結冰對飛機飛行安全的影響機理與防護研究

李哲, 徐浩軍, 薛源, 王小龍

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

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結冰對飛機飛行安全的影響機理與防護研究

李哲, 徐浩軍, 薛源, 王小龍

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

飛機結冰導致機毀人亡的飛行事故頻發,嚴重威脅了飛行安全。分析了飛機結冰產生的機理,明確了飛機結冰問題研究的重點,闡述了飛機結冰的條件、過程和種類。在此基礎上,分析了影響飛機結冰的主要因素和參數,深入剖析了機體不同部位結冰對飛機氣動性能、穩定性和操縱性能的危害機理,并總結了飛機防、除冰的相關技術,展望了防、除冰技術的發展趨勢,討論了飛機結冰保護的研究方向。

飛機結冰; 飛行安全; 飛行特性; 除冰; 容冰

0　引言

表面結冰是飛機經常遇到的嚴重威脅飛行安全的現象。表面結冰改變了飛機的氣動外形,導致翼型失真,流場紊亂,嚴重時易誘發飛機失速,導致機毀人亡。美國Safety Advisor 1990～2000年的統計數據表明,結冰引起的飛行事故占所有氣象因素引起飛行事故的12%,且92%發生在飛行階段[1]。我國國土面積較大,地形差異顯著,氣象條件復雜,飛機結冰現象多發。并且由于我國航空事業發展迅猛,飛行密度不斷提高,全天候飛行需求旺盛,飛機遭遇結冰條件的概率大幅上升,對飛機結冰問題的研究刻不容緩。本文闡述了飛機結冰的機理、過程和種類,分析了影響結冰的主要因素和參數,詳細剖析了結冰對飛機的氣動性能、穩定性和操縱性的危害方式,結合防、除冰技術的發展現狀,討論了飛機結冰保護的發展方向。

1　飛機結冰的內涵

依據飛機所處狀態的不同,飛機結冰包括地面結冰和飛行中結冰。

地面結冰是指在地面停放或起飛滑跑階段,由于降水或外部氣溫較低等原因,飛機表面產生結冰或霜凍的現象。通常機械師在進行地面檢查發現結冰情況時,應及時采取措施進行地面除冰,飛機帶冰或帶雪起飛極易在爬升階段發生嚴重飛行事故。如2004年11月從包頭飛往上海的MU5211次航班起飛后不久即失速墜毀,調查發現飛機夜間在室外停放結霜,起飛前未進行除冰。

飛行中結冰是指在飛行過程中飛機迎風面產生積冰的現象。機組成員需及時發現飛機的異常響應,綜合天氣、飛行狀態、飛機響應、飛機表面結冰情況等因素，準確判斷并及時進行防、除冰操作。尤其是在起飛、降落、穿越云層等飛行階段易發生結冰現象,且該階段時間較短、飛行員操縱動作復雜,更容易發生嚴重的飛行事故,如2006年6月某型運輸機在多次穿越結冰區后平尾失速墜毀。飛行中結冰占據結冰引起的飛行事故的92%,是飛機結冰問題研究的重點。

當前關于飛機結冰的研究方向較多,主要包括結冰的形成機理與過程、冰形的預測、結冰對氣動特性的影響、結冰對飛機飛行性能和飛行品質的影響、結冰后的飛行仿真，以及結冰條件下的邊界保護與容冰控制方法研究等。

2　飛機結冰的機理

2.1結冰條件

大氣中的云是水蒸氣達到飽和狀態后形成的,其主要組成成分是小水滴和小冰晶,小水滴在溫度低于0℃時,與冰核結合形成小冰晶。當云中冰核數量不足時,會存在溫度低于0℃的小水滴,稱為過冷水滴。在氣溫高于-15℃時,云中有效的冰核數量很少,因此這時云中很容易存在大量過冷水滴。而在溫度低于-40℃之后,過冷水滴的凍結不需要冰核,云中將不存在過冷水滴。大量過冷水滴與飛機相撞是飛機結冰的主要條件。

2.2結冰過程

飛機結冰主要有三種原因:一是空氣中存在過冷水滴,與飛機迎風面發生碰撞,水滴發生相變而結冰;二是空氣中的冰晶與物體發生碰撞而結冰;三是表面溫度較低的飛機進入溫暖潮濕的環境中,易發生結冰。

飛行中的結冰大部分是由于過冷水滴碰撞在飛機表面而產生的。飛機在飛行過程中,空氣受到飛機迎風面的阻礙,改變原流場繞過阻礙。而空氣中的過冷水滴,因慣性相對較大,不易繞開阻礙而與飛機迎風面發生碰撞。部分過冷水滴因碰撞而返回到空氣中,另一部分附著在飛機表面。附著在飛機表面上的過冷水滴一部分發生結冰,另一部分沿飛機表面向后流動,如圖1所示。

圖1　過冷水滴撞擊飛機表面示意圖Fig.1　Striking of supercooled-water droplets on the wing

2.3冰型種類

不同的氣象條件和飛行條件導致的結冰類型也不一樣。根據積冰物理過程，冰型可分為:霜冰、明冰、混合冰、積霜和干積冰。其中,積霜和干積冰是冰晶沉積在部件表面而形成的積冰,該類型的積冰在飛機飛行過程中極少發生,在飛機停放階段可能發生,一般要求飛機在清除積霜和干積冰后才能夠起飛,對飛機飛行階段影響不大,故本文對此不做重點分析。圖2所示為霜冰、明冰和混合冰。

圖2　飛機結冰種類Fig.2　Aircraft icing category

霜冰是機體表面形成的較為粗糙、不透明、質地稀松的冰層,因結冰形狀與地面積霜類似而得名。在溫度為-20℃左右的云層中,過冷水滴體積較小、數量較少,與飛機迎風面碰撞后迅速凍結,幾乎能夠保持水滴的形狀,因此所聚積形成的冰層質地粗糙,而且各冰粒之間存在空隙,因此冰層質地稀松、不透明。此外,當飛機從溫度很低的高空迅速下降到溫暖潮濕的高度層,或從溫度較低的機場起飛穿越逆溫層時,機體溫度低于露點,大氣中的未飽和空氣在較冷的機體表面可直接凝華形成霜冰。因為霜冰松脆的特點,在機體增溫后可清除。若機體表面溫度低于露點,霜冰將一直存在。雖然霜冰厚度較小,但依然會對機體周圍的流場產生影響。若風擋前產生霜冰,則會影響目視飛行。總體而言,霜冰對飛行安全的危害較小。

明冰是機體表面形成的透明、光滑、質地堅固的冰層。在飛機穿越包含較大過冷水滴的云層或溫度為0～10℃的雨中時,溫度較高、水滴較大、凍結過程較慢,在水滴碰撞機體后并沒有全部凍結在相碰處,部分水滴沿著氣流向后蔓延并逐步凍結。該類冰型凍結得相對牢固,且聚積的速度較快,除冰設備往往也難以快速清除干凈;因其外形復雜,嚴重破壞了飛機的氣動外形，擾亂了機體表面的流場,因此對飛行安全構成較大的危害。

混合冰又稱毛冰,其兼顧了霜冰和明冰的特點。在溫度為-5～-15℃的云層中,同時存在著大小不一的過冷水滴,因此形成的積冰同時兼備了大水滴與小水滴凍結的特征。該溫度條件下的云中可能含有冰晶。由于過冷水滴與冰晶一起凍結,故可形成表面較為粗糙的不透明混合冰。混合冰表面粗糙不平、形狀復雜,可嚴重破壞結冰部位附近的流場,同時又具備明冰凍結較為牢固的特點,所以對飛行安全的影響不亞于明冰。此外,根據結冰的幾何形狀,冰型可分為:粗糙度冰、角狀冰、流向冰和冰脊,如圖3所示。根據結冰部件,冰型可分為:機翼結冰、風擋玻璃結冰、發動機進氣道結冰和平尾結冰等。

圖3　機翼結冰的幾何形狀Fig.3　Icing shapes on a wing

3　結冰的主要影響因素和參數

影響飛機結冰量、結冰范圍和結冰形狀的因素有很多,當前公認的主要因素包括三個方面:飛機幾何構型、飛行氣象條件和飛機飛行狀態等。飛機幾何構型包括飛機布局、外形、尺寸等,特別是機翼前緣等主要迎風面的幾何構型;飛行氣象條件包括云層范圍、高度和溫度、液態水含量(LWC)、平均水滴有效直徑(MVD)等;飛機飛行狀態包括飛行速度、飛行高度、飛機姿態(主要是迎角、側滑角)等。

(1)飛機幾何構型:在外部結冰條件相同時,前緣半徑越小的翼型最大局部收集效率越高。因此,較薄的翼型結冰速度更快,導致結冰更嚴重,如同一架飛機平尾結冰的厚度可達到其機翼的2～3倍[2]。此外,部件表面的光潔程度也影響結冰的速率。當部件表面較為粗糙時,其捕獲凍結水滴的效率更高,粗糙顆粒相當于前緣半徑很小的水滴收集器。

(2)飛行氣象條件:中國民用航空規章25部第4版(CCAR-25R4)附錄C[3]規定了連續最大和間斷最大兩種大氣結冰狀態,結冰強度由飛機所處云層空氣溫度、液態水含量和平均水滴有效直徑三個變量共同決定,并探討了連續最大與間斷最大結冰條件下溫度與壓力高度的變化關系,依據結冰風險等級劃分了溫度-高度范圍。該附錄中參數是研究飛機結冰問題的基本依據。

(3)飛機飛行狀態:飛行速度增大,單位時間內撞擊部件的過冷水滴數量增加,會使結冰強度增大,但當飛行速度超過結冰極限時,氣動力加熱作用會使部件表面不再結冰;大部分結冰發生在高度1～6 km之間,最容易發生在3 km左右,而低于1 km或高于10 km之后,結冰較少;飛行姿態決定了空氣流中飛機的迎風部位。當飛機迎角增大,直接接觸來流的飛機部件面積增大,而對于來流,飛機機身變厚,一方面使得過冷水滴的收集效率降低,另一方面使得過冷水滴的收集區域增大,結冰量增加與否取決于兩者的共同作用。

通常選取結冰強度和結冰程度兩個結冰參數定量描述不同結冰條件下的結冰特性。

結冰強度是結冰對飛行安全危害程度的度量,通常選用結冰速度(冰在機體表面形成的速度)來衡量。根據一定時間內單位面積上的積冰量可將結冰強度劃分為弱結冰、輕度結冰、中度結冰及強結冰,其對應的結冰速率分別為(<0.6,0.6～0.1,0.1～2.0,>2.0)mm/min。弱結冰一般不會對飛行安全造成威脅,通常不需要使用防、除冰裝置,除非長時間在該環境下飛行;輕度和中度結冰情況下，需要開啟防、除冰裝置以消除安全隱患;而一旦發現強結冰,機載防、除冰系統一般難以很好地消除威脅,飛機性能持續惡化,往往需要強制改變航線,規避結冰環境。

結冰強度不能完全反映飛機結冰的嚴重程度,在一定結冰強度下,結冰量的大小還取決于飛機在結冰環境下的飛行時間。為使飛行員判斷飛出危險區域前結冰的威脅程度,需引入新的結冰參數——結冰程度。結冰程度是指飛機在結冰條件下飛行總時間內,部件表面所結冰層的最大厚度,由結冰強度和飛機在結冰環境下飛行總時間共同決定,結冰程度可劃分為弱、輕度、中度和強,其值分別對應(0.1～5.0,5.1～15.0,15.1～30.0,>30.0) mm。

4　結冰的影響分析

結冰的部位、類型和程度都是積冰程度的重要影響因素,其共同決定了積冰對飛行安全的危害程度。飛機迎風面上的所有部件在飛行中都有可能結冰,通常容易結冰的部位包括:機翼前緣、尾翼、螺旋槳、旋翼和機頭罩、進氣道和發動機唇口、風擋、天線及傳感器等。不同部位、類型和程度的結冰對飛行安全的威脅方式和程度不同,機翼、尾翼、發動機和空速管等部位的結冰往往對飛行安全構成較大的危害。下面結合誘發原因、飛行性能、操縱性能和典型事例4個方面，分析各部件結冰對飛行安全的影響。

機翼和尾翼都是飛機的主要升力面,結冰主要發生在舵面前緣,破環舵面的流線外形,附面層提前轉戾,氣流提前分離,使得機翼和尾翼升力系數下降,阻力系數增大,表1給出了不同粗糙度下飛機最大升力系數和阻力系數的變化情況[2]。結冰致使翼型失真,飛機空氣動力性能下降,不僅升力降低、阻力增大,而且失速速度增大、失速迎角減小、飛行包線范圍縮小,飛行性能和飛行品質惡化。由于結冰破壞了飛機的設計流場,鉸鏈力矩和操縱導數異常變化,操縱舵面的效率也將降低,可誘發“海豚跳”,嚴重時致使飛機失去控制;若舵面間的縫隙積冰,不僅可能破壞操縱舵面,嚴重時會造成舵面卡死,導致無法操縱。尤其是平尾結冰,當飛機進近著陸放大襟翼角度時,氣流下洗作用增強,極易導致實際迎角超出平尾的失速迎角,使平尾的負升力嚴重降低甚至消失,引發飛行事故。同樣,垂尾結冰使得垂尾臨界迎角減小,飛機修正側風能力降低,嚴重時可導致反操縱。

表1　機翼表面沉積物粗糙度的影響Table1　Effectofsedimentroughnessonwingsurface

發動機的進氣道、動力裝置等在結冰條件下均會產生積冰。當飛機穿越存在過冷水滴的云層時,若外部溫度低于0℃,則發動機進氣道就可能發生積冰。若進氣道冰層凍結較厚,則可導致發動機進氣量減少,進氣道速度場分布不均勻,引發氣流局部分離,發動機推力下降、功率降低,飛行員推油門,發動機沒有反應,單純增加油量已不能形成正確的油氣混合比,易引發核心機出現故障或造成發動機富油熄火;結冰嚴重時可引起壓氣機喘振;若出現冰層冰塊脫落,吸入壓氣機內,則可打傷或打壞葉片,造成發動機損壞甚至是空中停車。飛行實踐顯示,當外界溫度低于5℃時,由于流經進氣口空氣的膨脹冷卻作用,溫度可降低幾度,即使飛機其他部位尚未結冰,噴氣式發動機進氣口處也可能發生結冰[4]。發動機處防、除冰裝置開啟時間也很關鍵,開啟過早,發動機引氣過多,導致推力降低;開啟過晚,易導致冰層冰塊脫落,打傷壓氣機葉片。因此,要對發動機進氣口防、除冰問題給予足夠的重視。

空速管結冰造成動靜壓失準,對于依據動靜壓參數改變操縱系統傳動比的飛機,失準的動靜壓可造成操縱系統傳動比異常變化,飛機空速失真,飛行狀態異常,飛行員不能獲得準確信息而無法操作。空速管積冰也會導致部分飛機自動駕駛系統斷開,引發相關告警系統工作?？账俟芡ǔＩ斐鲲w機表面,管上動壓孔和靜壓孔較小,結冰條件下飛行易被冰晶堵塞。同樣,迎角傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等是為飛行員提供必需的飛行參數的傳感器,一旦結冰,也將導致儀表、儀器指示失真。如空客A330飛機曾遇到高空冰晶堵塞空速管,機組成員無法獲取真實空速等數據信息,導致操縱錯誤引發重大空難。

同樣,飛機其他部位結冰也將對飛行安全產生嚴重影響。風擋玻璃結冰將導致飛行員目測飛行困難,對起飛和著陸階段影響重大。機載天線設備結冰,可發生機械折斷,導致電子設備或通訊設備失靈。機體結冰增加了飛機的重量,改變了飛機的重心,破壞了原有的氣動性能,同時飛機所需推力和升力均增大,相同飛行條件下,需加大發動機推力,增大耗油量,使得飛機航程、航時減小;機體結冰導致飛機需用推力曲線上移,可用推力曲線下移,飛機最大平飛速度減小,受平飛失速速度影響的最小平飛速度增大,飛機可用速度范圍嚴重縮小。

5　防、除冰方法

飛機結冰對飛行安全產生嚴重影響,為了預防和除掉積冰,依據不同部位對積冰的敏感程度,當前主要采用防冰系統和除冰系統兩種措施。防冰系統是指在對積冰敏感的飛機部件上布置的預防結冰的系統,以確保在任何氣象條件下,受保護部件不產生積冰;除冰系統是允許飛機部件產生一定量的積冰,后期可將其清除掉的系統。防、除冰方式多樣,依據使用能源的不同可分為機械除冰、液體防冰、氣熱防(除)冰、電熱防(除)冰等。

機械除冰是指通過防護區域的蒙皮振動使得防冰表面的冰層松動、斷裂而脫離,經由高速氣流把破碎的冰塊吹除。通常,引發蒙皮振動的方式有:在防護區域下鋪設膠皮管間斷充氣、放氣,利用膠皮管的彈性形變引發蒙皮振動;利用超聲波發生裝置引發蒙皮周期性振動;利用由釋放靜電能產生高能量的電脈沖引發蒙皮在彈性變形范圍內的快速鼓動[5]。由于該除冰方式對飛機氣動性能影響較大,目前已很少采用。

液體防冰包括地面和飛行中兩種方式。地面液體防冰是指地勤人員使用地面除冰車對機身噴涂防冰液,使得機身形成一層薄膜,水與防冰液混合后冰點降低，不易在機體表面結冰。飛行中液體防冰是指在防護區域噴出防冰液,經由氣流作用或螺旋槳旋轉的離心作用,均勻地將防冰液涂抹在待防護區,與過冷水滴混合后降低其冰點。通常采用乙烯乙二醇、異丙醇、乙醇、甲醇等低凝固點的液體作防冰液。使用液體防冰,不會在部件防冰區域后形成冰瘤,且停止供液后仍具有短時的防冰作用,民用機場多采用地面防冰技術。對于飛行中液體防冰技術,由于防冰液消耗量大、系統重量大，且噴液孔易堵塞、維護復雜,目前已很少采用。

氣熱防、除冰是指利用熱空氣加熱飛機待防護部件表面的熱力防、除冰技術。噴氣式飛機常從壓氣機處引氣作熱源;活塞式發動機的飛機多用汽油加溫器等加熱沖壓空氣作熱氣源。氣熱防冰依據加熱效果可分為“干防冰”和“濕防冰”兩種?！案煞辣笔侵笇ΥＷo區域持續加熱，保持待保護區無結冰現象或將已形成的積冰清除干凈;“濕防冰”是指連續加熱不能使保護區域收集的全部水量蒸發的防護手段。“干防冰”需要熱量較大,多用于不允許產生冰瘤的區域,如發動機前緣、掛架等處;“濕防冰”需要熱量較少,易在除冰面后形成冰瘤,防護表面呈流濕狀態,多用于存在少量冰瘤而不嚴重影響飛行安全的部位,如機翼、尾翼、風擋等。氣熱防、除冰需從壓氣機等處引氣,設備復雜且不易進行周期性精確控制,若結冰較為嚴重,需引出大量氣體而易導致發動機供氣不足。如MD-82飛機機翼和尾翼防、除冰均采用從壓氣機引氣進行氣熱除冰,為預防引氣過多導致發動機功率下降,規定機翼和尾翼交替除冰[6]。

電熱防、除冰是指將電能轉化為熱能,通過電加熱對防護區域進行加熱的防、除冰技術。電熱防冰技術有連續加熱和間斷加熱兩種。對不允許積冰或耗電量較小的部件,采用連續加熱,如風擋、空速管等;對允許少量積冰或加熱耗電量較大的部件,采用周期式加熱,如機翼和尾翼等。電熱防冰因其操作簡易、動力損失小、加熱均勻、效果顯著、響應較快,且對飛機氣動性能影響較小,是目前使用最為廣泛的防、除冰技術。當前飛機智能除冰技術主要聚焦在熱力除冰,特別是電熱系統除冰,因為電熱除冰技術與機械或化學除冰技術相比,便于數值模擬和精確控制,也便于設計模塊化除冰軟件,因此是飛機防、除冰研究的一個重要趨勢。

6　飛機結冰保護的發展趨勢

機體結冰導致飛機飛行性能降低,穩定性和操縱性惡化,飛行包線嚴重縮小,嚴重威脅飛行安全。早期的防、除冰技術研究致力于如何預防和消除機體結冰,但由于防、除冰系統耗能較高,機體可能結冰區域大,部分結冰區域不易觀察等因素,導致防、除冰技術不可能完全達到預期的效果,帶冰飛行不可避免。因此,在防、除冰技術應用的基礎上,如何提高飛機容冰安全飛行能力是目前結冰研究問題的一個發展方向。飛機容冰能力是指飛機在出現一定程度的結冰后,能夠保持一定安全裕度飛行的能力。

Bragg教授等[7]于1998年首次提出了飛機智能防冰系統(Smart Icing System,SIS)。其研究思路是：實時探測飛機的結冰情況和防、除冰系統的工作情況,快速分析結冰的種類和程度,評估結冰對飛行性能、穩定性和操縱性的影響程度以及飛機容冰飛行的能力,及時向飛行員提供結冰信息和告警信息,自動適當修改控制律,確保飛機在新的飛行包線內安全飛行。世界各國也在積極尋求其他防、除冰技術。在多學科融合的基礎上,探索新型結冰防護材料,如德國研制出了一種魚蛋白涂料,涂在飛機機翼表面可有效防止飛機高空結冰。

7　結束語

雖然目前對飛機結冰問題的研究取得了一定的進展,但由結冰引起的飛行事故仍時有發生。對飛機結冰的條件、過程、種類以及結冰對飛機的氣動性能、穩定性和操縱性的影響等問題的機理研究急需繼續探索。飛機防、除冰技術和方法、飛機結冰告警、飛行邊界保護以及容冰飛行等應用研究仍需進一步挖掘研究。氣象條件預報和實時天氣告警機制等相關研究也有待進一步開發完善。

[1]Safety Advisor.Aircraft icing [EB/OL].(2013-05-01)[2015-09-25].http://www.aopa.org/-/media/Files/AOPA/Home/Pilot%20Resources/ASI/Satety%20Adivi-sors/sall.pdf.

[2]Thomas J V.Overview and risk assessment of icing for transport category aircraft and components[R].AIAA-2002-0811,2002.

[3]中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準:CCAR-25-R4附錄C[S].北京:中國民用航空總局,2011.

[4]Federal Aviation Administration.Aircraft ice protection:AC20-73[S].USA:FAA,2006.

[5]劉星. 機翼積冰對飛行安全的影響[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[6]張寶霖.從飛行事故看MD-90防冰系統的改進[J].國際航空,1998(5):64-65.

[7]Bragg M B,Basar T,Perkins W R,et al.Smart icing systems for aircraft icing safety[R].AIAA-2002-0813,2002.

(編輯：姚妙慧)

Research on flight safety effect mechanism and protection for aircraft icing

LI Zhe, XU Hao-jun, XUE Yuan, WANG Xiao-long

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

Disastrous airplane accident happened frequently due to icing on the airplane, which is a lethal threat factor to flight safety. Aircraft icing conditions, process and types are analyzed based on the exploration of its formation mechanism. Key points for aircraft icing are emphasized, and main factors and parameters which influence the aircraft icing are analyzed. Threaten mechanism on flight performance, stability and controllability for different icing positions is deeply analyzed. Anti-icing and de-icing technologies and methods are summarized and future focus for aircraft icing protection is discussed.

aircraft icing; flight safety; flight performance; de-icing; ice-tolerant

2015-09-25;

2016-04-07; 網絡出版時間:2016-04-22 09:52

國家自然科學基金資助(61374145，61503406)；國家“973”計劃基金資助(2015CB/755802)

李哲(1989-)，男，河南新鄉人，博士研究生，研究方向為飛行仿真與飛行安全。

V212.1

A

1002-0853(2016)04-0010-05