飛機的結冰與防(除)冰

胡鑫

摘 要:在現代運輸機的飛行中,飛機常常會遇到結冰的情況,而這些結冰通常發生在飛機的迎風部位如風擋、機尾翼前緣、螺旋槳、發動機進氣道、空速管等部位,結冰后飛機阻力增加,升力減小,并增大了失速速度,這使飛行安全裕度大幅度減小。

關鍵詞:飛機結冰防冰

中圖分類號:V279 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0073-01

據美國聯邦航空局綜合分析,每年因結冰而導致的事故有近30起,而且結冰后飛行不僅氣動性能惡化,同時還使發動機的功率下降,儀表讀數不準,風擋視界不清,極易導致事故。所以,飛機結冰是飛行中一個不容忽視的問題

1 結冰機理

所謂飛機積冰就是飛行中,飛機的某些部分有時出現由于水滴凍結或水汽凝華聚積形成的冰層的現象。當飛機遇上冰晶云時產生干結冰,遇上水蒸汽產生凝華結冰,遇上過冷水滴則產生滴狀結冰,其中滴狀結冰是三種結冰形式中最常見的一種。

飛機積冰可通過其現象分為四種:明冰、毛冰、霧凇、霜,其中明冰和毛冰對飛行影響較大,非常有害,易導致飛行事故,而霧淞和霜對飛行影響不大,稍加注意便可避免事故,其各自結冰特點如下。

明冰光滑透明,結構堅實,通常在0～–10℃的過冷雨或大水滴組成的云中飛行時形成,有降雨時,聚積速度尤其快,且非常牢固,對飛行危害非常大。

毛冰也叫瓷冰,表面粗糙不平,但凍結比較堅固,多形成于-5～-20℃的云中,由于其表面粗糙不平,會破壞飛機的流線形,同時凍結牢固,對飛行危害也非常大。

霧淞由粒狀冰晶組成,很易除掉。如果無除冰設備的飛機在云中長時間飛行,也可能受其影響;霜是晴空飛行的出現的一種積冰,在風擋上出現會影響視野。以上兩種積冰的飛行危害不大。

2 積冰對飛行性能的影響

在飛行中一旦發生積冰,飛機的空氣動力性能就會變差,流線型也受到破壞,使正面阻力增大,升力和推力減小,影響飛機的穩定性,使操縱困難,嚴重時會造成飛機失事。因此積冰對飛行危害非常大。而積冰對飛行性能的影響根據其積冰部位不同,可分為升力面積冰、發動機進氣道積冰、螺旋槳積冰、風擋天線空速管積冰,另外飛機在地面時也可能積冰,不同的積冰對飛行性能影響不同,其分別的影響如下:

2.1 升力面積冰

飛機升力面主要是指機翼和尾翼,當它們積冰時能使飛機的空氣動力特性和飛行特征顯著破壞。由于積冰,流線形部位的形狀發生變化,使翼型失真,導致摩擦阻力和壓差阻力都增大。1977年在斯德哥爾摩布羅馬機場,一架四發渦輪螺旋槳飛機由于尾翼積冰,當襟翼下放到40度時,飛機進入垂直俯沖,造成失事。這就是由于尾翼積冰,使尾翼在下洗角增大、負迎角增大的情況下,又由于積冰使尾翼臨界迎角減小,最后導致40度襟翼時尾翼失速造成事故。事實證明,積冰不但使失速提前而且更加劇烈。當機翼和尾翼的臨界迎角由于積冰而減小時,低速飛行,特別是著陸,非常危險,極易出現尾翼失速使飛機失控,同時積冰還易造成操縱面操縱性降低或卡死,造成事故。

2.2 發動機進氣道及動力裝置積冰

進氣道積冰可以導致內表面氣動特性惡化,使進氣速度場分布不均勻和使氣流發生局部分離,引起壓氣機葉片振動,如果有冰塊脫落進入壓氣機,還會造成壓氣機機械損傷。

葉片上的積冰會因離心力作用而脫落,可能引起轉子轉動不平衡和動力裝置劇烈振動,進一步發展還會導致發動機轉子軸承的破壞,造成發動機損壞或熄火。

總之,發動機進氣道及動力裝置積冰,輕則會導致發動機功率下降,重則能造成發動機損壞。所以在云中飛行時,為防止發動機結冰,當溫度低于5℃時,應及時打開發動機防冰裝置。

2.3 螺旋槳積冰

螺旋槳積冰由于高速旋轉而能捕獲更多的過冷水滴,所以比其它部分積冰更嚴重。槳葉梢部由于動力增溫一般不會積冰,但根部積冰相當快,螺旋槳積冰使效率降低,還可能由于積冰不均勻產生不規則振動,同時冰塊脫落還會損壞飛機的其它部件。

2.4 風擋、天線、空速管等積冰

風擋積冰能使風擋透明度大大降低,嚴重影響飛行員的視野,特別是在起飛和著陸階段,容易引發飛行事故。

天線上積冰有可能使通訊中斷,甚至發生短路,使無線電設備失靈。

皮托管積冰,會對速度表、高度表、迎角指示器、M數指示器、升降速度表等重要儀表產生影響,甚至失效,使飛機不由自主地進入危險飛行狀態。

2.5 地面積冰

飛機在地面停放和滑行時,也會積冰。當積冰飛機起飛時,氣流會從機翼上表面過早明顯地分離,飛機在爬升開始時,都用較大的迎角飛行,而積冰飛機以較大迎角飛行是相當危險的,極易造成失事,積冰飛的升力系數比正常飛機小15%--20%,而增大迎角會造成提前到達臨界迎角,造成氣流分離,使升力下降。

3 飛機防(除)冰方式

面對飛機各種結冰情況和對飛行安全的影響,人們采取了多種多樣的防(除)冰方式,發展到現在分為兩類:一類稱為防冰系統,即不允許在飛機部件上產生結冰的系統;另一類為除冰系統,這類系統允許飛機部件結少量的冰,然后周期地把冰除去,根據所采用能源方式不同,有機械除冰系統、液體防冰系統、氣熱防冰系統、電熱防冰系統。它們各有不同的特點和工作原理,下面將分別進行介紹。

3.1 機械除冰系統

所謂機械除冰系統,就是用機械方式把冰破碎,早期的方法就是在防冰表面放置許多膠管,當表面結冰時,膠管充氣膨脹,使冰破碎,然后利用氣流把冰吹除除交替膨脹膠管外,還可用振動方法除冰,如用超聲波使蒙皮高頻振動除冰。

3.2 液體防冰系統

液體防冰系統通過不斷向防冰表面噴灑防冰液,防冰液形成一層薄薄的膜,由于防冰液與水混合后,冰點很低,使水不致在表面結冰。

3.3 電熱防冰系統

電熱防冰系統是通過電阻升溫防止表面結冰,最常見的是風擋、螺旋槳、空速管電熱防冰。電熱防冰由于動力損失小,加熱均勻,被廣泛采用在現代大型民航客機上。

3.4 氣熱防冰系統

現代運輸機大翼防冰和進氣道防冰,多采用發動機壓氣機引出熱空氣來防冰。當大翼防冰采用這種系統時,防冰熱空氣經壓力調節器進行壓力調節后,進入機、尾翼前緣的防冰管道內,一定壓力的熱空氣從管道小孔高速噴出形成局部低壓,將腔內空氣吸入、混合后由翼尖排出,B737－300上采用了氣熱防冰系統為其大翼和發動機防冰,

無論駕駛那種機型,飛機的結冰都是飛行中不可忽視的問題,在飛行中,只有了解積冰原理,熟悉飛機防冰系統的飛行員才能充分避免因積冰而引發事故,所以應充分了解飛機結冰的原理,熟練使用防冰系統,防止事故,達到安全飛行的目的。

參考文獻

[1] 高空高速飛行氣象條件.氣象出版社.

[2] 安全飛行原理.中國民航出版社.

[3] 飛機防冰系統.航空專業教材編審組出版.

[4] B737－300飛行手冊.波音公司.