飛機除冰液穩定性研究

彭華喬，王強，曾萍，吳海濤，張亞博，張帆，趙芯，蘇正良，夏祖西

(中國民航局第二研究所，四川 成都 610041)

在冬季的冰、雪和霜氣候條件下，飛機表面會結冰、積雪和結霜，增加飛機的質量，從而降低飛行性能，危及飛行安全，因此被冰、雪和霜污染的飛機是不適航的。世界航空史上已發生多起因惡劣的冰雪天氣造成的空難事故，飛行機組、機務和簽派人員都應該高度重視冬季復雜氣象條件給飛機起飛帶來的嚴重危害性［1-2］。為了保障飛行安全，必須使用飛機除冰液對飛機進行除冰處理。飛機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的表面，但又能在起飛時從飛機表面吹脫。國際上普遍要求飛機除冰液需符合美國機動車工程師學會(SAE)發布的標準要求，即I 型飛機除冰液需符合SAE AMS 1424［3］的要求，II 型、III 型和IV 型飛機除冰液需符合SAE AMS 1428［4］的要求。該兩項標準歷經多次修訂，現在最新的版本分別是SAE AMS 1424 K 和SAE AMS 1428 G。

1 飛機除冰液穩定性

為了保證飛機除冰液的質量，確保航空安全，SAE AMS 1424 和SAE AMS 1428 對于飛機除冰液都規定了詳細的技術要求，包括環保性能、理化指標、穩定性能、與飛機材料相容性、使用性能等。其中穩定性能是非常重要的一項，而且對于不同類型的飛機除冰液有不同的要求，見表1。

表1 I 型/II 型/III 型/IV 型飛機除冰液對穩定性的要求Table 1 The stability requirements of aircraft fluid type I，II，III and IV

對于I 型飛機除冰液，有5 項穩定性要求，而II型、III 型和IV 型飛機除冰液有10 項。目前主要有國際除冰防冰實驗室(AMIL)、國際科學材料實驗室(SMI)和中國民航局測試中心(TCCAAC)可以開展飛機除冰液穩定性相關檢測和研究工作。

2 飛機除冰液穩定性試驗方法

2.1 儲存穩定性

飛機除冰液的保質期一般為2 年，為了確保長期儲存的飛機除冰液質量穩定，都需進行儲存穩定性試驗，該方法就是模擬飛機除冰液在儲罐里長期儲存后是否會影響產品質量。對于I 型飛機除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進行長期儲存后，要求運動粘度值的增加不應超過儲存前的10%，降低不應超過20%，pH 值的變化不應超過儲存前的±0.5。儲存后的除冰液與ASTM D 1193 IV 型試劑水等體積混合后不應分層、產生沉淀。對于II 型、III 型和IV 型飛機除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進行長期儲存后，動力粘度值應在產品允許的范圍內。

2.2 熱穩定性

為了使噴灑在飛機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。但加熱會使水分損失，對于I 型液，可能影響空氣動力學性能;對于II 型、III 型和IV 型液，會導致除冰液粘度降低，保持時間縮短，因此應避免對除冰液進行不必要的加熱。本方法就是模擬飛機除冰液長時間加熱后是否會影響產品質量。

對于I 型飛機除冰液，需在(80 ±2)℃下放置30 d 后，不應分層、產生沉淀，按照SAE AS 5901 進行水噴霧試驗測得的防冰時間不應低于3 min，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應超過1.0;對于II 型、III 型和IV 型液，需在(70 ±2)℃下放置30 d 后，不應分層、產生沉淀，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應超過1.0，動力粘度值的增加不應超過(20 ±2)℃下儲存樣品的10%，降低不應超過20%。

2.3 硬水穩定性

對于I 型、II 型、III 型和IV 型飛機除冰液與標準硬水(標準硬水的組成: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，不應分層、產生沉淀，且與未加熱儲存樣品的pH 值之差不應超過1.0;按照SAE AS 5901［5］進行水噴霧試驗，I 型液測得的防冰時間不能低于3 min，對于II 型、III 型和IV 型液只需報告試驗結果。

2.4 剪切穩定性

飛機除冰液在過度機械剪切作用下會導致品質下降，因此評估剪切作用對除冰液的影響非常重要。對于I 型飛機除冰液，需在(3 400 ±100)r/min 條件下剪切10 min;對于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 的要求進行防冰性能測試，包括水噴霧試驗和高濕度試驗。

2.5 泡沫穩定性

為了提高除冰效率，避免噴灑的飛機除冰液形成不易破滅的泡沫，造成與雪混淆，不易察覺，因此需對飛機除冰液泡沫穩定性進行評估。該試驗最初由Kilfrost 公司Foster Ross 建立，后經AMIL 修訂完善。對于I 型飛機除冰液，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試板上，15 min 后報告泡沫在測試板上所占的比例，見圖1。該試驗需在(－10 ±0.5)℃和(0 ±0.5)℃的溫度條件下進行;對于II型、III 型和IV 型液，要求除冰液形成的泡沫應快速破滅，不應與雪混淆。

圖1 泡沫穩定性試驗裝置圖Fig.1 The apparatus picture of foam stability

2.6 冷儲存穩定性

飛機除冰液冷穩定性模擬在低溫和室溫條件下循環儲存后是否會影響產品質量。將2.0 L 飛機除冰液裝入容積為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)℃條件下的試驗重復5 次，循環周期見表2。試驗結束后，除冰液不應分層、產生沉淀，并報告試驗前后的pH 值、折射率和動力粘度。

表2 冷儲存穩定性循環周期Table 2 Cycling period of cold storage stability

2.7 干燥空氣穩定性

飛機除冰液干燥空氣穩定性模擬產品曝露于干燥空氣是否會影響質量。將飛機除冰液暴露于溫度為(23 ±3)℃，相對濕度為30% ～45%的恒溫恒濕箱中，當除冰液質量減少(20 ±1)%后，用Brookfield粘度計1 號轉子，在3 r/min 條件下測試除冰液(20±2)℃時的動力粘度，其值不應超過500 mPa·s。若動力粘度大于500 mPa·s，則將飛機除冰液置于溫度為(0 ±2)℃，水平風速為(4 ±0.5)m/s 的恒溫恒濕箱中12 h 后，測試除冰液在20 ℃的質量，報告質量的損失百分比，產品應符合空氣動力學性能要求［6］。

2.8 干冷空氣穩定性

飛機除冰液干冷空氣穩定性模擬產品曝露于低溫干燥空氣是否會影響質量。在恒溫恒濕箱中(見圖2)，放置3 個7075-T6 有包覆層鋁合金試板并與水平方向呈2°，在每個試件上傾倒100 ～150 mL 飛機除冰液;將空氣和試板溫度設定為(1 ±1)℃，相對濕度低于40%，空氣流以約2.5 m/s 的速度在試板表面由上向下流動，直到樣品被吹干或保持24 h，試板表面不應有凝膠、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)℃，試板不應有殘留物。

圖2 干冷空氣穩定性試驗裝置圖Fig.2 The apparatus picture of cold dry air stability

2.9 連續干燥水和穩定性

當殘留在飛機表面上的II 型、III 型和IV 型飛機除冰液干燥后，可能在飛機升降舵控制器縫隙中形成殘留物，這些殘留物遇水后會形成水合凝膠。當飛機在高空飛行時，由于環境溫度降低，這些水合凝膠可能會重新結冰，阻礙升降舵的動作造成升降舵控制器凍結事故。為此，SAE 采納了瑞士航空公司Rolf Buhler 建立的連續干燥水和穩定性試驗方法。

該方法要求對2024-T3 鋁合金試板進行刻蝕，模擬在役飛機的老化表面。稱量并記錄試板和懸掛不銹鋼絲的總質量。將試板完全浸入飛機除冰液中。在4 s 內，緩慢將試板從除冰液中取出，懸掛到支架上(見圖3)。分別在5 min 和30 min 后，稱量試板和不銹鋼絲的總質量。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量。重復5次試驗，累加每個試板的6 組殘余物數據。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量。重復9 次浸泡和稱重，累加每個樣板的10 組殘余物質量，結果不應超過4 g。

圖3 連續干燥水和穩定性試驗裝置圖Fig.3 The apparatus picture of successive dry out and rehydration stability

2.10 薄膜熱穩定性

飛機除冰液薄膜熱穩定性模擬產品在機翼前緣干燥后的情況。在室溫條件下，分別將40 ～50 mL飛機除冰液傾倒在兩塊水平放置且尺寸為153 mm×50 mm 無涂層的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，觀察試板表面不應留有殘余物。

3 結論

飛機除冰液穩定性試驗一共10 項，其中I 型飛機除冰液有5 項要求，II 型、III 型和IV 型飛機除冰液有10 項要求。熱穩定性、硬水穩定性、剪切穩定性、干燥空氣穩定性還涉及飛機除冰液空氣動力學性能(SAE AS 5900)和防冰性能(SAE AS 5901)試驗要求。目前，只有AMIL 能夠開展空氣動力學性能和防冰性能的檢測工作，我國民航還不具備相應檢測能力。因此我國應積極開展飛機除冰液穩定性檢測和研究工作，為除冰液的適航審定提供技術支持。

［1］ 金宜斌.飛機積冰與冬季飛行［J］.中國民用航空，2007，83(11):41-43.

［2］ Juan Marin，Kevin J Kennedy，Cigdem Eskicioglu.Characterization of an anaerobic baffled reactor treating dilute aircraft deicing fluid and long term effects of operation on granular biomass［J］.Bioresource Technology，2010，101(7):2217-2223.

［3］ SAE.SAE AMS 1424 K Deicing/anti-icing fluid，aircraft，SAE Type I［S］.USA:SAE，2012.

［4］ SAE.SAE AMS 1428 G Fluid，aircraft deicing/anti-icing，non-newtonian (Pseudoplastic)，SAE Types II，III，and IV［S］.USA:SAE，2010.

［5］ SAE.SAE AS 5901 A water spray and high humidity endurance test methods for SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］.USA:SAE，2008.

［6］ SAE.SAE AS 5900 B Standard test method for aerodynamic acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］.USA:SAE，2007.