趙鐵英
摘要:嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件是指FAR25部第140號(hào)修正案(Amdt.25-140)給出的結(jié)冰氣象條件,美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)、歐洲航空安全局(EASA)和中國(guó)民用航空局(CAAC)均建議并計(jì)劃對(duì)航空器實(shí)施該類結(jié)冰氣象條件下的適航性要求。本文重點(diǎn)介紹了該修正案中提出的結(jié)冰氣象條件中各相關(guān)氣象參數(shù)的要求和規(guī)定,并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了初步研究。同時(shí)還探討了在嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件下飛機(jī)機(jī)翼前緣臨界冰形的確定方法。
關(guān)鍵詞:結(jié)冰氣象條件,臨界冰形;過(guò)冷大水滴
中圖分類號(hào):V212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí),在飛機(jī)的迎風(fēng)表面會(huì)形成冰積聚,即飛機(jī)發(fā)生結(jié)冰。飛機(jī)的表面結(jié)冰會(huì)破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形,降低飛機(jī)的升阻比,威脅飛機(jī)的飛行安全。
以往(FAR25部第140修正案(Amdt.25-140修正案頒布之前)開(kāi)展民用航空器結(jié)冰研究時(shí)采用的結(jié)冰氣象條件通常是中國(guó)民用航空規(guī)章第25部R4版中附錄C規(guī)定的“連續(xù)最大結(jié)冰”和“間斷最大結(jié)冰”結(jié)冰條件,涉及到的最大平均水滴直徑在50μm以下。Amdt.25-140修正案對(duì)民用飛機(jī)結(jié)冰的氣象條件提出了更加嚴(yán)酷的條件[1],要求將在飛機(jī)表面形成結(jié)冰的云層中的液態(tài)水滴直徑尺寸最大增大到1000μm,并計(jì)劃在未來(lái)的25部適航規(guī)章中增加25.1420條和附錄O(主要是過(guò)冷大水滴)等相應(yīng)的適航性要求。這些適航性要求對(duì)從事飛機(jī)結(jié)冰研究的技術(shù)人員而言是新的要求,也是較為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此,應(yīng)盡早開(kāi)展相關(guān)的研究,掌握滿足相關(guān)適航性要求的設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證方法,促進(jìn)國(guó)內(nèi)民用航空器防除適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)的快速發(fā)展。
1 常規(guī)結(jié)冰氣象條件
在美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)正式頒布Amdt.25-140《飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)合格審定要求:過(guò)冷大水滴、混合相、冰晶結(jié)冰氣象條件》修正案之前,關(guān)于運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)冰氣象條件的規(guī)定,依據(jù)的均是FAR25部的附錄C第I部分“大氣結(jié)冰條件”。在該附錄中對(duì)需要進(jìn)行結(jié)冰影響符合性驗(yàn)證的飛機(jī),影響其結(jié)冰速率、結(jié)冰量及結(jié)冰形狀的氣象條件主要是指云層液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三類氣象條件變量[2]。
1.1 連續(xù)最大結(jié)冰
大氣結(jié)冰狀態(tài)的連續(xù)最大強(qiáng)度(連續(xù)最大結(jié)冰)由云層(主要為層云結(jié)構(gòu))液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三個(gè)變量決定。在該結(jié)冰氣象條件適用范圍是:氣壓高度從海平面到6700m高度處;最大云層垂直厚度為1980m;云層覆蓋的水平標(biāo)準(zhǔn)距離為32.22km(大于該距離可用系數(shù)進(jìn)行修正)。具體到前面提到的三個(gè)變量,其取值范圍為液態(tài)水含量為0.0~0.8g/m3;平均有效水滴直徑為15~40μm;結(jié)冰溫度范圍為-30~0℃。
1.2 間斷最大結(jié)冰
大氣結(jié)冰狀態(tài)的間斷最大強(qiáng)度(間斷最大結(jié)冰)由云層(主要為積云結(jié)構(gòu))液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三個(gè)變量決定。在該結(jié)冰氣象條件適用范圍是:氣壓高度1200~6700m;由于積云的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),最大間斷強(qiáng)度結(jié)冰條件未規(guī)定最大云層垂直厚度;云層覆蓋的水平標(biāo)準(zhǔn)距離為4.82km(大于該距離可用系數(shù)進(jìn)行修正)。具體到前面提到的三個(gè)變量,其取值范圍為液態(tài)水含量為0~3.0g/m3;平均有效水滴直徑為15~50μm;結(jié)冰溫度范圍為-40°F(-40℃)~26°F(-3.33℃)。
1.3 最大起飛結(jié)冰
起飛時(shí)最嚴(yán)重的結(jié)冰條件(最大起飛結(jié)冰)為云中水含量0.35g/m3,平均水滴直徑20μm,地面環(huán)境溫度-9℃。最大起飛條件從地面延伸到起飛表面上457m的高度。
1.4 各種參數(shù)對(duì)結(jié)冰情況的影響
上述結(jié)冰氣象條件影響的主要是結(jié)冰速率,對(duì)結(jié)冰量和結(jié)冰形狀進(jìn)行研究時(shí)還需要增力口結(jié)冰時(shí)間、迎角和飛行速度等參數(shù)[3]。上述參數(shù)對(duì)飛機(jī)結(jié)冰冰形的影響及關(guān)系如下:(1)當(dāng)云層的液態(tài)水含量與時(shí)間的乘積為常數(shù)時(shí),結(jié)冰的冰形和厚度不變;(2)當(dāng)水滴直徑、液態(tài)水含量、環(huán)境溫度和迎角固定時(shí),結(jié)冰的冰形隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚;(3)當(dāng)上述參數(shù)固定,而速度和時(shí)間的乘積為常數(shù)時(shí),結(jié)冰厚度不變,但形狀不同;(4)當(dāng)水滴直徑、液態(tài)水含量、環(huán)境溫度和時(shí)間固定,而改變迎角時(shí),會(huì)得到完全不同的冰形,機(jī)翼翼型駐點(diǎn)也會(huì)發(fā)生明顯的改變。
2 嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件
在FAA的Amdt25-140修正案頒布之前,最嚴(yán)酷的結(jié)冰氣象條件為FAR25部附錄C中規(guī)定的“間斷最大結(jié)冰”,其最大的液態(tài)水含量可達(dá)到3.0g/m3,最大水滴直徑可大50μm。但這樣的氣象條件已經(jīng)無(wú)法完全涵蓋已知的結(jié)冰氣象條件的范圍。在Amdt25-140修正案中給出的附錄O中對(duì)目前為止最嚴(yán)酷的結(jié)冰氣象條件進(jìn)行了規(guī)定,最嚴(yán)酷的結(jié)冰氣象條件即過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件包括發(fā)生于層云中或?qū)釉葡碌膬雒旰蛢鲇?,其最大的水滴直徑的極限可達(dá)1000μm以上。
2.1 凍毛毛雨結(jié)冰氣象條件
凍毛毛雨結(jié)冰氣象條件的最大水滴直徑處于100~500μm范圍內(nèi);壓力高度范圍為0~7600m(基于平均海平面的高度);云層的最大垂直范圍為3660m;水平范圍為32.22km;液態(tài)水含量最大為0.44g/m3;環(huán)境溫度范圍為-25~0℃,如圖1~圖3所示。
2.2 凍雨結(jié)冰氣象條件
凍雨結(jié)冰氣象條件的最大水滴直徑處于大于500μm;壓力高度范圍為0~3660m(基于平均海平面的高度);云層的最大垂直范圍為2130m;水平范圍仍為3222km;液態(tài)水含量最大為0.31g/m3,環(huán)境溫度范圍為-3~0℃,如圖4~圖6所示。
2.3 水平范圍的確定
對(duì)于水平范圍非標(biāo)準(zhǔn)距離32.22km的凍毛毛雨和凍雨的液態(tài)水含量,用下列方法確定:用圖1或圖4的液態(tài)水含量值乘以圖7的系數(shù)。系數(shù)用下列方程確定:
S=1.266-0.213log10(H/1.852)式中:S為液體水含量比例因子(無(wú)量綱);H為水平范圍,單位為kn。
3 嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件下臨界冰形的確定
對(duì)適航審定結(jié)冰情況的飛機(jī),如果其最大起飛總重量低于600001b(11b=0.454kg)或有直接力反饋飛行操縱系統(tǒng),則需按嚴(yán)酷氣象條件進(jìn)行結(jié)冰符合性驗(yàn)證,其他情況則可仍按25部附錄C的結(jié)冰氣象條件驗(yàn)證結(jié)冰條件下的條款符合性。開(kāi)展結(jié)冰對(duì)飛機(jī)的每個(gè)飛行階段的性能和操縱品質(zhì)的影響的分析和評(píng)估,需采用最臨界的冰積聚情況,即采用臨界冰形來(lái)表明飛機(jī)在B分部相應(yīng)條款在結(jié)冰條件下的符合性。
3.1 起飛形態(tài)下的臨界冰形的確定
按25.1420(a)(2)或(3)審定的飛機(jī)需考慮起飛形態(tài)下的臨界冰形,起飛形態(tài)下的結(jié)冰分為兩個(gè)階段,一是起飛結(jié)冰,另一個(gè)為起飛最后階段結(jié)冰,具體的確定要求如下:
(1)起飛結(jié)冰
起飛結(jié)冰發(fā)生在從起飛距離末端(即飛機(jī)速度達(dá)到安全起飛速度,飛機(jī)距離起飛表面10.7m高度那一點(diǎn))到高于起飛表面122m之間的飛行階段,并假定起飛結(jié)冰為按附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰條件下始于起飛末端的冰積聚。必須假定在飛機(jī)達(dá)到高于起飛表面122m前不會(huì)采取動(dòng)作啟動(dòng)防冰系統(tǒng)[4]。
(2)起飛最后階段結(jié)冰
起飛最后階段結(jié)冰為從高于在起飛表面122m到高于起飛表面457m或完成從起飛構(gòu)型到航路構(gòu)型轉(zhuǎn)變的高度或飛機(jī)達(dá)到最終起飛速度VFTO時(shí)的高度,這三個(gè)高度中取大者。假定冰積聚開(kāi)始于起飛距離末端,結(jié)冰條件按附錄Opart Ⅰ的定義。必須假定在飛機(jī)達(dá)到高于起飛表面122m前不會(huì)采取動(dòng)作啟動(dòng)防冰系統(tǒng)。
3.2 航路形態(tài)下的臨界冰形的確定
按最新的適航性要求,航路形態(tài)下的臨界冰形可按兩種情況確定:
(1)按25.1420(a)(1)審定的飛機(jī),該類飛機(jī)有能力探測(cè)到正處于附錄O part Ⅰ的結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí),應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件,只要求在撤離過(guò)程中飛機(jī)能安全飛行。在確定該航路冰形時(shí)的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件。
(2)按25.1420(a)(2)審定的飛機(jī),該類飛機(jī)有能力探測(cè)到飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件超出了附錄O part Ⅰ中規(guī)定的那類結(jié)冰氣象條件時(shí),應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件,只要求在撤離過(guò)程中飛機(jī)能安全飛行。在確定該航路冰形時(shí)的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄O part Ⅰ中給定的結(jié)冰氣象條件。
上述兩種情況下確定的結(jié)冰只是航路結(jié)冰的一部分,還應(yīng)加上在附錄O partⅡ(b)(5)中定義的探測(cè)前結(jié)冰,以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)之間過(guò)渡的冰積聚。
3.3 待機(jī)形態(tài)下的臨界冰形的確定
按最新的適航性要求,待機(jī)形態(tài)下的臨界冰形可按兩種情況確定:
(1)按25.1420(a)(1)審定的飛機(jī),該類飛機(jī)有能力探測(cè)到正處于附錄O part Ⅰ的結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí),應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件,只要求在撤離過(guò)程中飛機(jī)能安全飛行[5]。在撤離過(guò)程中的冰積聚的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件即可。
(2)按25.1420(a)(2)審定的飛機(jī),該類飛機(jī)有能力探測(cè)到飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件超出了附錄O part Ⅰ中規(guī)定的那類結(jié)冰氣象條件時(shí),應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件,在撤離過(guò)程中只要求飛機(jī)能安全飛行。相應(yīng)的撤離過(guò)程中的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件。若探測(cè)的結(jié)果是飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件未超出附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰氣象條件,則飛機(jī)需在該結(jié)冰條件下飛行相應(yīng)的時(shí)間,以保證可以結(jié)出足夠的冰。在確定該待機(jī)過(guò)程冰形的結(jié)冰氣象條件時(shí)可選擇附錄O part Ⅰ中給定的結(jié)冰氣象條件。
在附錄O part ⅠI(b)(2)中規(guī)定“待機(jī)結(jié)冰要求的總暴露時(shí)間不需要超過(guò)45min”;在附錄O partⅡ(c)(4)中規(guī)定“待機(jī)飛行階段為,按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰條件,在一個(gè)水平范圍32.22km的云團(tuán)內(nèi)飛行45min”。關(guān)于飛機(jī)未防護(hù)表面結(jié)冰驗(yàn)證時(shí)間的問(wèn)題,國(guó)外適航權(quán)威機(jī)構(gòu)的觀點(diǎn)是兩種:一是未防護(hù)表面的最大結(jié)冰厚度不超過(guò)76.2mm,二是結(jié)冰氣象條件下飛行45min。目前FAA、歐洲航空安全局(EASA)和中國(guó)民用航空局(CAAC)等適航當(dāng)局均傾向于前者,即以飛機(jī)的未防護(hù)表面最大結(jié)冰厚度達(dá)到76.2mm為標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到則認(rèn)為滿足試驗(yàn)要求,結(jié)束試驗(yàn)。這種觀點(diǎn)對(duì)于嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件尤為適用,因?yàn)檫@樣的結(jié)冰氣象條件下飛機(jī)未防護(hù)表面在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)結(jié)出滿足要求的結(jié)冰厚度,因此無(wú)需再等待45min。
上述兩種情況下確定的結(jié)冰只是待機(jī)結(jié)冰的主要部分,還應(yīng)加上在附錄O partⅡ(b)(5)中定義的探測(cè)前結(jié)冰,以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)之間過(guò)渡的冰積聚。
3.4 進(jìn)場(chǎng)形態(tài)下的臨界冰形的確定
按相應(yīng)的適航性要求,進(jìn)場(chǎng)形態(tài)下的臨界冰形的確定應(yīng)按附錄O partⅡ的(b)(2)段定義,或按附錄O partⅡ的(b)(3)(Ⅰ)或(Ⅱ)段要求確定的最嚴(yán)酷/最臨界的待機(jī)結(jié)冰情況。
(1)對(duì)按FAR25.1420(a)(1)審定的飛機(jī),以巡航構(gòu)型,從附錄C的part Ⅰ定義的連續(xù)最大結(jié)冰條件的最大垂直結(jié)冰范圍高度(1981m)開(kāi)始,下滑至高于著陸表面610m高度的冰積聚,加上轉(zhuǎn)換為進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型的冰積聚;再加上按附錄O partⅡ的(b)(5)段定義的探測(cè)前結(jié)冰以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)(云團(tuán)為著陸表面之上610m高處,水平范圍32.22km)之間過(guò)渡的冰積聚。
(2)對(duì)按FAR25.1420(a)(2)審定的飛機(jī),以巡航構(gòu)型,從附錄O part Ⅰ定義的最大垂直結(jié)冰范圍高度(凍毛毛雨的起始高度為3658m,凍雨的起始高度為2134m)開(kāi)始,下滑至高于著陸表面610m高度的冰積聚,加上轉(zhuǎn)換為進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型的冰積聚。同時(shí)該類飛機(jī)還需再增加在著陸表面之上610m高度,按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰氣象條件下,水平飛行15min的冰積聚;再加上附錄O partⅡ的(b)(5)段定義的探測(cè)前結(jié)冰以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)(云團(tuán)處于著陸表面之上610m處,水平范圍32.22km;一云團(tuán)為附錄O part Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團(tuán)為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況)之間過(guò)渡的冰積聚。
3.5 著陸形態(tài)下的臨界冰形的確定
按相應(yīng)的適航性要求,著陸形態(tài)下的臨界冰形的確定應(yīng)按附錄O partⅡ的(b)(2)段定義,或按附錄O partⅡ的(b)(4)(Ⅰ)或(Ⅱ)段要求確定的最嚴(yán)酷/最臨界的待機(jī)結(jié)冰情況。
(1)對(duì)按FAR25.1420(a)(1)審定的飛機(jī),以巡航構(gòu)型,在附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況下,從附錄C定義的最大垂直結(jié)冰范圍(1981m),下滑到高于著陸表面6100m的冰積聚,加在610m高度由巡航構(gòu)型過(guò)渡到進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型和以進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型在著陸表面以上610m高度飛行15min的冰積聚,再加從著陸表面以上610m下降到著陸表面以上61m高度處(含從進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型過(guò)渡到著陸構(gòu)型)的冰積聚;再加上附錄O partⅡ的(b)(5)段定義的探測(cè)前結(jié)冰以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)(云團(tuán)處于著陸表面之上61m處,水平范圍32.22km;一云團(tuán)為為附錄Opart Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團(tuán)為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況)之間過(guò)渡的冰積聚。
(2)對(duì)按FAR25.1420(a)(2)審定的飛機(jī),在附錄OpartⅡ的(c)(5)(Ⅰ)定義的待機(jī)冰積聚條件下,加上按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰條件下從高于著陸表面610m下滑到高于著陸表面61m,再加上在61m處轉(zhuǎn)換為著陸構(gòu)型過(guò)程的冰積聚,以及隨后按FAR25.119的最小爬升梯度的要求復(fù)飛,從高于著陸表面61m直到高于著陸表面610m,并在該高度以進(jìn)場(chǎng)構(gòu)型飛行15min,然后以著陸構(gòu)型下滑到著陸表面(接地)為止,上述過(guò)程中的總的冰積聚;再加上附錄OpartⅡ的(b)(5)段定義的探測(cè)前結(jié)冰以及飛機(jī)在兩種云團(tuán)(云團(tuán)處于著陸表面之上61m處,水平范圍32.22km;一云團(tuán)為為附錄O part Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團(tuán)為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況)之間過(guò)渡的冰積聚。
3.6 探測(cè)前的冰積聚冰形形態(tài)的確定
探測(cè)前結(jié)冰是按附錄C part Ⅰ或附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰氣象條件下,在探測(cè)結(jié)冰氣象條件飛行情況(要求按FAR25.1420(a)(1)和(2)退出)之前的冰積聚。它是以前就存在的冰積聚,它可開(kāi)始于結(jié)冰條件(批準(zhǔn)飛機(jī)飛行)飛行,在進(jìn)入結(jié)冰條件之后和要求退出之前,加冰情探測(cè)期間的冰積聚,再增加2min時(shí)間間隔的冰積聚(用于機(jī)組考慮采取措施,退出結(jié)冰情況,包括與空管的協(xié)調(diào)等消耗的時(shí)間)。對(duì)按FAR25.1420(a)(1)審定的飛機(jī),對(duì)以前冰積聚的考慮必須基于附錄C的結(jié)冰條件。對(duì)按FAR25.1420(a)(2)審定的飛機(jī),對(duì)以前冰積聚的考慮必須基于附錄C的更嚴(yán)酷結(jié)冰條件,或按附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰條件,但其前提是飛機(jī)能安全運(yùn)行。
4 結(jié)束語(yǔ)
嚴(yán)酷結(jié)冰氣象條件的定義是基于FAA發(fā)布的Amdt.25-140中給出的即將補(bǔ)充到FAR25部中的附錄O“過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件”part Ⅰ中規(guī)定的兩類“嚴(yán)酷”結(jié)冰氣象條件,該類結(jié)冰氣象條件較之前的結(jié)冰氣象條件最顯著的變化是“水滴直徑”范圍增加近20余倍。在對(duì)“嚴(yán)酷”結(jié)冰氣象條件進(jìn)行詳細(xì)介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)起飛、航路、待機(jī)、進(jìn)場(chǎng)和著陸等飛行階段的最臨界結(jié)冰冰形的確定要求進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明??蔀轱w機(jī)結(jié)冰適航審定試驗(yàn)提供參考。
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