結冰對新舟600飛行性能影響研究

何志祥，胡俊偉

(中國民用航空飛行學院 廣漢分院 ，四川 廣漢 618307)

0 引言

飛機結冰是威脅飛行安全的重要因素之一，飛機一旦出現空中結冰輕則返航迫降重則機毀人亡，對人們的生命財產安全造成了巨大的損失[1]。據FAA數據統計[2-3]，2006—2016年由結冰引起的事故占總事故的2.5 %，占致命事故的4 %，各種因結冰引起的飛行事故屢見不鮮：2004年11月21日東航MU5210航班因飛行前未進行除冰處理，在起飛后不久墜落，造成55人遇難；2012年4月2日俄羅斯一架ATR-72型飛機因發動機結冰而墜毀，導致31人遇難。隨著我國民航事業的發展，全天候飛行已經成為趨勢，然而因地域、季節、氣候等影響，導致飛機結冰的幾率大大增加，飛機因結冰而出現的事故也逐年攀升，因此對飛機結冰問題的研究已經刻不容緩。

1 結冰機理

1.1 結冰條件及冰型

飛機結冰是指飛機在大氣中飛行時某些部位集聚了冰層的現象[4]。飛機通常在三種情況下易于結冰，一是表面溫度較低的飛機突然進入潮濕的環境時，容易出現結冰現象；二是當空氣中存在過冷水滴，且飛機在飛行中與過冷水滴碰撞而結冰；三是飛機表面與空氣中的冰晶碰撞導致結冰。從實際情況來，飛機飛行中結冰絕大多數是因為機翼表面與空氣中過冷水滴相互碰撞而引起。在飛行過程中，空氣遇到機翼等障礙物會改變其原流場從而繞開障礙物，但是過冷水滴因慣性較大無法及時避開飛機迎風面，在與迎風面碰撞過程中一部分過冷水滴返回到空氣中，而另一部分則附著在飛機表面發生結冰[5-6]。過冷水滴與飛機碰撞流體示意圖[7]如圖1所示。

圖1過冷水滴與飛機碰撞流體示意圖

飛機在不同氣象條件和飛行狀態下結冰的冰型往往會有一定的差異，主要包括：明冰、積霜、霜冰、混合冰、干積冰。其中干積冰和積霜一般是在飛機停放過程中出現，飛機在飛行前通常需要對其進行清除，因此對飛行階段影響較小。霜冰質地稀松，其表面較為粗糙透明，通常當溫度低于-20℃時，空氣中過冷水滴與飛機碰撞形成霜冰，因為霜冰質地稀松的特點，通常可通過加溫的形式對其清除[8]。明冰是飛機在穿越過冷水滴較多的云層或溫度較低的雨區時，在機體表面形成的質地堅硬、光滑、透明的冰層，此類冰型因為外形較為復雜，對飛機的外部氣流有著很大的影響，因此對飛行安全有著很大的威脅。混合冰通常又被稱之為毛冰，一般在-5～-15℃的云層中形成，而在該溫度下云層中往往存在著大量的過冷水滴，且云層中又含有大量的冰晶，過冷水滴與冰晶混合后形成了表面較為粗糙的混合冰[9]。混合冰因表面粗糙嚴重擾亂了機翼表面的氣流，對飛行安全產生了一定的影響。

1.2 結冰嚴重程度度量

結冰的強度是衡量結冰影響飛行安全的重要指標，通常采用結冰率來表示[10]。結冰強度在表征上通常是指在單位時間內、單位面積上的結冰量，從劃分上來看主要分為弱結冰、輕度結冰、中度結冰以及強結冰，不同結冰強度的結冰速率[11]如表1所示。

表1 不同結冰強度的結冰速率

從實際情況上來看以速率劃分的結冰強度并不能真正表達飛機表面結冰情況，例如在弱結冰條件下飛機所處時間較長，那么機體表面將會結成較厚的冰面。類似在強結冰條件下若飛機所處時間較短，那么機體表面所結冰量將較少，因此單純的以結冰速率來判斷結冰強度存在一定的局限性。在實際飛行中飛行員為了判斷結冰對飛行安全的危害性，通常以結冰程度(即結冰厚度)為依據，判斷機體結冰情況。飛機結冰程度等級如表2。

表2 飛機結冰程度等級

2 結冰對飛機性能的影響

在結冰條件下，飛機的機翼、風擋、空速管、發動機進氣道等部分會出現結冰現象，飛機一旦出現結冰輕則會增加飛行重量，重則影響飛機的升力、操縱性以及發動機推力等，從而威脅飛行安全。

2.1 對起飛性能的影響

飛機在地面停放，一旦出現結冰現象必須進行除冰處理，但是不能排除突發情況下飛機結冰起飛，因此仍然需要對結冰情況下飛機起飛性能進行研究。結冰情況下新舟600起飛性能的計算結果如表3所示。

表3 結冰情況下新舟600起飛性能計算結果

由表3可以看出，在結冰情況下飛機離地速度、滑跑距離、起飛距離等均出現增加，而造成這一現象主要是飛機結冰導致升力系數降低，原有在未結冰情況下的升力無法與飛機重力相平衡，這種情況下只有增加飛機的離地速度才能使飛機起飛。另外，結冰使得飛機阻力增加，起飛加速度減小，從而使飛機的滑跑距離和起飛距離增加。除此之外，飛機在結冰情況下，其平尾操縱性能會受到很大的影響，飛行員在拉桿過程中易出現拉桿過多，雖然在短時間內可以使升力增加，但是容易出現迎角過大，在低速情況下會造成飛機失速。

2.2 對爬升性能的影響

飛機在起飛后需要爬升到對應的巡航高度，而爬升過程中隨著飛行高度的增加，外部溫度不斷降低，飛機易出現結冰情況，因此有必要對結冰情況下飛機爬升性能進行研究。初始飛行高度為2000 m，發動機最大推力情況下以0.4的馬赫數進行爬升新舟600爬升性能計算結果如表4所示。

表4 新舟600爬升性能計算結果

飛機在結冰后默認飛機總重量不變，推力降低按5 %計算，其中：

(1)

式中，ΔP為剩余推力；θ為爬升角；vy為爬升率；v表示爬升速度；Gpj為飛機平均重量；Cx為阻力系數；P為推力；s為迎風面積；d為空氣密度 。

通過表4的計算結果可以看出，飛機出現結冰后其剩余推力降低導致飛機的爬升角、爬升率以及爬升的梯度均出現下降，若飛機爬升距離過長很容易造成飛機因結冰而出現飛行事故。

2.3 對續航性能的影響

飛機在飛行過程中巡航階段往往占據總航程和總飛行時間的90 %，而飛機在巡航過程中出現結冰會嚴重影響飛機的續航性能，如式(2)所示為巡航階段的航程和巡航時間計算方式。

(2)

式中，K表示升阻比；V表示巡航速度；Z表示推力有效系數；Wxh表示巡航階段燃油重量；q為燃油消耗率；L表示航程；T表示巡航時間 。

根據式(2)，假定兩種狀態下V、Z、Wxh、Gpj均保持不變，當升力系數減小5～15 %，阻力系數增加15～50 %時，根據計算此時升阻比將變為原來的57～83 %，由式(2)可計算出續航時間和續航航程均減少了13～40 %。通過計算可以發現飛機結冰對飛機續航時間和航程有著很大的影響，但是飛機在實際巡航過程中因為速度較快，在氣流作用下冰層會在一定程度上脫落，因此飛機在實際飛行中所受到的影響較小。

2.4 對著陸性能的影響

飛機著陸是飛機事故多發階段，若飛機在著陸過程中出現結冰現象，輕則影響飛機著陸性能，重則會導致機毀人亡，因此有必要研究在結冰情況下飛機著陸性能。以新舟600為例，當飛機著陸時開啟發動機反推裝置，襟翼偏角設置為0°，新舟600著陸性能對比結果如表5所示。

表5 新舟600 著陸性能對比結果

由表5可知，當飛機出現結冰時，此時飛機的升力系數降低，失速速度增加，進而導致飛機接地和進場速度增加，最終使得著陸距離和滑跑距離增加，且飛機冰層厚度越厚對飛機著陸性能影響越大。除此之外，飛機在著陸過程中其平尾也可能出現結冰，從而導致配平困難，加之著陸速度較大，若為了降低著陸速度而放下襟翼則很容易因平尾處下洗過大而產生附加抬頭力矩。在這種情況下若飛行人員處置不當極易造成飛機失速，進而引發事故。

3 新舟600防冰、除冰技術

飛機在結冰情況下為了保證飛行安全，需要對飛機特定部位進行防除冰處理，就新舟600而言需要采取防除冰處理的部位主要包括螺旋槳、機翼、空速管、發動機進氣道、尾翼以及風擋等部位。從工作方式上來分，防除冰技術主要包括機械除冰、液體防冰、熱力防冰，其中機械除冰主要包括氣動除冰和電脈沖除冰，熱力防冰又可按加熱方式和熱源方式進行劃分，飛機除防冰技術如圖2所示。

圖2飛機防除冰技術

氣動除冰：氣動除冰屬于機械除冰方式，該除冰方式通常用于機體部件前緣位置，在飛機部件前緣安裝膨脹管，在氣動作用下膨脹管通過膨脹方式使冰層破碎脫落，通常該除冰方式多用于低速飛機的尾翼前緣處。

電脈沖除冰：該除冰方式是采用電脈沖在飛機待除冰部位通過釋放靜電能，使飛機蒙皮在彈性形變范圍之內產生高速震動，從而使蒙皮表面冰層脫裂，達到除冰效果。

液體防冰：液體防冰技術通常用于飛機風擋、尾翼前緣等部位，當防冰液與機體表面的過冷水滴混合后，可有效提高機體表面溫度，從而使機體表面溫度高于過冷水滴凝固點。對于已經結冰的飛機可在結冰區域連續噴灑防冰液，這樣可使積冰融化形成雪泥，在氣流作用下被吹掉。

電熱除冰：電熱除冰主要用于飛機風擋、空速管等部件，從工作原理上來看其將電能轉換為熱能從而使飛機部件表面溫度升高，起到防冰和除冰的效果。

氣熱防冰：氣熱防冰在使用中通常用于發動機進氣道前緣以及機翼表面，在防冰過程中利用熱空氣加熱機翼表面和發動機進氣道前緣，防止空中出現結冰。

4 結語

飛機結冰嚴重威脅飛行安全，飛機一旦出現結冰其氣動性能將受到直接影響，進而影響飛機起飛、爬升、巡航、著陸等各個階段的飛行性能。現階段對飛機結冰條件、過程以及結冰對飛機氣動性能的影響仍需繼續探索，在現有飛機除防冰技術的基礎上，應加大對飛機除防冰技術的研究。