冰污染導致的平尾失速技術研究

劉立蘇

摘 要：當飛機在結冰環境中飛行時會發生平尾冰積聚，冰污染導致的平尾失速（ICTS）嚴重威脅著飛機飛行安全。本文詳細介紹了平尾冰積聚過程，并詳細分析了平尾失速產生的原因及發生平尾失速時飛機的響應和改出方法，并將平尾失速與機翼失速進行對比。研究結果對平尾失速技術研究和試飛提供較好的技術支持。

關鍵詞：平尾失速；平尾冰污染；失速

中圖分類號：V217.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0059-01

機翼失速已被航空從業人員所熟知，現代飛機有非常完善的失速保護系統，但平尾失速還沒有被航空從業人員所熟知。由于平尾失速產生原因的特殊性，使得平尾失速一般發生在著陸進近階段，如果不能立即判明是平尾失速并執行改出動作，將發生災難性的后果。下面的兩個真實事例能夠讓我們認識到發生平尾失速后不及時改出而導致的災難性后果及目前飛行機組對平尾失速專業知識的匱乏。

事例一：2001年某月某日，中國空軍發生連續兩起Y-8飛機飛行事故，2號、1號兩架Y-8飛機分別墜毀于機場226°方位、8.9km和225°方位、8.5km處，兩機相距425m，空勤人員全部犧牲。經調查組事故分析，認為導致這兩起一等事故的直接原因是：飛機穿云著陸過程中平尾結冰，飛行員無法判斷，放下大角度襟翼后導致平尾失速，飛機急劇下俯，飛行員無法處置，垂直墜地（兩架飛機墜地角度約為90°～110°），先后發生一等飛行事故。

事例二：2000年1月4日，某航空公司一架Y-8飛機著陸進近時發生平尾積冰失速，當時高度約300m，飛機機頭突然下俯，空中機械師迅速收襟翼，飛行員兩腳蹬住儀表板拉桿到底，飛機成功改出，掉高度約100m。

本文對平尾冰污染及平尾失速產生的原因進行分析，詳細闡述了平尾失速時飛機的響應及此時機組應采取的改出措施。并將平尾失速和機翼失速的異同點進行對比，以進一步區分與機翼失速的不同。

1 平尾冰污染

在結冰環境中飛行時，飛機所有的迎風面都會出現結冰現象。對于更尖外形的結構更容易發生結冰，且結冰速率也更快。與機翼相比，平尾前緣半徑較小，相對厚度也只有機翼的一般，這導致在結冰環境中飛行時平尾結冰比機翼結冰發生的更早、結冰速率更快、結冰厚度也更厚。

冰風洞試驗及自然結冰試驗表明平尾前緣積冰相對厚度是機翼前緣結冰相對厚度的3～6倍，是風擋雨刷搖臂上積冰相對厚度的2～3倍。對于渦槳類飛機，其槳葉產生的氣流可能使平尾結冰現象更加嚴重。

2 平尾失速產生的原因

常規布局的飛機平尾產生負升力，從而形成一個抬頭力矩平衡由機翼升力形成的低頭力矩，達到全機力矩平衡。負升力的產生需要平尾為負迎角。當平尾迎角超過平尾失速臨界迎角時發生平尾失速。

對平尾失速導致的飛行事故分析表明，平尾失速主要發生在有結冰氣象條件下著陸進近階段。在此階段容易發生平尾失速的主要原因有以下幾點：

（1）平尾前緣發生結冰，改變平尾氣動外形，平尾失速臨界迎角顯著減少。（2）著陸進近時伸出襟翼，機翼升力增加，機翼氣動中心后移較多，機翼升力產生的低頭力矩增大；從而需要平尾產生更大的負升力來克服機翼升力導致的低頭力矩。需增大平尾迎角，平尾失速裕度進一步減小。（3）伸出襟翼后，機翼對平尾的下洗氣流顯著增強，導致平尾的正迎角減小而負迎角進一步增加，極易發生平尾失速（如圖1所示）[1]。（4）減速進場，飛行員需增加推力并拉桿以保持較小的進場速度，拉桿使升降舵后緣上偏，從而增加平尾的彎度而減小了平尾的臨界迎角。

綜上所述，在結冰進近過程中平尾迎角增加，失速臨界迎角減小，當平尾迎角大于失速臨界迎角時發生平尾失速。

3 平尾失速時飛機響應及改出方法

當平尾迎角逐漸增大直至平尾失速的過程中，平尾下表面發生氣流分離；分離的氣流在平尾后部重新附著；由于氣流分離，平尾配平效率降低，飛機無法配平。如果飛機操縱系統為可逆的，當氣流分離后重新附著點移動到升降舵鉸鏈點之后（如圖3所示），則此時飛行員可以感受操縱桿的前后抖動；隨著越來越逼近平尾失速，操縱桿的抖動幅度越來越大，所需控制力也越來越大。

當平尾迎角繼續增大至平尾失速時，平尾產生的負升力迅速減小；升降舵鉸鏈力矩突然增大并發生逆轉，升降舵后緣下偏，操縱桿被壓向前方。一般來說克服鉸鏈力矩所需的操縱力非常大，超出飛行員的力量范圍。平尾失速發生后，由于平尾產生的負升力迅速減小，全機的俯仰力矩不在平衡，而是表現出很強的低頭力矩，在此低頭力矩作用下，飛機將以極大的下俯角俯沖；此時飛機過載小于1g，嚴重時可能出現負過載。

由于高度較低，平尾失速后需要立即執行改出動作，否則將發生災難性事故。NASA格林研究中心的研究結果表明改出平尾失速的主要措施如下[2]：

（1）立即收起襟翼，減小機翼下洗氣流對平尾的影響，減小平尾迎角；（2）全力拉桿，恢復飛機飛行姿態；（3）根據發動機推力作用線相對重心關系決定推力設置，若推力作用線在重心之上，產生低頭力矩，則收油門；反之，則保持推力不變。

4 平尾失速與機翼失速對比

通常情況下失速指機翼失速，目前對機翼失速的理解已經非常全面深入，但對平尾失速的研究卻還處于初始階段。雖然都是因為超出臨界迎角而產生失速，但是平尾失速與機翼失速在飛機響應和改出方法上確是完全相反的。現將平尾失速與機翼失速時飛機響應和改出方法進行對，如表1所示。

5 結語

本文詳細介紹并分析了平尾冰污染、平尾失速產生的原因、平尾失速時飛機的響應及改出方法，并將之與機翼失速進行對比分析。本文可為進一步深入研究平尾冰污染導致的平尾失速（ICTS）和平尾失速試飛提供一定的借鑒價值。

參考文獻

[1]Michael G.AC23.143-1 ice contaminated tailplane stall （ICTS） [R].Seattle：FAA，1998.

[2]史剛，李云.Y-8飛機平尾積冰導致的飛行事故分析[J].飛行力學，2011，（5）：84-86.endprint