飛機(jī)翼面積冰對(duì)飛行的影響分析

邱玲

摘要：飛機(jī)積冰是威脅飛機(jī)飛行安全、影響飛行性能的主要因素之一。文章分析總結(jié)了機(jī)翼和平尾積冰對(duì)飛行的主要影響。

關(guān)鍵詞：翼面積冰；飛行性能；飛機(jī)

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)的安全性和舒適性已經(jīng)得到了很好保障，快速便捷的飛機(jī)成為人們出行的主要交通工具之一。但飛機(jī)飛行環(huán)境處于復(fù)雜多變的大氣層中，風(fēng)雪雷雨冰雹等氣象都會(huì)對(duì)飛行產(chǎn)生不利影響，其中，飛機(jī)結(jié)冰這一看似平常的自然現(xiàn)象，卻會(huì)對(duì)飛行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。當(dāng)飛機(jī)在冬季飛行或者穿過積雨云等易積冰區(qū)域時(shí)，往往會(huì)在飛機(jī)部件的迎風(fēng)面，包括機(jī)翼（或螺旋槳）、機(jī)頭、水平尾翼、垂直尾翼、增升裝置、操縱面、進(jìn)氣道唇口、空速管、天線和擋風(fēng)玻璃等部位產(chǎn)生積冰，從而惡化飛行性能，嚴(yán)重者造成安全事故。比如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道積冰，會(huì)使推力下降，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的震動(dòng)，脫落的冰塊如果掉入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷，造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞或停火；空速管和壓力探頭積冰會(huì)使儀表顯示失真從而誤導(dǎo)飛行員等。我們來看看下面這些空難。

1989年3月10日，加拿大安大略航空公司一架福克F28飛機(jī)起飛69 s后墜毀，24人死亡，45人受傷，原因：機(jī)翼表面一層薄冰。

15個(gè)月后，全美航空的一架福克F28飛機(jī)起飛30 s后于跑道盡頭墜落，27人遇難。原因：飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)除冰后又等待30 min后起飛，導(dǎo)致機(jī)翼表面再次積冰。

可見飛機(jī)積冰嚴(yán)重影響飛行安全，但積冰部位不同，對(duì)飛行的影響是不一樣的，本文僅討論飛機(jī)機(jī)翼和尾翼翼面積冰對(duì)飛行的影響。

1 機(jī)翼積冰對(duì)飛行影響

飛機(jī)飛行時(shí)的升力主要是機(jī)翼產(chǎn)生的，其升力系數(shù)隨迎角的變化如圖l所示，隨著迎角“增加，升力系數(shù)Cv剛開始也增大，但當(dāng)迎角增加到某個(gè)角度（即失速迎角Cc。，）時(shí)，升力系數(shù)達(dá)到最大值Cvmax，如果繼續(xù)增加迎角，機(jī)翼上表面的氣流大面積分離，形成如圖2所示的旋渦區(qū)，使升力系數(shù)大大下降，產(chǎn)生一種叫大迎角失速的現(xiàn)象。失速時(shí)，升力陡降、阻力大增，飛機(jī)機(jī)頭下沉，機(jī)翼發(fā)生振動(dòng)，飛機(jī)難于保持正常飛行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)空難。因此，為避免飛機(jī)在飛行時(shí)發(fā)生失速，保證飛行安全，規(guī)定其飛行迎角不能超過飛機(jī)的失速迎角。但當(dāng)機(jī)翼表面積冰后，機(jī)翼的外形發(fā)生了惡性改變，會(huì)使飛機(jī)在小于設(shè)計(jì)失速迎角的情況下提前失速，從圖1可以看出，機(jī)翼前緣積冰后，除升力大大降低外，其失速迎角也降低了2-4度。

具體來說，機(jī)翼表面積冰會(huì)有下列一些影響。

1.1影響飛機(jī)的起飛和爬升性能

機(jī)翼積冰使飛機(jī)的升力減小，在達(dá)到離地速度和迎角時(shí)，升力小于飛機(jī)重力導(dǎo)致飛機(jī)不能起飛，由圖l看出，可以增大迎角來提高升力，但較大迎角起飛容易導(dǎo)致飛機(jī)尾部擦地，所以只能靠增加速度提高升力使飛機(jī)起飛，同時(shí)機(jī)翼積冰使阻力增加，飛機(jī)起飛滑跑的加速度減小，從而導(dǎo)致滑跑距離大大增加，甚至沖出跑道。

飛機(jī)爬升時(shí)，阻力的增加則會(huì)減小飛機(jī)的上升角度和上升速度，使飛機(jī)的爬升性能變差，降低了飛機(jī)的越障能力。雖然大冰塊危害更大，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，僅僅在機(jī)翼表面每平方厘米分布一粒不足2 mm的細(xì)小冰粒，也會(huì)使飛機(jī)的升力減少量超過20%，導(dǎo)致飛機(jī)起飛困難甚至發(fā)生失速的危險(xiǎn)，如前文中安大略航空公司F28飛機(jī)事故原因，就是機(jī)翼上一層飛行員目視都沒有發(fā)現(xiàn)的薄冰。因此，我國(guó)民航總局規(guī)定，任何飛機(jī)都不能帶冰、雪、霜起飛。

1.2影響飛機(jī)的著陸性能

飛機(jī)著陸時(shí)，如果機(jī)翼表面積冰導(dǎo)致升力減小，使得升力遠(yuǎn)小于飛機(jī)重力，著陸時(shí)飛機(jī)和跑道間產(chǎn)生巨大沖擊，損毀飛機(jī)和跑道。為了提高著陸時(shí)的升力，使之接近飛機(jī)重力以減小地面沖擊，必須增加飛機(jī)的著陸速度，從而延長(zhǎng)了著陸時(shí)的地面滑跑距離和時(shí)間。

1.3影響飛機(jī)的巡航性能

在飛機(jī)平飛時(shí)，如果機(jī)翼積冰引起飛機(jī)阻力增加升力減小，那么要保持其飛行速度和迎角等飛行狀態(tài)不變，就需要加大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，從而消耗更多燃料，縮短了飛機(jī)的航時(shí)和航程，增加運(yùn)行成本。而如果不增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，則飛行速度會(huì)減小，為保持飛機(jī)不掉高度，需加大迎角飛行，就可能導(dǎo)致機(jī)翼大迎角失速。

1.4機(jī)翼翼尖失速影響副翼的操縱效率

研究證實(shí)，小而薄的部件更易積冰，所以機(jī)翼翼尖和平尾等部件積冰更嚴(yán)重。機(jī)翼翼尖相比翼根更薄，容易先積冰從而引發(fā)翼尖先失速，使位于翼尖附近的副翼操縱效率降低，另外翼尖失速會(huì)使機(jī)翼的升力作用點(diǎn)前移，增加機(jī)翼根部的結(jié)構(gòu)受力，同時(shí)使機(jī)頭上仰，加大迎角有失速的危險(xiǎn)。 此外，飛機(jī)左右機(jī)翼的積冰狀態(tài)不可能完全一樣，這就會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)側(cè)傾，加大操縱困難，如果一側(cè)機(jī)翼先失速，那么這側(cè)機(jī)翼提供的升力忽然大減，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)突然向該側(cè)劇烈滾轉(zhuǎn)，發(fā)生危險(xiǎn)。

總之，機(jī)翼積冰會(huì)使飛機(jī)在飛行時(shí)升力減小、阻力增大，操縱困難，飛行性能變壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)失速引發(fā)空難事故。

2 平尾結(jié)冰的影響

如圖3 （a）所示，平尾一般是負(fù)迎角安裝，產(chǎn)生向下的升力，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生抬頭力矩起到配平作用。由于平尾比機(jī)翼薄而小，積冰比機(jī)翼更嚴(yán)重。平尾積冰和機(jī)翼積冰一樣，也會(huì)使平尾上產(chǎn)生的升力減小阻力增大，雖然由于其面積小變化量不大，但由于平尾位于飛機(jī)尾部，遠(yuǎn)離飛機(jī)重心，其產(chǎn)生的俯仰力矩變化可不小。故平尾積冰主要影響飛機(jī)的俯仰穩(wěn)定性和俯仰操縱性。

（1）平尾積冰導(dǎo)致平尾升力減小，俯仰穩(wěn)定力矩減小，降低了飛機(jī)俯仰穩(wěn)定性。

（2）平尾積冰導(dǎo)致氣流分離，降低了升降舵操縱力和俯仰操縱力矩，導(dǎo)致升降舵的操縱效率降低，甚至飛機(jī)的俯仰操縱能力喪失。

（3）平尾失速。為增加升力和阻力，飛機(jī)著陸時(shí)往往會(huì)向下大角度偏轉(zhuǎn)襟翼，使機(jī)翼上下壓差增大，從而導(dǎo)致機(jī)翼翼尖旋渦強(qiáng)度增加，下洗氣流速度增大使平尾的相對(duì)氣流V下偏到V尾，平尾的負(fù)迎角增大，如圖4所示，而平尾積冰又降低了平尾失速迎角的絕對(duì)值，從而導(dǎo)致平尾在較小迎角下提前發(fā)生失速。失速時(shí)，平尾下翼面的氣流完全分離，產(chǎn)生的向下的負(fù)升力不能平衡飛機(jī)的低頭力短，飛機(jī)機(jī)頭猛然下俯，如圖3 （b）所示，而這時(shí)升降舵的操縱能力也大為降低，并且此時(shí)飛行高度較低，飛機(jī)一旦發(fā)生平尾失速，往往難以控制而導(dǎo)致災(zāi)難。

機(jī)翼和尾翼上的操縱面積冰后，會(huì)導(dǎo)致操縱桿力、操縱效能等發(fā)生變化，但如果是操縱面縫隙積冰，不僅降低操縱效率，嚴(yán)重時(shí)還將出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，操縱面不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使操縱能力完全喪失。

3結(jié)語(yǔ)

鑒于飛機(jī)積冰對(duì)飛行的危害極大，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量的飛機(jī)防除冰研究，采取了多種多樣的防（除）冰方式。包括機(jī)械除冰系統(tǒng)、液體防冰系統(tǒng)、氣熱防冰系統(tǒng)、電熱防冰系統(tǒng)等方法，目前己廣泛應(yīng)用于各型飛機(jī)中，大大減小了積冰的危害。當(dāng)然，最好的辦法是讓飛機(jī)不結(jié)冰，比如飛機(jī)表面采用超疏水材料，使水滴不能黏附在機(jī)體表面，達(dá)到防止積冰的目的。目前科學(xué)家們正致力于這方面的研究，并取得了良好的進(jìn)展。相信不久的將來，“積冰”這一危害飛行安全的兇手，最終會(huì)完全被降服。