大氣結冰環境下的飛機適航性

史校川 苗延青 胡濤

當冬季您欣賞著皚皚白雪，凝望著窗戶上晶瑩剔透的魯冰花時，也許那是一道美麗的風景，但是對于飛機，那可是很可怕的事情。從1903年萊特兄弟發明飛機以來，對飛機的要求除了越飛越高、越飛越快之外，更重要的就是如何保障飛行的安全，而飛機運行過程中可能會遇到的結冰環境對飛機的運行安全帶來的危害極大。據美國聯邦航空局（FAA）對10年來飛機事故的統計顯示，由飛機結冰引起的事故占總事故的2.5%，占致命事故的4%。為了保證飛機在遭遇結冰天氣條件時能有一定的承受能力，并及時做出規避，無論是飛機適航性要求和運營要求，還是飛機在研制取證和運營過程中，均需要考慮結冰天氣條件對飛機的影響。本文將針對結冰環境，淺談其對飛機飛行安全的影響、相關要求及應對措施。

飛機在結冰的氣象條件下飛行時，云層中的過冷水滴撞擊并凍結在飛機所有迎風表面、天線罩、發動機進氣道唇口、風擋玻璃或其他部件表面上，妨礙飛機或系統的正常功能或透明表面的能見度，如果不通過防/除冰系統及時除去，將會對飛行的安全性能帶來嚴重影響。結冰天氣的危害是多種多樣的。例如，機、尾翼結冰，破壞其氣動外形，致使飛機喪失升力和操縱性；螺旋槳結冰，籠罩一層冰晶外殼，其外形改變，致使螺旋槳推力減小；發動機進氣道結冰，可能使發動機推力減小或完全喪失；飛機操縱面、剎車及起落架結冰，可能影響其正常功能；旋翼槳葉上結冰，多寡不均，可能導致直升機失去平衡，增強振動水平；飛機動壓管結冰，使飛行速度與高度表讀數失真；飛機天線結冰，會致無線電及雷達信號喪失等。

結冰適航性要求的由來

20世紀80年代以來，飛機防除冰問題引起了國際航空界廣泛關注。各國適航當局發布防除冰適航性要求，例如FAR 25.1419“防冰”要求必須通過飛行試驗驗證FAR 25部附錄C中確定的連續和間斷的最大結冰狀態下安全飛行的能力，同時必須具備探冰和作動機體防除冰系統的方法。在設計上，為克服飛機高空飛行遭遇機翼結冰問題，所有民機的結構上都裝有除冰設施，包括直流電加熱化冰，或是以除冰套敲碎積冰，讓其自然被風吹落。除冰套是一條中空的橡皮條，裝設在飛機機翼前緣或機翼翼側，當機翼出現積冰之后，除冰套會間歇性快速充氣膨脹及放氣收縮，在除冰套間歇性脹縮之下把冰打碎或頂離飛機翼面，讓冰被風自然吹落。

在結冰環境造成的飛機飛行安全事故中，尤以1994年10月美國老鷹航空ATR-72客機空難最為著名。1994年10月31日下午，美國老鷹航空公司4148號航班（ATR72-212雙發螺旋槳飛機）在到達目的地芝加哥上空下降過程中，飛機發出告警提示（襟翼打開狀態下）下降速度太快。在收回襟翼后飛機卻發出怪聲，剎那間控制桿急劇向右轉，飛機往右傾斜，開始翻滾，飛機失去控制，幾秒鐘內便沖進一處農地上墜毀。事故造成機上全部64名乘客和4名機組人員喪生。事故發生后，美國國家運輸安全局（NTSB）立即對該事故展開了調查。調查結果顯示，ATR72-212飛機完全符合現有的飛機防除冰適航性要求，包括飛機運營過程中的持續適航要求，但在這起事故中該型飛機在盤旋等待和下降過程中遭遇到了超出FAR-25部附錄C之外的更嚴重的結冰環境，其中含有直徑超過100μm的過冷大水滴，因而在機翼除冰裝置之后產生了異常的結冰而無法除去，使得流過積冰機翼的氣流受到擾動甚至破壞，最終導致飛機失控墜毀。NTSB還指出，該起災難性事故中飛機遭遇的凍霧/凍雨的結冰條件（也即過冷大水滴，SLD）超出了目前所有經合格審定飛機所允許的結冰條件；且在此次事故之前，適航當局和航空工業界并沒有充分認識到凍霧/凍雨結冰條件的特性，及其對飛機飛行安全的潛在危害。

ATR72-212墜毀事故直接推動了FAA對于結冰天氣條件更為深入的研究。此次事件后，FAA意識到原FAR-25部附錄C未包含的過冷大水滴（SLD）結冰天氣條件對安全飛行的重大危害，并立即啟動了航空器空中結冰安全性的審查，并于1996年5月召開航空器空中結冰國際研討會。基于研討會的成果，FAA制定了一項包含SLD結冰在內的結冰問題長期研究規劃，并委托航空規章制定咨詢委員會（ARAC）開展SLD結冰問題的研究。

此外，FAA還專門頒布了適航指令，要求所有同型飛機必須加大除冰套裝置。對于ATR-72型客機，改進的防除冰保護系統除機翼上裝有除冰套外，螺旋槳迎風面、機翼翼尖、垂直尾翼前緣等也都有直流電加熱式防冰裝置，從而實現除冰和防冰。

SLD結冰相關適航性要求

經過近20年的研究，2010年6月FAA基于ARAC提交的修訂建議報告，頒布了文號為FAA-2010-0636的規章制修訂建議通告（NPRM）《SLD、混合相、冰晶結冰條件下航空器和發動機的合格審定要求》，提議新增FAR 25部附錄O和25.1420“SLD結冰條件”，以及25.1324“攻角系統”等要求。2014年11月發布了25-140號修正案，新增了FAR 25部附錄O“SLD結冰條件”及相關適航性要求。

最大水滴直徑（Dmax）大于100μm的結冰環境稱為過冷大水滴（SLD）結冰條件。NPRM建議的附錄O將SLD結冰條件進一步細分為凍霧（Freezing drizzle environments，簡稱ZLE，又稱凍毛毛雨、凍細雨等，最大水滴直徑Dmax在100到500μm之間）和凍雨（Freezing rain environments，簡稱ZRE，Dmax大于500μm）兩種結冰條件。

從ATR72-212墜機事故我們可以知道，SLD結冰條件是一種比目前大家所知的FAR-25部附錄C嚴重得多的自然結冰天氣條件，按附錄C設計和合格審定的飛機一旦遭遇到SLD結冰條件，其原有的防除冰系統將無法起到有效的/預想的防除冰效果。例如由于過冷水滴撞擊量的大幅增加，原設計的防除冰系統的能量輸入無法滿足防除冰需求；再如由于按小水滴撞擊極限計算和/或試驗確定的機翼、尾翼結冰防護范圍，在大水滴結冰環境下，水滴的撞擊極限會超過原來的結冰防護范圍，從而在結冰防護表面的后方形成結冰，對飛機的氣動性能造成嚴重影響。這里從結冰云層范圍、高度—溫度結冰包線、溫度—液態水含量包線三個方面對新的附錄O SLD結冰條件和原有的附錄C結冰條件進行簡要的對比分析。

1、結冰云層范圍

表1給出了四類結冰天氣的云層范圍，從表中可以看出前三類結冰天氣在海平面高度上都有可能出現，因此在結冰適航審定時，需要考慮這三類結冰天氣在起飛和近進著陸階段對安全飛行的影響。連續最大結冰條件與凍霧結冰條件可能出現的大氣高度范圍相同，均為0～22000ft。而凍雨可能出現的最大海拔高度為12000ft，這是因為高度越高，大氣溫度越低，不適于大直徑的過冷水滴存在。12000ft以下是飛行包線的爬升和下降階段，故在這些階段要重點考慮凍雨結冰條件。

對于結冰云層的最大垂直云層范圍，ZLE最大，ZRE其次，連續最大結冰條件僅次于ZRE。因此，當飛機爬升或下降過程中遭遇到附錄O SLD結冰條件時，采取措施逃離這種天氣條件是很有必要的。這也是FAA頒布一些避開SLD結冰條件的適航指令（ADs），并在NPRM中提議新增的25.1420條款中也考慮了逃離這種天氣的要求的根本原因。

結冰云層的水平范圍是對大量的測試數據進行統計后得到的結果，前三類結冰云層的水平范圍均為17.4海里，間斷最大結冰云層最小，僅為2.6海里。可見在22000ft以下的低空航行時，如遭遇到前三種結冰條件，在水平范圍內進行逃離的難度較大。

2、高度—溫度結冰包線

對比ZRE和ZLE結冰條件的高度—溫度包線可以看出，ZRE包線范圍只占ZLE包線范圍的一小部分，而且是當高度升高時，出現ZRE的溫度范圍越窄，可能出現的最大高度為12000ft，且在當氣溫為0℃時才會出現。由此可知ZRE在高度越低時出現的概率越大。ZLE和連續最大結冰條件的高度—溫度包線的范圍和變化趨勢，除了連續最大結冰條件的包線最低溫度范圍比ZLE低5℃以外，其他基本相同。在12000ft以上，遇到的結冰條件最高溫度逐步降低，這是因為在這一高度上氣溫常年基本維持在0℃以下，而且氣溫隨高度增加而降低。

除此之外，ZRE包線區域被ZLE包線區域包含，而ZLE包線區域又被連續最大結冰條件的包線區域所包含。如果以Δ表示高度—溫度結冰包線區域范圍，則有在ΔZRE包線范圍內，三種結冰環境均有可能存在；在（ΔZLE-ΔZRE）范圍內，ZLE和連續最大結冰環境有可能存在；而在（Δ連續最大-ΔZLE）范圍內僅有連續最大結冰環境可能存在。

3、溫度—液態水含量（LWC）包線

通過不同的SLD結冰條件的溫度—LWC包線范圍，可看出ZLE結冰條件的溫度—LWC包線范圍不僅涵蓋ZRE的溫度—LWC包線范圍，而且比ZRE范圍要大得多。ZRE只可能在大氣溫度為0～-13℃內形成，而ZLE卻可以在當大氣溫度低至-25℃時仍存在。而附錄C的結冰條件可能存在大氣溫度則更低，連續最大結冰條件最低溫度為-30℃，間斷最大結冰條件最低可以達到-40℃。

綜上所述，附錄O SLD結冰天氣條件是一種比25部附錄C連續最大結冰條件的結冰云層范圍可能更大的一種結冰天氣條件，但SLD結冰天氣條件出現的溫度范圍比附錄C要小，而且氣溫越靠近零度出現SLD嚴重結冰天氣條件的概率越大。因此，在飛行過程中為避免遭遇SLD結冰環境，盡量在6.5千米以上高度飛行，因為這一高度及以上的大氣溫度基本常年在-25℃以下，基本不會遇到SLD結冰天氣條件。

但截至目前，世界上運行的飛機的防除冰系統還都是按照25部附錄C結冰條件進行設計，不具備在過冷大水滴結冰條件下安全運行的能力，因此一旦遇到嚴重結冰天氣，尤其是凍雨天氣，一定要停飛或繞飛，禁止飛入該種結冰環境里。

我國民用航空器的適航性技術和管理工作是從20世紀70年代開始的，其中針對飛機結冰的適航性設計和驗證工作主要完成了雙發螺旋槳飛機按FAR/CCAR 23部的適航取證工作。近期，ARJ21-700飛機也遠赴加拿大進行了自然結冰試飛。ARJ21-700飛機自然結冰試飛是我國第一次嚴格按照CCAR 25部對飛機進行全面、系統的適航取證試飛，不僅對飛機及發動機、APU、空速系統、空氣管理系統、電源系統等提出更高的驗證要求，同時該科目也是FAA進行現場目擊的重要試飛科目之一。隨著近些年我國國產客機產業的迅猛發展，在新的結冰氣象條件下，國產客機的適航取證與運行也將面臨巨大挑戰。