李焱鑫，顧 新

（中國民航上海航空器適航審定中心，上海 200335）

民機在飛行過程中可能發(fā)生結冰，使得飛機最大升力系數降低、阻力增加、力矩特性發(fā)生改變，導致諸多異常飛行狀態(tài)發(fā)生。相比常規(guī)結冰，過冷大水滴（SLD,supercooled liquid drops）引發(fā)的結冰不易探測，翼面氣動和飛機操穩(wěn)特性破壞更嚴重，在民航歷史上已引發(fā)多起嚴重事故。由于飛行結冰問題對飛行安全的嚴重危害性，民機研制中必須對結冰適航問題進行驗證。

隨著飛機結冰問題研究的深入，結冰適航標準逐漸提升。2014年11月美國聯邦航空管理局（FAA）針對《聯邦航空條例25 部：運輸類飛機適航標準》（FAR-25）發(fā)布了FAR 25-140 修正案[1]，將SLD 結冰正式寫入適航標準。

隨著結冰適航標準的提高，為認識結冰規(guī)律、研發(fā)防除冰技術、發(fā)展新型結冰材料等，提出了新的要求。在SLD 環(huán)境背景下，為更好地驗證適航標準的符合性，民機研制方、設備供應商和適航當局，需要掌握SLD結冰的規(guī)律，探索新的、可行的符合性驗證方案，采用新的符合性驗證手段。

在全面梳理條款制訂背景和結冰研究進展前提下，結合現有常規(guī)結冰符合性驗證經驗，對SLD 結冰驗證可能采用的符合性方法進行分析。進一步明確該領域未來需重點突破的關鍵問題，建立結冰適航驗證的全局新思路，對中國民機研制和取證具有重要意義。

1 SLD 結冰適航條款的制訂過程和具體要求

1994年，美鷹航空4184 航班在等待進場時，遭遇SLD 云團后失控墜毀[2]，此次事件后，相關部門和工業(yè)界開始關注SLD 問題對民航安全的影響。自1996年起，FAA 累計發(fā)布了39 份（含已取消2 份）與SLD 相關的適航指令，持續(xù)關注SLD 對飛機運行的影響。2005年，結冰防護協調工作小組根據空難調查及研究結果，發(fā)布了SLD 結冰適航標準制定工作報告[3]。2010年，FAA 擬定SLD 條款制定建議書[4]（NPRM,the notice of proposed rulemaking），并向工業(yè)界征求意見。2014年，經全球30 家飛機設計廠商和供應商投票表決，《飛機與發(fā)動機在過冷大水滴、混合態(tài)和冰晶條件下的適航需求》[1]正式寫入FAR 適航條款。2015年，歐洲航空安全局（EASA）也對《審定規(guī)范25 部：大飛機審定規(guī)范和符合性方法》（CS-25）條款[5]進行了相應修訂。SLD 結冰研究在政策推動下，已成為適航標準修訂的重點關注內容，飛機結冰安全研究因此進入新階段。

1.1 SLD 環(huán)境

在最新FAR 適航標準中，FAR-25 部增加了新章節(jié)《附錄O：過冷大水滴結冰條件》，明確了SLD 結冰的環(huán)境要求，劃定了飛機設計中需要關注的SLD 環(huán)境的界限范圍。附錄O 對SLD 結冰的定義方式與附錄C對常規(guī)結冰環(huán)境的定義方式不同，附錄O 將SLD 結冰環(huán)境分為微凍雨（freezing drizzle）和凍雨（freezing rain）兩類，以“水滴直徑分布”的形式，分別定義了兩種SLD 結冰環(huán)境的上下邊界。微凍雨的水滴直徑范圍在500 μm 以內，而凍雨環(huán)境的最大水滴直徑可達2 000 μm，實際的水滴直徑分布范圍更廣。當前局方和工業(yè)界采用的驗證方法，主要是應對附錄C 中的常規(guī)結冰環(huán)境，附錄O 提出的大跨度水滴直徑范圍的環(huán)境需求，對結冰試飛、結冰實時測量、計算模擬、冰風洞試驗等都提出了更高要求。FAA 基于當前技術水平認為，現有工程工具無法用于凍雨環(huán)境的結冰驗證，還需要有針對性地進行技術改進。

附錄O 進一步明確了平均水滴直徑（MVD，mean volume diameter）小于40 μm 的微凍雨/凍雨環(huán)境的液態(tài)水含量范圍，其中一部分MVD 范圍與附錄C 常規(guī)結冰的范圍重合，這表明相比MVD，水滴直徑分布更能有效標識SLD 環(huán)境的結冰特征。據現有數據分析，SLD 可能對結冰過程產生影響：當水滴直徑分布發(fā)生變化時，即使相同的MVD 環(huán)境仍可能引起較大的結冰差異，造成未知的飛機安全風險。

1.2 SLD 條件約束范圍

美歐適航當局對SLD 結冰相關條款的要求略有差異。FAA 要求SLD 結冰的相關適航條款須應用于最大起飛重量（MTOW, maximum take-off weight），小于60 000 lbs（1 lbs≈0.45 kg）或具有可逆操縱器件的兩類飛機上。EASA 則要求SLD 結冰條款適用于所有新申請型號合格證的大型飛機。

美歐§25.1420 新修條款并未規(guī)定飛機必須具備在附錄O 涵蓋的所有結冰條件下安全操縱的能力，但提出了探測—預警—改出的可行性方案，對飛機在SLD 結冰條件下的飛行做出如下具體要求：

1）能夠在附錄O 結冰條件下保證飛機的性能和操穩(wěn)，安全飛行；

2）能夠在附錄O 部分條件下安全飛行，但發(fā)現環(huán)境特征超出范圍時，應安全改出；

3）能夠及時探測到SLD 結冰環(huán)境，并能夠從這類環(huán)境中改出。

對飛行系統(tǒng)而言，結冰條款并沒有要求飛機一定要具備完美的飛行品質，而是重點強調了須具備應對SLD 結冰環(huán)境的能力。

對動力裝置而言，FAR 25-140 修正案明確規(guī)定SLD 結冰環(huán)境要求適用于所有安裝在25 部飛機上的發(fā)動機。根據航空規(guī)則制定專家委員會(ARAC,aviation rulemaking advisory committee）的數據，至2010年NPRM 發(fā)布時，美國已發(fā)生231 起SLD 結冰導致的事故癥候，SLD 結冰會破壞發(fā)動機風扇，造成較大的動力損失。EASA 也通過地面實驗證明了SLD 環(huán)境會對發(fā)動機進氣系統(tǒng)造成傷害。由于大型飛機在跨國跨洲航行時更容易遭遇惡劣環(huán)境，為滿足飛行安全需求，申請人必須證明飛機發(fā)動機具備在典型SLD 結冰環(huán)境（空氣溫度-9～-1 ℃、液態(tài)水含量至少達到0.3 g/m3、MVD 至少達到100 μm）下正常運行的能力。霍尼韋爾（Honeywell）公司曾建議發(fā)動機在SLD 環(huán)境中僅需滿足類似于飛機的探測—預警—改出的相關要求，但FAA 認為發(fā)動機一旦進入危險狀態(tài)，飛機將不具備足夠時間從危險中改出，發(fā)動機必須滿足更惡劣條件下的飛行需求。

1.3 當前SLD 結冰條款對審定的新要求

基于當前美歐新修SLD 結冰條款對飛機設計和運行提出的新要求，SLD 結冰審定工作主要圍繞以下3 個方面展開。

1）飛機性能評估要求

新修條款聚焦于飛行系統(tǒng)在面臨SLD 結冰條件時的探測—預警—改出能力，保證飛行具有足夠的安全裕度。對于安全裕度的范圍，局方允許申請人根據飛機的設計需求和應變能力自行界定。

2）探測能力要求

FAR 25-140 修正案中要求，應能使飛行員在發(fā)現和改出過程中，清晰識別出附錄O 環(huán)境；結冰探測器應能夠探測出附錄O 環(huán)境和§25.1324 條款要求，應有方法對SLD 結冰對攻角系統(tǒng)的潛在危險進行預警。

3）發(fā)動機結冰冗余要求

作為運輸類飛機適航審定的核心裝置，發(fā)動機在極端環(huán)境下的性能和操縱特性必須進行有效的驗證?？梢詤⒖纪ㄓ秒姎?GE)等系統(tǒng)供應商的做法，選擇合適的地理環(huán)境，建立專門的發(fā)動機結冰實驗基地，加強動力裝置異常環(huán)境冗余的評估和驗證能力建設。

中國民用航空局已著手對《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25R4）[6]結冰相關條款進行研討，并結合當前SLD 研究進展適時進行合理修訂。中國現有若干民機型號正在研發(fā)，根據研制取證進度，未來有可能需要對SLD 條款表明符合性，在此建議民機研制方提前進行理論研究和技術儲備，以滿足取證和研制需求。

2 SLD 結冰研究發(fā)展現狀

為滿足上述SLD 結冰的適航要求，需從SLD 結冰微觀機理、結冰后飛行性能評估方法和SLD 結冰安全防護技術3 個方面開展研究。在1994年美鷹航空SLD結冰事故發(fā)生后，SLD 結冰機理是當時學界關注的熱點問題，大粒徑水滴動力學效應、非穩(wěn)態(tài)傳熱相變特征、后流結冰問題都曾是結冰研究發(fā)展的重要方向；SLD 適航條款修訂后，相關研究開始關注異常結冰造成的飛行性能損失和飛行品質變化，異常結冰后的危害評估成為研究的核心問題；飛機結冰探測和防除冰技術，也開始面向工程應用的前沿領域，呈現出新的發(fā)展趨勢。

2.1 SLD 結冰微觀機理

學者對SLD 結冰機理研究重點放在大粒徑造成的直徑效應和過冷形態(tài)方面。文獻[7-10]將異常結冰的原因解釋為大水滴引起的破碎和飛濺效應，并從理論上解釋了“SLD 結冰位置更靠后”的問題。研究[11-13]表明大直徑水滴高速撞擊過程中熱力學因素起重要作用：SLD 撞擊結冰過程隨著水滴直徑、速度、溫度、親疏水表面等因素影響，結冰的特征迥異，撞擊傳熱效應極大影響了SLD 的結冰速率，體現出異常性。

在過冷態(tài)結冰方面，Kong 等[14]的研究表明，過冷水層中冰枝尖端生長速率會隨著過冷度的增加呈現指數級的上升趨勢，這種因素可能是造成SLD 結冰異常的另一特征。但Schremb 等[15]認為，冰枝尖端的快速生長會隨著過冷度的增加出現生長模式的轉換。冰枝生長速率的量化還需要理論研究的進一步支持。

總之，對水滴直徑效應和過冷態(tài)理論的研究，是分析SLD 結冰特殊性的重點，上述研究完善了傳統(tǒng)飛機結冰理論，為結冰模擬技術、冰風洞實驗技術和防除冰技術的發(fā)展創(chuàng)新提供了重要的理論參考。

2.2 結冰后飛行性能評估方法

異常結冰性能評估研究主要包括：臨界冰型確定、帶冰氣動特性分析和結冰飛行品質評估。

臨界冰型確定是開展飛機安全評估工作的前提條件，需要在保守的原則下進行。目前主流的結冰模擬軟件，如文獻[16-17]為了提升冰型預測能力，都在開發(fā)各自的SLD 結冰模擬模塊。文獻[18-20]基于不同的熱力學模型，發(fā)展了不同的結冰模擬算法。在實驗技術改進方面，傳統(tǒng)的冰風洞參數[21]，如慣性參數K0，結冰因子Ac，凍結率n，水含量傳遞因子Φ 等，不能對SLD 環(huán)境實現全覆蓋[22]，SLD 臨界冰型預測可能還需要同時考慮水滴云霧的粒徑分布同步測量[23]等技術。

結冰后的飛機氣動特性分析是結冰危害評估的核心工作。Bragg 等[24]通過大量空氣動力學實驗厘清了冰型對翼型氣動特性的影響機制，并根據冰外形影響流動的基本特征，將其歸納為：粗糙冰、流向冰、角冰以及脊冰。研究表明，角冰流場通常可近似為后臺階模型，當流動從尖端分離后，形成剪切層，在發(fā)生不穩(wěn)定后誘導出渦街。脊冰的影響則更類似于流動障礙物模型，由于速度型的破壞，展向脊冰通常引發(fā)較強的反向壓力梯度，造成氣動性能較大的損失。數值模擬方面，結冰氣動計算方法[25]正在迅速發(fā)展。如張恒等[26]引入五階WENO 低耗散格式用于三維結冰流場的非定常過程計算。如何把典型的流動結構從復雜的非定常過程中提取出來，仍需進一步研究。

結冰飛行品質評估是驗證飛機容冰能力的主要目的。常規(guī)結冰后的飛行品質評估主要依賴于飛行試驗，如Ranaudo 等[27]利用試飛數據研究尾翼冰污染后的升降舵效能及有效控制范圍；Pokhariyal 等[28]研究飛機結冰后的縱向穩(wěn)定性等。這類方法獲得的數據真實但不夠全面，需耗費大量資源。另外，由于型號飛機的工程特點，試飛研究通常只能局限于某個特定的安全包線范圍。Lampton 等[29-30]把飛機看作剛體，在狀態(tài)空間方程中加入結冰項稀疏矩陣，考察賽斯納輕型飛機最大結冰條件下作方向舵-副翼橫向/側向機動和非對稱結冰的動態(tài)響應特性等，為結冰后飛行品質評估提供了較為明確的參數評價指標。但不足之處在于結冰條件單一，而現實結冰條件更為復雜，因此不同結冰環(huán)境對飛行品質的影響研究停留在個例分析上，系統(tǒng)性分析工作仍然不足，SLD 結冰后的飛行品質評估研究還需要新技術、新方法的進一步支持。

2.3 SLD 結冰后安全防護技術

參考FAR 25-140 修正案的內容，SLD 結冰后安全防護功能的實現，不僅要包括防除冰設備或部件，還應考慮整機安全的結冰防護系統(tǒng)可靠性?；谏鲜鲆螅鑼鹘y(tǒng)防除冰設備進行升級，新型防除冰設備需同時考慮結冰環(huán)境及探測預警、防除冰響應/應對能力以及人為因素在操作過程中的延時影響等。

新技術逐漸融入傳統(tǒng)的電熱防冰、機械除冰方式，如超疏水表面處理、防冰涂層等[31]新防冰方法[32]，其基本思路是利用微納米物理方法或涂層等化學方法制備超疏水表面，降低水與壁面的接觸程度，使得水滴不會停留在飛機表面。研究表明[33-35]，具有規(guī)整結構的超疏水表面能使撞擊表面液滴在凝結成核前有效從表面反彈；在低濕環(huán)境下，有效延長液滴在表面的結晶成核時間。但由于超疏水表面在機翼表面難以長期保持，影響了該技術的實際應用。新防除冰技術的成果轉化還需要進一步深入探索。

在新型結冰探測設備研制方面，古德里奇（Goodrich）[36]公司已針對SLD 結冰環(huán)境，研制出磁滯伸縮探頭型結冰探測器。相比較而言，國內在相關領域的研發(fā)還需繼續(xù)加強。

3 SLD 適航驗證/取證探索

為了對大型民用飛機涉及的SLD 結冰問題進行驗證，需要表明飛機符合適航規(guī)章和條款的要求。下面簡要介紹表明符合性的方法，并探討SLD 結冰的取證/驗證思路。

3.1 符合性方法

型號合格審查中，為了獲得所需的證據資料以表明適航條款的符合性，申請人通常需要采用不同的方法，而這些方法統(tǒng)稱為符合性驗證方法（簡稱符合性方法）。為了統(tǒng)一審查雙方的認識，方便信息交流，在整理審查經驗、借鑒國外的管理成果的基礎上，將符合性方法匯總為以下10 種[37]，如表1所示。審查中可根據適航條款的具體要求選取其中一種或多種組合的方式來滿足條款的要求。為便于編制計劃和文件為每種符合性方法編制相應的代碼。

表1 符合性方法Tab.1 Means of compliance

3.2 SLD 結冰表明符合性的探索

飛機SLD 結冰條件下的符合性審定，應充分總結現有對SLD 結冰和常規(guī)結冰理論、工程分析和適航條款研究的經驗。中國已完成了ARJ21 飛機結冰的型號合格審定過程，正在有序開展C919 飛機的結冰審定。

參考《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25R4）、《一般運行和飛行規(guī)則》（CCAR-91R3）、《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》（CCAR-121R5）以及FAR 25-140 修正案、EASA 最新CS-25 的要求，大型客機需對飛行性能、操穩(wěn)品質、防冰系統(tǒng)、傳感器、動力裝置、排水照明等系統(tǒng)進行SLD 結冰條件下運行的適航符合性驗證。

建議優(yōu)先完成的驗證工作有：確定SLD 臨界結冰條件、確定SLD 臨界冰型、飛機各個部件上SLD 臨界冰型的計算分析、冰風洞試驗、帶模擬冰型的氣動力評估風洞試驗、帶冰后氣動力影響評估、機體結冰質量計算分析、模擬SLD 冰型試飛等。

根據條款要求和審定實踐經驗，通常主要采用的符合性方法為：MC1、MC2、MC4、MC6。例如，大型客機可通過數值模擬方法獲得SLD 臨界結冰條件和臨界冰型，通過結冰風洞試驗對數值模擬結果進行驗證；對帶SLD 臨界冰型的操穩(wěn)性能進行冰風洞試驗或試飛，確認結冰后失速保護參數及性能數據，視情開展SLD 自然結冰條件下的演示驗證等。

4 SLD 結冰研究和適航驗證的挑戰(zhàn)

未來要突破SLD 技術瓶頸，必須以民機適航需求為牽引，注重理論與工程應用相結合，堅持結冰性能評估和防除冰方法的技術革新，完善飛機結冰安全評估體系。當前國內外工業(yè)界和局方面臨著共同的適航驗證和研發(fā)取證的難題，建議SLD 結冰研究和適航驗證工作，進一步關注以下3 方面。

4.1 理論研究與工程應用相結合

在SLD 結冰理論研究中要進一步明確工程導向。加強對理論研究成果的消化、吸收和創(chuàng)新，并最終應用到飛機設計中；進一步將結冰機理的研究成果應用于新型防除冰系統(tǒng)研發(fā)中，并進行驗證。目前，眾多新型防除冰技術方法還沒有在SLD 結冰條件下進行功能性、耐久性評估，磁流體防冰、微波除冰等新技術還未形成自主知識產權，SLD 結冰理論研究需迅速與防除冰技術對接才能產生核心競爭力和效益。結冰理論研究一旦脫離工程實際，將無法形成技術—研發(fā)—生產的完整鏈路，理論成果的作用也會大打折扣。

4.2 加強臨界條件驗證能力建設

當前工業(yè)界取證/驗證能力主要受限于符合性驗證工具不成熟，主要表現在：冰風洞試驗中大粒徑水滴模擬生成能力不足，無法產生與自然結冰環(huán)境相似的雙峰水滴云圖；混合翼模型設計方法未驗證；結冰模擬過程中，大水滴直徑下的結冰算法準確性有待提高，某些收集率和冰型計算代碼在凍雨條件下無法驗證；三維過冷大水滴計算代碼模擬能力未評估；縮比試驗的方法有待進一步完善；自然環(huán)境試飛中SLD 結冰環(huán)境較難捕獲等問題。

因此，SLD 結冰條件下的工程分析重點是臨界冰型模擬、氣動性能損失和飛行品質變化的臨界估算。加強工程評估能力，需從試驗、計算和試飛等多角度考慮。試驗加強冰風洞環(huán)境模擬及配套測試能力的建設，在SLD 環(huán)境模擬和同步測試等方面作進一步完善，并開展系統(tǒng)試驗研究，獲得可靠的試驗冰型數據。發(fā)揮國內計算資源的優(yōu)勢，重點完成臨界區(qū)的能力驗證，提高計算模擬效率，面向飛機真實構型開展數值算法研究，實現流場的不穩(wěn)定性分析。性能方面應建立面向全包線的動力學模型，完成結冰包線的邊界劃定，制定完整的試飛任務規(guī)劃，排查風險源。

4.3 推動SLD 結冰適航標準和程序修訂

中國CCAR 25 部正在修訂中，與FAA 和EASA在SLD 適航標準上還存在差異，目前國內對SLD 結冰問題采用的符合性驗證方法，主要參考2014年11月FAA 發(fā)布的咨詢通告《運輸類飛機結冰適航符合性認證需求》（AC 25-28），并進行分析和細化；SLD 結冰的專用條件、等效安全、豁免方式等均需進一步研究，形成系統(tǒng)的符合性驗證程序。在飛機持續(xù)運行監(jiān)管方面，應密切關注民機結冰運行狀態(tài)，打通航空公司、研制企業(yè)、部附件廠商和局方的溝通渠道，適時主動發(fā)布適航指令；在工業(yè)標準方面，SLD 的結冰防護與探測將涉及相關的新設備、電子元器件的審定需求，相關的探測、告警及防除冰設備生產標準都需要依托適航平臺完成研發(fā)、制造和取證工作，形成相互支撐的標準產業(yè)體系，切實解決SLD 結冰的適航問題。

5 結語

SLD 結冰安全研究對中國民機研制和取證具有重要意義。如何圍繞適航需求，突破傳統(tǒng)結冰理論認知界限，提高飛行系統(tǒng)結冰安全評估水平，提升飛機防除冰設計能力，是未來SLD 結冰研究面臨的主要挑戰(zhàn)。這需要認真梳理國內外相關研究的發(fā)展歷程，借鑒世界先進成果，并結合中國民機研制和取證的實踐不斷創(chuàng)新，以工程應用為基礎，堅持結冰模擬、結冰氣動和結冰飛行力學等領域的技術革新。以結冰適航需求為牽引，建立防除冰創(chuàng)新設計及結冰安全評估之間的科研融合，形成完善的SLD 結冰研究體系，盡早解決民機適航驗證中即將面臨的關鍵難題。