飞机的结冰与防(除)冰

胡鑫

摘 要:在现代运输机的飞行中,飞机常常会遇到结冰的情况,而这些结冰通常发生在飞机的迎风部位如风挡、机尾翼前缘、螺旋桨、发动机进气道、空速管等部位,结冰后飞机阻力增加,升力减小,并增大了失速速度,这使飞行安全裕度大幅度减小。

关键词:飞机结冰防冰

中图分类号:V279 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0073-01

据美国联邦航空局综合分析,每年因结冰而导致的事故有近30起,而且结冰后飞行不仅气动性能恶化,同时还使发动机的功率下降,仪表读数不准,风挡视界不清,极易导致事故。所以,飞机结冰是飞行中一个不容忽视的问题

1 结冰机理

所谓飞机积冰就是飞行中,飞机的某些部分有时出现由于水滴冻结或水汽凝华聚积形成的冰层的现象。当飞机遇上冰晶云时产生干结冰,遇上水蒸汽产生凝华结冰,遇上过冷水滴则产生滴状结冰,其中滴状结冰是三种结冰形式中最常见的一种。

飞机积冰可通过其现象分为四种:明冰、毛冰、雾凇、霜,其中明冰和毛冰对飞行影响较大,非常有害,易导致飞行事故,而雾淞和霜对飞行影响不大,稍加注意便可避免事故,其各自结冰特点如下。

明冰光滑透明,结构坚实,通常在0～–10℃的过冷雨或大水滴组成的云中飞行时形成,有降雨时,聚积速度尤其快,且非常牢固,对飞行危害非常大。

毛冰也叫瓷冰,表面粗糙不平,但冻结比较坚固,多形成于-5～-20℃的云中,由于其表面粗糙不平,会破坏飞机的流线形,同时冻结牢固,对飞行危害也非常大。

雾淞由粒状冰晶组成,很易除掉。如果无除冰设备的飞机在云中长时间飞行,也可能受其影响;霜是晴空飞行的出现的一种积冰,在风挡上出现会影响视野。以上两种积冰的飞行危害不大。

2 积冰对飞行性能的影响

在飞行中一旦发生积冰,飞机的空气动力性能就会变差,流线型也受到破坏,使正面阻力增大,升力和推力减小,影响飞机的稳定性,使操纵困难,严重时会造成飞机失事。因此积冰对飞行危害非常大。而积冰对飞行性能的影响根据其积冰部位不同,可分为升力面积冰、发动机进气道积冰、螺旋桨积冰、风挡天线空速管积冰,另外飞机在地面时也可能积冰,不同的积冰对飞行性能影响不同,其分别的影响如下:

2.1 升力面积冰

飞机升力面主要是指机翼和尾翼,当它们积冰时能使飞机的空气动力特性和飞行特征显著破坏。由于积冰,流线形部位的形状发生变化,使翼型失真,导致摩擦阻力和压差阻力都增大。1977年在斯德哥尔摩布罗马机场,一架四发涡轮螺旋桨飞机由于尾翼积冰,当襟翼下放到40度时,飞机进入垂直俯冲,造成失事。这就是由于尾翼积冰,使尾翼在下洗角增大、负迎角增大的情况下,又由于积冰使尾翼临界迎角减小,最后导致40度襟翼时尾翼失速造成事故。事实证明,积冰不但使失速提前而且更加剧烈。当机翼和尾翼的临界迎角由于积冰而减小时,低速飞行,特别是着陆,非常危险,极易出现尾翼失速使飞机失控,同时积冰还易造成操纵面操纵性降低或卡死,造成事故。

2.2 发动机进气道及动力装置积冰

进气道积冰可以导致内表面气动特性恶化,使进气速度场分布不均匀和使气流发生局部分离,引起压气机叶片振动,如果有冰块脱落进入压气机,还会造成压气机机械损伤。

叶片上的积冰会因离心力作用而脱落,可能引起转子转动不平衡和动力装置剧烈振动,进一步发展还会导致发动机转子轴承的破坏,造成发动机损坏或熄火。

总之,发动机进气道及动力装置积冰,轻则会导致发动机功率下降,重则能造成发动机损坏。所以在云中飞行时,为防止发动机结冰,当温度低于5℃时,应及时打开发动机防冰装置。

2.3 螺旋桨积冰

螺旋桨积冰由于高速旋转而能捕获更多的过冷水滴,所以比其它部分积冰更严重。桨叶梢部由于动力增温一般不会积冰,但根部积冰相当快,螺旋桨积冰使效率降低,还可能由于积冰不均匀产生不规则振动,同时冰块脱落还会损坏飞机的其它部件。

2.4 风挡、天线、空速管等积冰

风挡积冰能使风挡透明度大大降低,严重影响飞行员的视野,特别是在起飞和着陆阶段,容易引发飞行事故。

天线上积冰有可能使通讯中断,甚至发生短路,使无线电设备失灵。

皮托管积冰,会对速度表、高度表、迎角指示器、M数指示器、升降速度表等重要仪表产生影响,甚至失效,使飞机不由自主地进入危险飞行状态。

2.5 地面积冰

飞机在地面停放和滑行时,也会积冰。当积冰飞机起飞时,气流会从机翼上表面过早明显地分离,飞机在爬升开始时,都用较大的迎角飞行,而积冰飞机以较大迎角飞行是相当危险的,极易造成失事,积冰飞的升力系数比正常飞机小15%--20%,而增大迎角会造成提前到达临界迎角,造成气流分离,使升力下降。

3 飞机防(除)冰方式

面对飞机各种结冰情况和对飞行安全的影响,人们采取了多种多样的防(除)冰方式,发展到现在分为两类:一类称为防冰系统,即不允许在飞机部件上产生结冰的系统;另一类为除冰系统,这类系统允许飞机部件结少量的冰,然后周期地把冰除去,根据所采用能源方式不同,有机械除冰系统、液体防冰系统、气热防冰系统、电热防冰系统。它们各有不同的特点和工作原理,下面将分别进行介绍。

3.1 机械除冰系统

所谓机械除冰系统,就是用机械方式把冰破碎,早期的方法就是在防冰表面放置许多胶管,当表面结冰时,胶管充气膨胀,使冰破碎,然后利用气流把冰吹除除交替膨胀胶管外,还可用振动方法除冰,如用超声波使蒙皮高频振动除冰。

3.2 液体防冰系统

液体防冰系统通过不断向防冰表面喷洒防冰液,防冰液形成一层薄薄的膜,由于防冰液与水混合后,冰点很低,使水不致在表面结冰。

3.3 电热防冰系統

电热防冰系统是通过电阻升温防止表面结冰,最常见的是风挡、螺旋桨、空速管电热防冰。电热防冰由于动力损失小,加热均匀,被广泛采用在现代大型民航客机上。

3.4 气热防冰系统

现代运输机大翼防冰和进气道防冰,多采用发动机压气机引出热空气来防冰。当大翼防冰采用这种系统时,防冰热空气经压力调节器进行压力调节后,进入机、尾翼前缘的防冰管道内,一定压力的热空气从管道小孔高速喷出形成局部低压,将腔内空气吸入、混合后由翼尖排出,B737－300上采用了气热防冰系统为其大翼和发动机防冰,

无论驾驶那种机型,飞机的结冰都是飞行中不可忽视的问题,在飞行中,只有了解积冰原理,熟悉飞机防冰系统的飞行员才能充分避免因积冰而引发事故,所以应充分了解飞机结冰的原理,熟练使用防冰系统,防止事故,达到安全飞行的目的。

参考文献

[1] 高空高速飞行气象条件.气象出版社.

[2] 安全飞行原理.中国民航出版社.

[3] 飞机防冰系统.航空专业教材编审组出版.

[4] B737－300飞行手册.波音公司.