除冰,飛機(jī)帶冰或帶雪起飛極易在爬升階段發(fā)生嚴(yán)重飛行事故。如2004年11月從包頭飛往上海的MU5211次航班起飛后不久即失速墜毀,調(diào)查發(fā)現(xiàn)飛機(jī)夜間在室外停放結(jié)霜,起飛前未進(jìn)行除冰。

飛行中結(jié)冰是指在飛行過程中飛機(jī)迎風(fēng)面產(chǎn)生積冰的現(xiàn)象。機(jī)組成員需及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的異常響應(yīng),綜合天氣、飛行狀態(tài)、飛機(jī)響應(yīng)、飛機(jī)表面結(jié)冰情況等因素，準(zhǔn)確判斷并及時(shí)進(jìn)行防、除冰操作。尤其是在起飛、降落、穿越云層等飛行階段易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,且該階段時(shí)間較短、飛行員操縱動(dòng)作復(fù)雜,更容易發(fā)生嚴(yán)重的飛行事故,如2006年6月某型運(yùn)輸機(jī)在多次穿越結(jié)冰區(qū)后平尾失速墜毀。飛行中結(jié)冰占據(jù)結(jié)冰引起的飛行事故的92%,是飛機(jī)結(jié)冰問題研究的重點(diǎn)。

當(dāng)前關(guān)于飛機(jī)結(jié)冰的研究方向較多,主要包括結(jié)冰的形成機(jī)理與過程、冰形的預(yù)測、結(jié)冰對(duì)氣動(dòng)特性的影響、結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行性能和飛行品質(zhì)的影響、結(jié)冰后的飛行仿真，以及結(jié)冰條件下的邊界保護(hù)與容冰控制方法研究等。

2　飛機(jī)結(jié)冰的機(jī)理

2.1結(jié)冰條件

大氣中的云是水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)后形成的,其主要組成成分是小水滴和小冰晶,小水滴在溫度低于0℃時(shí),與冰核結(jié)合形成小冰晶。當(dāng)云中冰核數(shù)量不足時(shí),會(huì)存在溫度低于0℃的小水滴,稱為過冷水滴。在氣溫高于-15℃時(shí),云中有效的冰核數(shù)量很少,因此這時(shí)云中很容易存在大量過冷水滴。而在溫度低于-40℃之后,過冷水滴的凍結(jié)不需要冰核,云中將不存在過冷水滴。大量過冷水滴與飛機(jī)相撞是飛機(jī)結(jié)冰的主要條件。

2.2結(jié)冰過程

飛機(jī)結(jié)冰主要有三種原因:一是空氣中存在過冷水滴,與飛機(jī)迎風(fēng)面發(fā)生碰撞,水滴發(fā)生相變而結(jié)冰;二是空氣中的冰晶與物體發(fā)生碰撞而結(jié)冰;三是表面溫度較低的飛機(jī)進(jìn)入溫暖潮濕的環(huán)境中,易發(fā)生結(jié)冰。

飛行中的結(jié)冰大部分是由于過冷水滴碰撞在飛機(jī)表面而產(chǎn)生的。飛機(jī)在飛行過程中,空氣受到飛機(jī)迎風(fēng)面的阻礙,改變?cè)鲌隼@過阻礙。而空氣中的過冷水滴,因慣性相對(duì)較大,不易繞開阻礙而與飛機(jī)迎風(fēng)面發(fā)生碰撞。部分過冷水滴因碰撞而返回到空氣中,另一部分附著在飛機(jī)表面。附著在飛機(jī)表面上的過冷水滴一部分發(fā)生結(jié)冰,另一部分沿飛機(jī)表面向后流動(dòng),如圖1所示。

圖1　過冷水滴撞擊飛機(jī)表面示意圖Fig.1　Striking of supercooled-water droplets on the wing

2.3冰型種類

不同的氣象條件和飛行條件導(dǎo)致的結(jié)冰類型也不一樣。根據(jù)積冰物理過程，冰型可分為:霜冰、明冰、混合冰、積霜和干積冰。其中,積霜和干積冰是冰晶沉積在部件表面而形成的積冰,該類型的積冰在飛機(jī)飛行過程中極少發(fā)生,在飛機(jī)停放階段可能發(fā)生,一般要求飛機(jī)在清除積霜和干積冰后才能夠起飛,對(duì)飛機(jī)飛行階段影響不大,故本文對(duì)此不做重點(diǎn)分析。圖2所示為霜冰、明冰和混合冰。

圖2　飛機(jī)結(jié)冰種類Fig.2　Aircraft icing category

霜冰是機(jī)體表面形成的較為粗糙、不透明、質(zhì)地稀松的冰層,因結(jié)冰形狀與地面積霜類似而得名。在溫度為-20℃左右的云層中,過冷水滴體積較小、數(shù)量較少,與飛機(jī)迎風(fēng)面碰撞后迅速凍結(jié),幾乎能夠保持水滴的形狀,因此所聚積形成的冰層質(zhì)地粗糙,而且各冰粒之間存在空隙,因此冰層質(zhì)地稀松、不透明。此外,當(dāng)飛機(jī)從溫度很低的高空迅速下降到溫暖潮濕的高度層,或從溫度較低的機(jī)場起飛穿越逆溫層時(shí),機(jī)體溫度低于露點(diǎn),大氣中的未飽和空氣在較冷的機(jī)體表面可直接凝華形成霜冰。因?yàn)樗纱嗟奶攸c(diǎn),在機(jī)體增溫后可清除。若機(jī)體表面溫度低于露點(diǎn),霜冰將一直存在。雖然霜冰厚度較小,但依然會(huì)對(duì)機(jī)體周圍的流場產(chǎn)生影響。若風(fēng)擋前產(chǎn)生霜冰,則會(huì)影響目視飛行?？傮w而言,霜冰對(duì)飛行安全的危害較小。

明冰是機(jī)體表面形成的透明、光滑、質(zhì)地堅(jiān)固的冰層。在飛機(jī)穿越包含較大過冷水滴的云層或溫度為0～10℃的雨中時(shí),溫度較高、水滴較大、凍結(jié)過程較慢,在水滴碰撞機(jī)體后并沒有全部凍結(jié)在相碰處,部分水滴沿著氣流向后蔓延并逐步凍結(jié)。該類冰型凍結(jié)得相對(duì)牢固,且聚積的速度較快,除冰設(shè)備往往也難以快速清除干凈;因其外形復(fù)雜,嚴(yán)重破壞了飛機(jī)的氣動(dòng)外形，擾亂了機(jī)體表面的流場,因此對(duì)飛行安全構(gòu)成較大的危害。

混合冰又稱毛冰,其兼顧了霜冰和明冰的特點(diǎn)。在溫度為-5～-15℃的云層中,同時(shí)存在著大小不一的過冷水滴,因此形成的積冰同時(shí)兼?zhèn)淞舜笏闻c小水滴凍結(jié)的特征。該溫度條件下的云中可能含有冰晶。由于過冷水滴與冰晶一起凍結(jié),故可形成表面較為粗糙的不透明混合冰?；旌媳砻娲植诓黄?、形狀復(fù)雜,可嚴(yán)重破壞結(jié)冰部位附近的流場,同時(shí)又具備明冰凍結(jié)較為牢固的特點(diǎn),所以對(duì)飛行安全的影響不亞于明冰。此外,根據(jù)結(jié)冰的幾何形狀,冰型可分為:粗糙度冰、角狀冰、流向冰和冰脊,如圖3所示。根據(jù)結(jié)冰部件,冰型可分為:機(jī)翼結(jié)冰、風(fēng)擋玻璃結(jié)冰、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰和平尾結(jié)冰等。

圖3　機(jī)翼結(jié)冰的幾何形狀Fig.3　Icing shapes on a wing

3　結(jié)冰的主要影響因素和參數(shù)

影響飛機(jī)結(jié)冰量、結(jié)冰范圍和結(jié)冰形狀的因素有很多,當(dāng)前公認(rèn)的主要因素包括三個(gè)方面:飛機(jī)幾何構(gòu)型、飛行氣象條件和飛機(jī)飛行狀態(tài)等。飛機(jī)幾何構(gòu)型包括飛機(jī)布局、外形、尺寸等,特別是機(jī)翼前緣等主要迎風(fēng)面的幾何構(gòu)型;飛行氣象條件包括云層范圍、高度和溫度、液態(tài)水含量(LWC)、平均水滴有效直徑(MVD)等;飛機(jī)飛行狀態(tài)包括飛行速度、飛行高度、飛機(jī)姿態(tài)(主要是迎角、側(cè)滑角)等。

(1)飛機(jī)幾何構(gòu)型:在外部結(jié)冰條件相同時(shí),前緣半徑越小的翼型最大局部收集效率越高。因此,較薄的翼型結(jié)冰速度更快,導(dǎo)致結(jié)冰更嚴(yán)重,如同一架飛機(jī)平尾結(jié)冰的厚度可達(dá)到其機(jī)翼的2～3倍[2]。此外,部件表面的光潔程度也影響結(jié)冰的速率。當(dāng)部件表面較為粗糙時(shí),其捕獲凍結(jié)水滴的效率更高,粗糙顆粒相當(dāng)于前緣半徑很小的水滴收集器。

(2)飛行氣象條件:中國民用航空規(guī)章25部第4版(CCAR-25R4)附錄C[3]規(guī)定了連續(xù)最大和間斷最大兩種大氣結(jié)冰狀態(tài),結(jié)冰強(qiáng)度由飛機(jī)所處云層空氣溫度、液態(tài)水含量和平均水滴有效直徑三個(gè)變量共同決定,并探討了連續(xù)最大與間斷最大結(jié)冰條件下溫度與壓力高度的變化關(guān)系,依據(jù)結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分了溫度-高度范圍。該附錄中參數(shù)是研究飛機(jī)結(jié)冰問題的基本依據(jù)。

(3)飛機(jī)飛行狀態(tài):飛行速度增大,單位時(shí)間內(nèi)撞擊部件的過冷水滴數(shù)量增加,會(huì)使結(jié)冰強(qiáng)度增大,但當(dāng)飛行速度超過結(jié)冰極限時(shí),氣動(dòng)力加熱作用會(huì)使部件表面不再結(jié)冰;大部分結(jié)冰發(fā)生在高度1～6 km之間,最容易發(fā)生在3 km左右,而低于1 km或高于10 km之后,結(jié)冰較少;飛行姿態(tài)決定了空氣流中飛機(jī)的迎風(fēng)部位。當(dāng)飛機(jī)迎角增大,直接接觸來流的飛機(jī)部件面積增大,而對(duì)于來流,飛機(jī)機(jī)身變厚,一方面使得過冷水滴的收集效率降低,另一方面使得過冷水滴的收集區(qū)域增大,結(jié)冰量增加與否取決于兩者的共同作用。

通常選取結(jié)冰強(qiáng)度和結(jié)冰程度兩個(gè)結(jié)冰參數(shù)定量描述不同結(jié)冰條件下的結(jié)冰特性。

結(jié)冰強(qiáng)度是結(jié)冰對(duì)飛行安全危害程度的度量,通常選用結(jié)冰速度(冰在機(jī)體表面形成的速度)來衡量。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)單位面積上的積冰量可將結(jié)冰強(qiáng)度劃分為弱結(jié)冰、輕度結(jié)冰、中度結(jié)冰及強(qiáng)結(jié)冰,其對(duì)應(yīng)的結(jié)冰速率分別為(<0.6,0.6～0.1,0.1～2.0,>2.0)mm/min。弱結(jié)冰一般不會(huì)對(duì)飛行安全造成威脅,通常不需要使用防、除冰裝置,除非長時(shí)間在該環(huán)境下飛行;輕度和中度結(jié)冰情況下，需要開啟防、除冰裝置以消除安全隱患;而一旦發(fā)現(xiàn)強(qiáng)結(jié)冰,機(jī)載防、除冰系統(tǒng)一般難以很好地消除威脅,飛機(jī)性能持續(xù)惡化,往往需要強(qiáng)制改變航線,規(guī)避結(jié)冰環(huán)境。

結(jié)冰強(qiáng)度不能完全反映飛機(jī)結(jié)冰的嚴(yán)重程度,在一定結(jié)冰強(qiáng)度下,結(jié)冰量的大小還取決于飛機(jī)在結(jié)冰環(huán)境下的飛行時(shí)間。為使飛行員判斷飛出危險(xiǎn)區(qū)域前結(jié)冰的威脅程度,需引入新的結(jié)冰參數(shù)——結(jié)冰程度。結(jié)冰程度是指飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行總時(shí)間內(nèi),部件表面所結(jié)冰層的最大厚度,由結(jié)冰強(qiáng)度和飛機(jī)在結(jié)冰環(huán)境下飛行總時(shí)間共同決定,結(jié)冰程度可劃分為弱、輕度、中度和強(qiáng),其值分別對(duì)應(yīng)(0.1～5.0,5.1～15.0,15.1～30.0,>30.0) mm。

4　結(jié)冰的影響分析

結(jié)冰的部位、類型和程度都是積冰程度的重要影響因素,其共同決定了積冰對(duì)飛行安全的危害程度。飛機(jī)迎風(fēng)面上的所有部件在飛行中都有可能結(jié)冰,通常容易結(jié)冰的部位包括:機(jī)翼前緣、尾翼、螺旋槳、旋翼和機(jī)頭罩、進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)唇口、風(fēng)擋、天線及傳感器等。不同部位、類型和程度的結(jié)冰對(duì)飛行安全的威脅方式和程度不同,機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)和空速管等部位的結(jié)冰往往對(duì)飛行安全構(gòu)成較大的危害。下面結(jié)合誘發(fā)原因、飛行性能、操縱性能和典型事例4個(gè)方面，分析各部件結(jié)冰對(duì)飛行安全的影響。

機(jī)翼和尾翼都是飛機(jī)的主要升力面,結(jié)冰主要發(fā)生在舵面前緣,破環(huán)舵面的流線外形,附面層提前轉(zhuǎn)戾,氣流提前分離,使得機(jī)翼和尾翼升力系數(shù)下降,阻力系數(shù)增大,表1給出了不同粗糙度下飛機(jī)最大升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化情況[2]。結(jié)冰致使翼型失真,飛機(jī)空氣動(dòng)力性能下降,不僅升力降低、阻力增大,而且失速速度增大、失速迎角減小、飛行包線范圍縮小,飛行性能和飛行品質(zhì)惡化。由于結(jié)冰破壞了飛機(jī)的設(shè)計(jì)流場,鉸鏈力矩和操縱導(dǎo)數(shù)異常變化,操縱舵面的效率也將降低,可誘發(fā)“海豚跳”,嚴(yán)重時(shí)致使飛機(jī)失去控制;若舵面間的縫隙積冰,不僅可能破壞操縱舵面,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成舵面卡死,導(dǎo)致無法操縱。尤其是平尾結(jié)冰,當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近著陸放大襟翼角度時(shí),氣流下洗作用增強(qiáng),極易導(dǎo)致實(shí)際迎角超出平尾的失速迎角,使平尾的負(fù)升力嚴(yán)重降低甚至消失,引發(fā)飛行事故。同樣,垂尾結(jié)冰使得垂尾臨界迎角減小,飛機(jī)修正側(cè)風(fēng)能力降低,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致反操縱。

表1　機(jī)翼表面沉積物粗糙度的影響Table1　Effectofsedimentroughnessonwingsurface

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道、動(dòng)力裝置等在結(jié)冰條件下均會(huì)產(chǎn)生積冰。當(dāng)飛機(jī)穿越存在過冷水滴的云層時(shí),若外部溫度低于0℃,則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道就可能發(fā)生積冰。若進(jìn)氣道冰層凍結(jié)較厚,則可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少,進(jìn)氣道速度場分布不均勻,引發(fā)氣流局部分離,發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降、功率降低,飛行員推油門,發(fā)動(dòng)機(jī)沒有反應(yīng),單純?cè)黾佑土恳巡荒苄纬烧_的油氣混合比,易引發(fā)核心機(jī)出現(xiàn)故障或造成發(fā)動(dòng)機(jī)富油熄火;結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)可引起壓氣機(jī)喘振;若出現(xiàn)冰層冰塊脫落,吸入壓氣機(jī)內(nèi),則可打傷或打壞葉片,造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞甚至是空中停車。飛行實(shí)踐顯示,當(dāng)外界溫度低于5℃時(shí),由于流經(jīng)進(jìn)氣口空氣的膨脹冷卻作用,溫度可降低幾度,即使飛機(jī)其他部位尚未結(jié)冰,噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處也可能發(fā)生結(jié)冰[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)處防、除冰裝置開啟時(shí)間也很關(guān)鍵,開啟過早,發(fā)動(dòng)機(jī)引氣過多,導(dǎo)致推力降低;開啟過晚,易導(dǎo)致冰層冰塊脫落,打傷壓氣機(jī)葉片。因此,要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口防、除冰問題給予足夠的重視。

空速管結(jié)冰造成動(dòng)靜壓失準(zhǔn),對(duì)于依據(jù)動(dòng)靜壓參數(shù)改變操縱系統(tǒng)傳動(dòng)比的飛機(jī),失準(zhǔn)的動(dòng)靜壓可造成操縱系統(tǒng)傳動(dòng)比異常變化,飛機(jī)空速失真,飛行狀態(tài)異常,飛行員不能獲得準(zhǔn)確信息而無法操作?？账俟芊e冰也會(huì)導(dǎo)致部分飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)斷開,引發(fā)相關(guān)告警系統(tǒng)工作?？账俟芡ǔＩ斐鲲w機(jī)表面,管上動(dòng)壓孔和靜壓孔較小,結(jié)冰條件下飛行易被冰晶堵塞。同樣,迎角傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等是為飛行員提供必需的飛行參數(shù)的傳感器,一旦結(jié)冰,也將導(dǎo)致儀表、儀器指示失真。如空客A330飛機(jī)曾遇到高空冰晶堵塞空速管,機(jī)組成員無法獲取真實(shí)空速等數(shù)據(jù)信息,導(dǎo)致操縱錯(cuò)誤引發(fā)重大空難。

同樣,飛機(jī)其他部位結(jié)冰也將對(duì)飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。風(fēng)擋玻璃結(jié)冰將導(dǎo)致飛行員目測飛行困難,對(duì)起飛和著陸階段影響重大。機(jī)載天線設(shè)備結(jié)冰,可發(fā)生機(jī)械折斷,導(dǎo)致電子設(shè)備或通訊設(shè)備失靈。機(jī)體結(jié)冰增加了飛機(jī)的重量,改變了飛機(jī)的重心,破壞了原有的氣動(dòng)性能,同時(shí)飛機(jī)所需推力和升力均增大,相同飛行條件下,需加大發(fā)動(dòng)機(jī)推力,增大耗油量,使得飛機(jī)航程、航時(shí)減小;機(jī)體結(jié)冰導(dǎo)致飛機(jī)需用推力曲線上移,可用推力曲線下移,飛機(jī)最大平飛速度減小,受平飛失速速度影響的最小平飛速度增大,飛機(jī)可用速度范圍嚴(yán)重縮小。

5　防、除冰方法

飛機(jī)結(jié)冰對(duì)飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響,為了預(yù)防和除掉積冰,依據(jù)不同部位對(duì)積冰的敏感程度,當(dāng)前主要采用防冰系統(tǒng)和除冰系統(tǒng)兩種措施。防冰系統(tǒng)是指在對(duì)積冰敏感的飛機(jī)部件上布置的預(yù)防結(jié)冰的系統(tǒng),以確保在任何氣象條件下,受保護(hù)部件不產(chǎn)生積冰;除冰系統(tǒng)是允許飛機(jī)部件產(chǎn)生一定量的積冰,后期可將其清除掉的系統(tǒng)。防、除冰方式多樣,依據(jù)使用能源的不同可分為機(jī)械除冰、液體防冰、氣熱防(除)冰、電熱防(除)冰等。

機(jī)械除冰是指通過防護(hù)區(qū)域的蒙皮振動(dòng)使得防冰表面的冰層松動(dòng)、斷裂而脫離,經(jīng)由高速氣流把破碎的冰塊吹除。通常,引發(fā)蒙皮振動(dòng)的方式有:在防護(hù)區(qū)域下鋪設(shè)膠皮管間斷充氣、放氣,利用膠皮管的彈性形變引發(fā)蒙皮振動(dòng);利用超聲波發(fā)生裝置引發(fā)蒙皮周期性振動(dòng);利用由釋放靜電能產(chǎn)生高能量的電脈沖引發(fā)蒙皮在彈性變形范圍內(nèi)的快速鼓動(dòng)[5]。由于該除冰方式對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能影響較大,目前已很少采用。

液體防冰包括地面和飛行中兩種方式。地面液體防冰是指地勤人員使用地面除冰車對(duì)機(jī)身噴涂防冰液,使得機(jī)身形成一層薄膜,水與防冰液混合后冰點(diǎn)降低，不易在機(jī)體表面結(jié)冰。飛行中液體防冰是指在防護(hù)區(qū)域噴出防冰液,經(jīng)由氣流作用或螺旋槳旋轉(zhuǎn)的離心作用,均勻地將防冰液涂抹在待防護(hù)區(qū),與過冷水滴混合后降低其冰點(diǎn)。通常采用乙烯乙二醇、異丙醇、乙醇、甲醇等低凝固點(diǎn)的液體作防冰液。使用液體防冰,不會(huì)在部件防冰區(qū)域后形成冰瘤,且停止供液后仍具有短時(shí)的防冰作用,民用機(jī)場多采用地面防冰技術(shù)。對(duì)于飛行中液體防冰技術(shù),由于防冰液消耗量大、系統(tǒng)重量大，且噴液孔易堵塞、維護(hù)復(fù)雜,目前已很少采用。

氣熱防、除冰是指利用熱空氣加熱飛機(jī)待防護(hù)部件表面的熱力防、除冰技術(shù)。噴氣式飛機(jī)常從壓氣機(jī)處引氣作熱源;活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)多用汽油加溫器等加熱沖壓空氣作熱氣源。氣熱防冰依據(jù)加熱效果可分為“干防冰”和“濕防冰”兩種?！案煞辣笔侵笇?duì)待保護(hù)區(qū)域持續(xù)加熱，保持待保護(hù)區(qū)無結(jié)冰現(xiàn)象或?qū)⒁研纬傻姆e冰清除干凈;“濕防冰”是指連續(xù)加熱不能使保護(hù)區(qū)域收集的全部水量蒸發(fā)的防護(hù)手段?！案煞辣毙枰獰崃枯^大,多用于不允許產(chǎn)生冰瘤的區(qū)域,如發(fā)動(dòng)機(jī)前緣、掛架等處;“濕防冰”需要熱量較少,易在除冰面后形成冰瘤,防護(hù)表面呈流濕狀態(tài),多用于存在少量冰瘤而不嚴(yán)重影響飛行安全的部位,如機(jī)翼、尾翼、風(fēng)擋等。氣熱防、除冰需從壓氣機(jī)等處引氣,設(shè)備復(fù)雜且不易進(jìn)行周期性精確控制,若結(jié)冰較為嚴(yán)重,需引出大量氣體而易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)供氣不足。如MD-82飛機(jī)機(jī)翼和尾翼防、除冰均采用從壓氣機(jī)引氣進(jìn)行氣熱除冰,為預(yù)防引氣過多導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,規(guī)定機(jī)翼和尾翼交替除冰[6]。

電熱防、除冰是指將電能轉(zhuǎn)化為熱能,通過電加熱對(duì)防護(hù)區(qū)域進(jìn)行加熱的防、除冰技術(shù)。電熱防冰技術(shù)有連續(xù)加熱和間斷加熱兩種。對(duì)不允許積冰或耗電量較小的部件,采用連續(xù)加熱,如風(fēng)擋、空速管等;對(duì)允許少量積冰或加熱耗電量較大的部件,采用周期式加熱,如機(jī)翼和尾翼等。電熱防冰因其操作簡易、動(dòng)力損失小、加熱均勻、效果顯著、響應(yīng)較快,且對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能影響較小,是目前使用最為廣泛的防、除冰技術(shù)。當(dāng)前飛機(jī)智能除冰技術(shù)主要聚焦在熱力除冰,特別是電熱系統(tǒng)除冰,因?yàn)殡姛岢夹g(shù)與機(jī)械或化學(xué)除冰技術(shù)相比,便于數(shù)值模擬和精確控制,也便于設(shè)計(jì)模塊化除冰軟件,因此是飛機(jī)防、除冰研究的一個(gè)重要趨勢。

6　飛機(jī)結(jié)冰保護(hù)的發(fā)展趨勢

機(jī)體結(jié)冰導(dǎo)致飛機(jī)飛行性能降低,穩(wěn)定性和操縱性惡化,飛行包線嚴(yán)重縮小,嚴(yán)重威脅飛行安全。早期的防、除冰技術(shù)研究致力于如何預(yù)防和消除機(jī)體結(jié)冰,但由于防、除冰系統(tǒng)耗能較高,機(jī)體可能結(jié)冰區(qū)域大,部分結(jié)冰區(qū)域不易觀察等因素,導(dǎo)致防、除冰技術(shù)不可能完全達(dá)到預(yù)期的效果,帶冰飛行不可避免。因此,在防、除冰技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,如何提高飛機(jī)容冰安全飛行能力是目前結(jié)冰研究問題的一個(gè)發(fā)展方向。飛機(jī)容冰能力是指飛機(jī)在出現(xiàn)一定程度的結(jié)冰后,能夠保持一定安全裕度飛行的能力。

Bragg教授等[7]于1998年首次提出了飛機(jī)智能防冰系統(tǒng)(Smart Icing System,SIS)。其研究思路是：實(shí)時(shí)探測飛機(jī)的結(jié)冰情況和防、除冰系統(tǒng)的工作情況,快速分析結(jié)冰的種類和程度,評(píng)估結(jié)冰對(duì)飛行性能、穩(wěn)定性和操縱性的影響程度以及飛機(jī)容冰飛行的能力,及時(shí)向飛行員提供結(jié)冰信息和告警信息,自動(dòng)適當(dāng)修改控制律,確保飛機(jī)在新的飛行包線內(nèi)安全飛行。世界各國也在積極尋求其他防、除冰技術(shù)。在多學(xué)科融合的基礎(chǔ)上,探索新型結(jié)冰防護(hù)材料,如德國研制出了一種魚蛋白涂料,涂在飛機(jī)機(jī)翼表面可有效防止飛機(jī)高空結(jié)冰。

7　結(jié)束語

雖然目前對(duì)飛機(jī)結(jié)冰問題的研究取得了一定的進(jìn)展,但由結(jié)冰引起的飛行事故仍時(shí)有發(fā)生。對(duì)飛機(jī)結(jié)冰的條件、過程、種類以及結(jié)冰對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性和操縱性的影響等問題的機(jī)理研究急需繼續(xù)探索。飛機(jī)防、除冰技術(shù)和方法、飛機(jī)結(jié)冰告警、飛行邊界保護(hù)以及容冰飛行等應(yīng)用研究仍需進(jìn)一步挖掘研究。氣象條件預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)天氣告警機(jī)制等相關(guān)研究也有待進(jìn)一步開發(fā)完善。

[1]Safety Advisor.Aircraft icing [EB/OL].(2013-05-01)[2015-09-25].http://www.aopa.org/-/media/Files/AOPA/Home/Pilot%20Resources/ASI/Satety%20Adivi-sors/sall.pdf.

[2]Thomas J V.Overview and risk assessment of icing for transport category aircraft and components[R].AIAA-2002-0811,2002.

[3]中國民用航空總局.運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn):CCAR-25-R4附錄C[S].北京:中國民用航空總局,2011.

[4]Federal Aviation Administration.Aircraft ice protection:AC20-73[S].USA:FAA,2006.

[5]劉星. 機(jī)翼積冰對(duì)飛行安全的影響[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[6]張寶霖.從飛行事故看MD-90防冰系統(tǒng)的改進(jìn)[J].國際航空,1998(5):64-65.

[7]Bragg M B,Basar T,Perkins W R,et al.Smart icing systems for aircraft icing safety[R].AIAA-2002-0813,2002.

(編輯：姚妙慧)

Research on flight safety effect mechanism and protection for aircraft icing

LI Zhe, XU Hao-jun, XUE Yuan, WANG Xiao-long

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

Disastrous airplane accident happened frequently due to icing on the airplane, which is a lethal threat factor to flight safety. Aircraft icing conditions, process and types are analyzed based on the exploration of its formation mechanism. Key points for aircraft icing are emphasized, and main factors and parameters which influence the aircraft icing are analyzed. Threaten mechanism on flight performance, stability and controllability for different icing positions is deeply analyzed. Anti-icing and de-icing technologies and methods are summarized and future focus for aircraft icing protection is discussed.

aircraft icing; flight safety; flight performance; de-icing; ice-tolerant

2015-09-25;

2016-04-07; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-04-22 09:52

國家自然科學(xué)基金資助(61374145，61503406)；國家“973”計(jì)劃基金資助(2015CB/755802)

李哲(1989-)，男，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生，研究方向?yàn)轱w行仿真與飛行安全。

V212.1

A

1002-0853(2016)04-0010-05