積冰對飛機(jī)的危害及防除冰方法

胡義明

摘 要：近幾年，隨著我國航空市場地位的不斷提升，國內(nèi)航空客運(yùn)和貨運(yùn)需求都得到了強(qiáng)勁增長，在不久的未來，中國有望成為全球最大的航空市場。在航空運(yùn)營中，飛機(jī)積冰是嚴(yán)重威脅飛行安全的重要因素，對飛機(jī)積冰問題進(jìn)行深入研究，不僅可以為今后飛機(jī)防/除冰裝置的設(shè)計(jì)以及積冰條件下飛行的操作規(guī)范提供理論基礎(chǔ)，還能為國家自主研發(fā)的大飛機(jī)以及民機(jī)的適航安全提供支持。

關(guān)鍵詞：積冰危害;防除冰技術(shù);飛機(jī)性能

結(jié)合飛機(jī)的不同飛行狀態(tài)，可以將飛機(jī)的積冰劃分為飛行積冰和地面積冰，由于飛行而導(dǎo)致積冰的概率往往在90%以上。2006年6月3日，空軍的一架運(yùn)輸機(jī)由于在空中發(fā)生了積冰現(xiàn)象，碰巧機(jī)翼除冰系統(tǒng)又發(fā)生了故障，最終導(dǎo)致飛機(jī)失控墜毀在安徽某處;飛機(jī)停放在地面或者在起飛滑跑階段時，出現(xiàn)了諸如溫度較低、降雨、霜霧等氣象條件，就會造成飛機(jī)的地面積冰。如果地面積冰沒有得到及時處理，在起飛階段就會出現(xiàn)額外的安全隱患[1]。2004年11月21日，東航的MU5210航班正是因?yàn)樵诎^機(jī)場停放時，出現(xiàn)了霜霧天氣，飛機(jī)產(chǎn)生了地面積冰，并且積冰沒有得到及時處理，導(dǎo)致該航班發(fā)生了嚴(yán)重的空難;此外，在俄羅斯也發(fā)生過類似的事故，2012年4月2日，該國一架ATR—72飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時，“意外”墜毀，后經(jīng)事故調(diào)查證實(shí)，事故的發(fā)生也與飛機(jī)積冰有關(guān)。

從各國的飛行事故中可以看出，積冰會嚴(yán)重危害飛機(jī)的安全運(yùn)行。為了保障飛行安全，必須開展相關(guān)飛機(jī)積冰機(jī)理的研究工作，并基于此提出相應(yīng)的應(yīng)對方案就顯得十分重要。

1 積冰機(jī)理及類型

1.1 積冰機(jī)理

當(dāng)飛機(jī)的機(jī)體外表面產(chǎn)生了聚集的冰層時，我們就可以認(rèn)為飛機(jī)發(fā)生了積冰現(xiàn)象。如果飛行環(huán)境中存在云、霧、雨或雪的氣象條件，飛機(jī)的外流場中就會存在懸浮的過冷水滴，這些水滴由于自身質(zhì)量和慣性比空氣質(zhì)點(diǎn)的大，因此會偏離空氣流線并撞擊在機(jī)翼上，然后被凍結(jié)成積冰[2]。

1.2 積冰類型

在實(shí)際飛行中，根據(jù)積冰物理過程的不同，在飛機(jī)上形成的冰的類型也并不相同，由此也會給飛機(jī)帶來不同程度的影響。經(jīng)過長期觀測，積冰類型主要包括：霜冰（Rime Ice）、明冰（Glaze Ice）、混合冰（Mixed Ice）。

由于飛機(jī)實(shí)際的飛行環(huán)境十分復(fù)雜，導(dǎo)致混合冰的發(fā)生概率比前兩者都要大，混合冰的表面粗糙，形狀不規(guī)則，凍結(jié)十分牢固，對飛機(jī)的危害非常大。混合冰（Mixed Ice）形成于-10°～-20°的云層中，它介于霜冰和明冰之間，同時具備霜冰和明冰的性質(zhì)，如圖1所示。

2 積冰對飛機(jī)性能的危害

2.1 積冰對操穩(wěn)特性的影響

水平尾翼積冰會嚴(yán)重影響飛機(jī)的操縱效率，為了保持縱向平衡需要更大的升降舵角，由此也會導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)附加的低頭力矩，臨界迎角變小，不利于飛行安全[3]。如果積冰發(fā)生在操縱面的縫隙部位，則可能會出現(xiàn)舵面卡死的情況。在積冰很嚴(yán)重的情況下，飛機(jī)將失去操縱能力[4]。此外，由于積冰，飛機(jī)的質(zhì)量分布和氣動外形將發(fā)生變化，重心和翼型焦點(diǎn)位置也會相應(yīng)變化，飛機(jī)縱向和橫向的氣動導(dǎo)數(shù)隨即也會發(fā)生改變，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性以及響應(yīng)特性[5]。圖2是典型大型民用飛機(jī)在-4°～6°迎角范圍內(nèi)，機(jī)翼分別在干凈外形（clean）、重度積冰（iced-A）和中度積冰（iced-B）狀態(tài)下的縱向靜穩(wěn)定性情況，可以看出，在該迎角范圍內(nèi)，飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性出現(xiàn)了明顯下降。

2.2 積冰對氣動特性的影響

飛機(jī)積冰會改變飛機(jī)的氣動外形，使原本光滑的機(jī)體表面變得粗糙，從而導(dǎo)致飛機(jī)的空氣動力學(xué)性能下降。例如在機(jī)翼表面發(fā)生積冰，會破壞環(huán)繞翼型氣流的平滑流線，使得氣流提前分離，相應(yīng)地會出現(xiàn)升阻比下降的情況。下表詳細(xì)列出了飛機(jī)在不同環(huán)境溫度下，機(jī)翼發(fā)生積冰前、后的升力和阻力系數(shù)大小。從表中的數(shù)據(jù)可以看出：由于飛機(jī)積冰導(dǎo)致了升力系數(shù)減小的同時，阻力系數(shù)也在增大，對飛行安全十分不利。

2.3 積冰對起降性能的影響

在起飛階段，飛機(jī)發(fā)生積冰時，氣動性能的降低會導(dǎo)致升力特性下降、機(jī)身重量增加，這時原本的起飛速度將不再滿足起飛條件，必須加大起飛速度。這樣操作帶來的影響是：滑跑距離會變長、相應(yīng)的滑跑時間也會增加。如果在起飛階段，飛機(jī)的速度過低，迎角變大后容易失速。

在著陸階段，由于飛機(jī)積冰導(dǎo)致升阻特性發(fā)生變化，會造成進(jìn)場速度和接地速度相繼增大，為了能夠安全著陸，飛機(jī)需要更長的制動距離和制動時間。此外，積冰致使平尾操縱效率下降后，對于飛行員的操作要求會更高，稍有不慎，很有可能發(fā)生事故。

3 防/除冰技術(shù)

由于飛機(jī)積冰涉及飛機(jī)安全問題，因此飛機(jī)的防/除冰技術(shù)一直是航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在航空運(yùn)營中，現(xiàn)有的飛機(jī)積冰防護(hù)系統(tǒng)可以分為防冰系統(tǒng)和除冰系統(tǒng)這兩大類，除冰系統(tǒng)允許在機(jī)身表面存在些許積冰，然后采用機(jī)械的方法進(jìn)行周期性地除冰，機(jī)械除冰技術(shù)主要包括：膨脹管除冰和電脈沖除冰;相比之下，防冰系統(tǒng)不允許機(jī)身表面出現(xiàn)積冰，主要包括液體和涂層防冰、電熱和熱氣防冰以及其他新出現(xiàn)的防冰技術(shù)等[6]。下圖3對現(xiàn)有的飛機(jī)防/除冰技術(shù)進(jìn)行了一個簡要的總結(jié)，并對其工作原理進(jìn)行了介紹。

在飛機(jī)的實(shí)際飛行中，氣象條件相對復(fù)雜，由于以上各種防/除冰技術(shù)的工作原理都各不相同，因此對飛機(jī)的積冰都有著不同程度的預(yù)防和去除效果，也就具有相應(yīng)的缺陷，使之不能被完全采用或者無法完全消除積冰對飛機(jī)的危害。例如膨脹管除冰時，會破壞機(jī)翼的氣動外形，影響飛行性能;液體防冰會消耗大量的防冰液，不僅對環(huán)境會造成影響，而且作用時間有限，維護(hù)麻煩;涂層防冰材料表面粗糙且易損，疏水性能容易下降;電熱防冰系統(tǒng)裝置復(fù)雜、重量大，容易形成二次積冰。

4 結(jié)語

積冰會嚴(yán)重影響飛行性能，綜合考量之下，現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)翼多采用電熱和熱氣防/除冰系統(tǒng)。此外，對于飛機(jī)的其他部位，一般會根據(jù)其積冰特點(diǎn)來針對性的選用不同的防/除冰技術(shù)，從而達(dá)到最佳的防護(hù)效果，保障飛行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔繁文.積冰對飛機(jī)飛行安全的影響與防護(hù)技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（09）：69-70.

[2]孫志國.飛機(jī)積冰數(shù)值計(jì)算與冰風(fēng)洞部件設(shè)計(jì)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[3]檀妹靜.飛機(jī)積冰中的水膜模型研究[D].南京航空航天大學(xué)，2013.

[4]周莉，徐浩軍，龔勝科，等.飛機(jī)積冰特性及防除冰技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20（6）：105-110.

[5]陳金瓶.二維圓柱積冰的冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究及水滴撞擊特性計(jì)算[D].南京航空航天大學(xué)，2013.

[6]周煜杰.飛機(jī)防除冰方法的總結(jié)與探究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2019，40（01）：195-196.