大气结冰环境下的飞机适航性

史校川 苗延青 胡涛

当冬季您欣赏着皑皑白雪，凝望着窗户上晶莹剔透的鲁冰花时，也许那是一道美丽的风景，但是对于飞机，那可是很可怕的事情。从1903年莱特兄弟发明飞机以来，对飞机的要求除了越飞越高、越飞越快之外，更重要的就是如何保障飞行的安全，而飞机运行过程中可能会遇到的结冰环境对飞机的运行安全带来的危害极大。据美国联邦航空局（FAA）对10年来飞机事故的统计显示，由飞机结冰引起的事故占总事故的2.5%，占致命事故的4%。为了保证飞机在遭遇结冰天气条件时能有一定的承受能力，并及时做出规避，无论是飞机适航性要求和运营要求，还是飞机在研制取证和运营过程中，均需要考虑结冰天气条件对飞机的影响。本文将针对结冰环境，浅谈其对飞机飞行安全的影响、相关要求及应对措施。

飞机在结冰的气象条件下飞行时，云层中的过冷水滴撞击并冻结在飞机所有迎风表面、天线罩、发动机进气道唇口、风挡玻璃或其他部件表面上，妨碍飞机或系统的正常功能或透明表面的能见度，如果不通过防/除冰系统及时除去，将会对飞行的安全性能带来严重影响。结冰天气的危害是多种多样的。例如，机、尾翼结冰，破坏其气动外形，致使飞机丧失升力和操纵性；螺旋桨结冰，笼罩一层冰晶外壳，其外形改变，致使螺旋桨推力减小；发动机进气道结冰，可能使发动机推力减小或完全丧失；飞机操纵面、刹车及起落架结冰，可能影响其正常功能；旋翼桨叶上结冰，多寡不均，可能导致直升机失去平衡，增强振动水平；飞机动压管结冰，使飞行速度与高度表读数失真；飞机天线结冰，会致无线电及雷达信号丧失等。

结冰适航性要求的由来

20世纪80年代以来，飞机防除冰问题引起了国际航空界广泛关注。各国适航当局发布防除冰适航性要求，例如FAR 25.1419“防冰”要求必须通过飞行试验验证FAR 25部附录C中确定的连续和间断的最大结冰状态下安全飞行的能力，同时必须具备探冰和作动机体防除冰系统的方法。在设计上，为克服飞机高空飞行遭遇机翼结冰问题，所有民机的结构上都装有除冰设施，包括直流电加热化冰，或是以除冰套敲碎积冰，让其自然被风吹落。除冰套是一条中空的橡皮条，装设在飞机机翼前缘或机翼翼侧，当机翼出现积冰之后，除冰套会间歇性快速充气膨胀及放气收缩，在除冰套间歇性胀缩之下把冰打碎或顶离飞机翼面，让冰被风自然吹落。

在结冰环境造成的飞机飞行安全事故中，尤以1994年10月美国老鹰航空ATR-72客机空难最为著名。1994年10月31日下午，美国老鹰航空公司4148号航班（ATR72-212双发螺旋桨飞机）在到达目的地芝加哥上空下降过程中，飞机发出告警提示（襟翼打开状态下）下降速度太快。在收回襟翼后飞机却发出怪声，刹那间控制杆急剧向右转，飞机往右倾斜，开始翻滚，飞机失去控制，几秒钟内便冲进一处农地上坠毁。事故造成机上全部64名乘客和4名机组人员丧生。事故发生后，美国国家运输安全局（NTSB）立即对该事故展开了调查。调查结果显示，ATR72-212飞机完全符合现有的飞机防除冰适航性要求，包括飞机运营过程中的持续适航要求，但在这起事故中该型飞机在盘旋等待和下降过程中遭遇到了超出FAR-25部附录C之外的更严重的结冰环境，其中含有直径超过100μm的过冷大水滴，因而在机翼除冰装置之后产生了异常的结冰而无法除去，使得流过积冰机翼的气流受到扰动甚至破坏，最终导致飞机失控坠毁。NTSB还指出，该起灾难性事故中飞机遭遇的冻雾/冻雨的结冰条件（也即过冷大水滴，SLD）超出了目前所有经合格审定飞机所允许的结冰条件；且在此次事故之前，适航当局和航空工业界并没有充分认识到冻雾/冻雨结冰条件的特性，及其对飞机飞行安全的潜在危害。

ATR72-212坠毁事故直接推动了FAA对于结冰天气条件更为深入的研究。此次事件后，FAA意识到原FAR-25部附录C未包含的过冷大水滴（SLD）结冰天气条件对安全飞行的重大危害，并立即启动了航空器空中结冰安全性的审查，并于1996年5月召开航空器空中结冰国际研讨会。基于研讨会的成果，FAA制定了一项包含SLD结冰在内的结冰问题长期研究规划，并委托航空规章制定咨询委员会（ARAC）开展SLD结冰问题的研究。

此外，FAA还专门颁布了适航指令，要求所有同型飞机必须加大除冰套装置。对于ATR-72型客机，改进的防除冰保护系统除机翼上装有除冰套外，螺旋桨迎风面、机翼翼尖、垂直尾翼前缘等也都有直流电加热式防冰装置，从而实现除冰和防冰。

SLD结冰相关适航性要求

经过近20年的研究，2010年6月FAA基于ARAC提交的修订建议报告，颁布了文号为FAA-2010-0636的规章制修订建议通告（NPRM）《SLD、混合相、冰晶结冰条件下航空器和发动机的合格审定要求》，提议新增FAR 25部附录O和25.1420“SLD结冰条件”，以及25.1324“攻角系统”等要求。2014年11月发布了25-140号修正案，新增了FAR 25部附录O“SLD结冰条件”及相关适航性要求。

最大水滴直径（Dmax）大于100μm的结冰环境称为过冷大水滴（SLD）结冰条件。NPRM建议的附录O将SLD结冰条件进一步细分为冻雾（Freezing drizzle environments，简称ZLE，又称冻毛毛雨、冻细雨等，最大水滴直径Dmax在100到500μm之间）和冻雨（Freezing rain environments，简称ZRE，Dmax大于500μm）两种结冰条件。

从ATR72-212坠机事故我们可以知道，SLD结冰条件是一种比目前大家所知的FAR-25部附录C严重得多的自然结冰天气条件，按附录C设计和合格审定的飞机一旦遭遇到SLD结冰条件，其原有的防除冰系统将无法起到有效的/预想的防除冰效果。例如由于过冷水滴撞击量的大幅增加，原设计的防除冰系统的能量输入无法满足防除冰需求；再如由于按小水滴撞击极限计算和/或试验确定的机翼、尾翼结冰防护范围，在大水滴结冰环境下，水滴的撞击极限会超过原来的结冰防护范围，从而在结冰防护表面的后方形成结冰，对飞机的气动性能造成严重影响。这里从结冰云层范围、高度—温度结冰包线、温度—液态水含量包线三个方面对新的附录O SLD结冰条件和原有的附录C结冰条件进行简要的对比分析。

1、结冰云层范围

表1给出了四类结冰天气的云层范围，从表中可以看出前三类结冰天气在海平面高度上都有可能出现，因此在结冰适航审定时，需要考虑这三类结冰天气在起飞和近进着陆阶段对安全飞行的影响。连续最大结冰条件与冻雾结冰条件可能出现的大气高度范围相同，均为0～22000ft。而冻雨可能出现的最大海拔高度为12000ft，这是因为高度越高，大气温度越低，不适于大直径的过冷水滴存在。12000ft以下是飞行包线的爬升和下降阶段，故在这些阶段要重点考虑冻雨结冰条件。

对于结冰云层的最大垂直云层范围，ZLE最大，ZRE其次，连续最大结冰条件仅次于ZRE。因此，当飞机爬升或下降过程中遭遇到附录O SLD结冰条件时，采取措施逃离这种天气条件是很有必要的。这也是FAA颁布一些避开SLD结冰条件的适航指令（ADs），并在NPRM中提议新增的25.1420条款中也考虑了逃离这种天气的要求的根本原因。

结冰云层的水平范围是对大量的测试数据进行统计后得到的结果，前三类结冰云层的水平范围均为17.4海里，间断最大结冰云层最小，仅为2.6海里。可见在22000ft以下的低空航行时，如遭遇到前三种结冰条件，在水平范围内进行逃离的难度较大。

2、高度—温度结冰包线

对比ZRE和ZLE结冰条件的高度—温度包线可以看出，ZRE包线范围只占ZLE包线范围的一小部分，而且是当高度升高时，出现ZRE的温度范围越窄，可能出现的最大高度为12000ft，且在当气温为0℃时才会出现。由此可知ZRE在高度越低时出现的概率越大。ZLE和连续最大结冰条件的高度—温度包线的范围和变化趋势，除了连续最大结冰条件的包线最低温度范围比ZLE低5℃以外，其他基本相同。在12000ft以上，遇到的结冰条件最高温度逐步降低，这是因为在这一高度上气温常年基本维持在0℃以下，而且气温随高度增加而降低。

除此之外，ZRE包线区域被ZLE包线区域包含，而ZLE包线区域又被连续最大结冰条件的包线区域所包含。如果以Δ表示高度—温度结冰包线区域范围，则有在ΔZRE包线范围内，三种结冰环境均有可能存在；在（ΔZLE-ΔZRE）范围内，ZLE和连续最大结冰环境有可能存在；而在（Δ连续最大-ΔZLE）范围内仅有连续最大结冰环境可能存在。

3、温度—液态水含量（LWC）包线

通过不同的SLD结冰条件的温度—LWC包线范围，可看出ZLE结冰条件的温度—LWC包线范围不仅涵盖ZRE的温度—LWC包线范围，而且比ZRE范围要大得多。ZRE只可能在大气温度为0～-13℃内形成，而ZLE却可以在当大气温度低至-25℃时仍存在。而附录C的结冰条件可能存在大气温度则更低，连续最大结冰条件最低温度为-30℃，间断最大结冰条件最低可以达到-40℃。

综上所述，附录O SLD结冰天气条件是一种比25部附录C连续最大结冰条件的结冰云层范围可能更大的一种结冰天气条件，但SLD结冰天气条件出现的温度范围比附录C要小，而且气温越靠近零度出现SLD严重结冰天气条件的概率越大。因此，在飞行过程中为避免遭遇SLD结冰环境，尽量在6.5千米以上高度飞行，因为这一高度及以上的大气温度基本常年在-25℃以下，基本不会遇到SLD结冰天气条件。

但截至目前，世界上运行的飞机的防除冰系统还都是按照25部附录C结冰条件进行设计，不具备在过冷大水滴结冰条件下安全运行的能力，因此一旦遇到严重结冰天气，尤其是冻雨天气，一定要停飞或绕飞，禁止飞入该种结冰环境里。

我国民用航空器的适航性技术和管理工作是从20世纪70年代开始的，其中针对飞机结冰的适航性设计和验证工作主要完成了双发螺旋桨飞机按FAR/CCAR 23部的适航取证工作。近期，ARJ21-700飞机也远赴加拿大进行了自然结冰试飞。ARJ21-700飞机自然结冰试飞是我国第一次严格按照CCAR 25部对飞机进行全面、系统的适航取证试飞，不仅对飞机及发动机、APU、空速系统、空气管理系统、电源系统等提出更高的验证要求，同时该科目也是FAA进行现场目击的重要试飞科目之一。随着近些年我国国产客机产业的迅猛发展，在新的结冰气象条件下，国产客机的适航取证与运行也将面临巨大挑战。