结冰对飞机飞行安全的影响机理与防护研究

李哲, 徐浩军, 薛源, 王小龙

(空军工程大学 航空航天工程学院, 陕西 西安 710038)



结冰对飞机飞行安全的影响机理与防护研究

李哲, 徐浩军, 薛源, 王小龙

(空军工程大学 航空航天工程学院, 陕西 西安 710038)

飞机结冰导致机毁人亡的飞行事故频发,严重威胁了飞行安全。分析了飞机结冰产生的机理,明确了飞机结冰问题研究的重点,阐述了飞机结冰的条件、过程和种类。在此基础上,分析了影响飞机结冰的主要因素和参数,深入剖析了机体不同部位结冰对飞机气动性能、稳定性和操纵性能的危害机理,并总结了飞机防、除冰的相关技术,展望了防、除冰技术的发展趋势,讨论了飞机结冰保护的研究方向。

飞机结冰; 飞行安全; 飞行特性; 除冰; 容冰

0　引言

表面结冰是飞机经常遇到的严重威胁飞行安全的现象。表面结冰改变了飞机的气动外形,导致翼型失真,流场紊乱,严重时易诱发飞机失速,导致机毁人亡。美国Safety Advisor 1990～2000年的统计数据表明,结冰引起的飞行事故占所有气象因素引起飞行事故的12%,且92%发生在飞行阶段[1]。我国国土面积较大,地形差异显著,气象条件复杂,飞机结冰现象多发。并且由于我国航空事业发展迅猛,飞行密度不断提高,全天候飞行需求旺盛,飞机遭遇结冰条件的概率大幅上升,对飞机结冰问题的研究刻不容缓。本文阐述了飞机结冰的机理、过程和种类,分析了影响结冰的主要因素和参数,详细剖析了结冰对飞机的气动性能、稳定性和操纵性的危害方式,结合防、除冰技术的发展现状,讨论了飞机结冰保护的发展方向。

1　飞机结冰的内涵

依据飞机所处状态的不同,飞机结冰包括地面结冰和飞行中结冰。

地面结冰是指在地面停放或起飞滑跑阶段,由于降水或外部气温较低等原因,飞机表面产生结冰或霜冻的现象。通常机械师在进行地面检查发现结冰情况时,应及时采取措施进行地面除冰,飞机带冰或带雪起飞极易在爬升阶段发生严重飞行事故。如2004年11月从包头飞往上海的MU5211次航班起飞后不久即失速坠毁,调查发现飞机夜间在室外停放结霜,起飞前未进行除冰。

飞行中结冰是指在飞行过程中飞机迎风面产生积冰的现象。机组成员需及时发现飞机的异常响应,综合天气、飞行状态、飞机响应、飞机表面结冰情况等因素，准确判断并及时进行防、除冰操作。尤其是在起飞、降落、穿越云层等飞行阶段易发生结冰现象,且该阶段时间较短、飞行员操纵动作复杂,更容易发生严重的飞行事故,如2006年6月某型运输机在多次穿越结冰区后平尾失速坠毁。飞行中结冰占据结冰引起的飞行事故的92%,是飞机结冰问题研究的重点。

当前关于飞机结冰的研究方向较多,主要包括结冰的形成机理与过程、冰形的预测、结冰对气动特性的影响、结冰对飞机飞行性能和飞行品质的影响、结冰后的飞行仿真，以及结冰条件下的边界保护与容冰控制方法研究等。

2　飞机结冰的机理

2.1结冰条件

大气中的云是水蒸气达到饱和状态后形成的,其主要组成成分是小水滴和小冰晶,小水滴在温度低于0℃时,与冰核结合形成小冰晶。当云中冰核数量不足时,会存在温度低于0℃的小水滴,称为过冷水滴。在气温高于-15℃时,云中有效的冰核数量很少,因此这时云中很容易存在大量过冷水滴。而在温度低于-40℃之后,过冷水滴的冻结不需要冰核,云中将不存在过冷水滴。大量过冷水滴与飞机相撞是飞机结冰的主要条件。

2.2结冰过程

飞机结冰主要有三种原因:一是空气中存在过冷水滴,与飞机迎风面发生碰撞,水滴发生相变而结冰;二是空气中的冰晶与物体发生碰撞而结冰;三是表面温度较低的飞机进入温暖潮湿的环境中,易发生结冰。

飞行中的结冰大部分是由于过冷水滴碰撞在飞机表面而产生的。飞机在飞行过程中,空气受到飞机迎风面的阻碍,改变原流场绕过阻碍。而空气中的过冷水滴,因惯性相对较大,不易绕开阻碍而与飞机迎风面发生碰撞。部分过冷水滴因碰撞而返回到空气中,另一部分附着在飞机表面。附着在飞机表面上的过冷水滴一部分发生结冰,另一部分沿飞机表面向后流动,如图1所示。

图1　过冷水滴撞击飞机表面示意图Fig.1　Striking of supercooled-water droplets on the wing

2.3冰型种类

不同的气象条件和飞行条件导致的结冰类型也不一样。根据积冰物理过程，冰型可分为:霜冰、明冰、混合冰、积霜和干积冰。其中,积霜和干积冰是冰晶沉积在部件表面而形成的积冰,该类型的积冰在飞机飞行过程中极少发生,在飞机停放阶段可能发生,一般要求飞机在清除积霜和干积冰后才能够起飞,对飞机飞行阶段影响不大,故本文对此不做重点分析。图2所示为霜冰、明冰和混合冰。

图2　飞机结冰种类Fig.2　Aircraft icing category

霜冰是机体表面形成的较为粗糙、不透明、质地稀松的冰层,因结冰形状与地面积霜类似而得名。在温度为-20℃左右的云层中,过冷水滴体积较小、数量较少,与飞机迎风面碰撞后迅速冻结,几乎能够保持水滴的形状,因此所聚积形成的冰层质地粗糙,而且各冰粒之间存在空隙,因此冰层质地稀松、不透明。此外,当飞机从温度很低的高空迅速下降到温暖潮湿的高度层,或从温度较低的机场起飞穿越逆温层时,机体温度低于露点,大气中的未饱和空气在较冷的机体表面可直接凝华形成霜冰。因为霜冰松脆的特点,在机体增温后可清除。若机体表面温度低于露点,霜冰将一直存在。虽然霜冰厚度较小,但依然会对机体周围的流场产生影响。若风挡前产生霜冰,则会影响目视飞行。总体而言,霜冰对飞行安全的危害较小。

明冰是机体表面形成的透明、光滑、质地坚固的冰层。在飞机穿越包含较大过冷水滴的云层或温度为0～10℃的雨中时,温度较高、水滴较大、冻结过程较慢,在水滴碰撞机体后并没有全部冻结在相碰处,部分水滴沿着气流向后蔓延并逐步冻结。该类冰型冻结得相对牢固,且聚积的速度较快,除冰设备往往也难以快速清除干净;因其外形复杂,严重破坏了飞机的气动外形，扰乱了机体表面的流场,因此对飞行安全构成较大的危害。

混合冰又称毛冰,其兼顾了霜冰和明冰的特点。在温度为-5～-15℃的云层中,同时存在着大小不一的过冷水滴,因此形成的积冰同时兼备了大水滴与小水滴冻结的特征。该温度条件下的云中可能含有冰晶。由于过冷水滴与冰晶一起冻结,故可形成表面较为粗糙的不透明混合冰。混合冰表面粗糙不平、形状复杂,可严重破坏结冰部位附近的流场,同时又具备明冰冻结较为牢固的特点,所以对飞行安全的影响不亚于明冰。此外,根据结冰的几何形状,冰型可分为:粗糙度冰、角状冰、流向冰和冰脊,如图3所示。根据结冰部件,冰型可分为:机翼结冰、风挡玻璃结冰、发动机进气道结冰和平尾结冰等。

图3　机翼结冰的几何形状Fig.3　Icing shapes on a wing

3　结冰的主要影响因素和参数

影响飞机结冰量、结冰范围和结冰形状的因素有很多,当前公认的主要因素包括三个方面:飞机几何构型、飞行气象条件和飞机飞行状态等。飞机几何构型包括飞机布局、外形、尺寸等,特别是机翼前缘等主要迎风面的几何构型;飞行气象条件包括云层范围、高度和温度、液态水含量(LWC)、平均水滴有效直径(MVD)等;飞机飞行状态包括飞行速度、飞行高度、飞机姿态(主要是迎角、侧滑角)等。

(1)飞机几何构型:在外部结冰条件相同时,前缘半径越小的翼型最大局部收集效率越高。因此,较薄的翼型结冰速度更快,导致结冰更严重,如同一架飞机平尾结冰的厚度可达到其机翼的2～3倍[2]。此外,部件表面的光洁程度也影响结冰的速率。当部件表面较为粗糙时,其捕获冻结水滴的效率更高,粗糙颗粒相当于前缘半径很小的水滴收集器。

(2)飞行气象条件:中国民用航空规章25部第4版(CCAR-25R4)附录C[3]规定了连续最大和间断最大两种大气结冰状态,结冰强度由飞机所处云层空气温度、液态水含量和平均水滴有效直径三个变量共同决定,并探讨了连续最大与间断最大结冰条件下温度与压力高度的变化关系,依据结冰风险等级划分了温度-高度范围。该附录中参数是研究飞机结冰问题的基本依据。

(3)飞机飞行状态:飞行速度增大,单位时间内撞击部件的过冷水滴数量增加,会使结冰强度增大,但当飞行速度超过结冰极限时,气动力加热作用会使部件表面不再结冰;大部分结冰发生在高度1～6 km之间,最容易发生在3 km左右,而低于1 km或高于10 km之后,结冰较少;飞行姿态决定了空气流中飞机的迎风部位。当飞机迎角增大,直接接触来流的飞机部件面积增大,而对于来流,飞机机身变厚,一方面使得过冷水滴的收集效率降低,另一方面使得过冷水滴的收集区域增大,结冰量增加与否取决于两者的共同作用。

通常选取结冰强度和结冰程度两个结冰参数定量描述不同结冰条件下的结冰特性。

结冰强度是结冰对飞行安全危害程度的度量,通常选用结冰速度(冰在机体表面形成的速度)来衡量。根据一定时间内单位面积上的积冰量可将结冰强度划分为弱结冰、轻度结冰、中度结冰及强结冰,其对应的结冰速率分别为(<0.6,0.6～0.1,0.1～2.0,>2.0)mm/min。弱结冰一般不会对飞行安全造成威胁,通常不需要使用防、除冰装置,除非长时间在该环境下飞行;轻度和中度结冰情况下，需要开启防、除冰装置以消除安全隐患;而一旦发现强结冰,机载防、除冰系统一般难以很好地消除威胁,飞机性能持续恶化,往往需要强制改变航线,规避结冰环境。

结冰强度不能完全反映飞机结冰的严重程度,在一定结冰强度下,结冰量的大小还取决于飞机在结冰环境下的飞行时间。为使飞行员判断飞出危险区域前结冰的威胁程度,需引入新的结冰参数——结冰程度。结冰程度是指飞机在结冰条件下飞行总时间内,部件表面所结冰层的最大厚度,由结冰强度和飞机在结冰环境下飞行总时间共同决定,结冰程度可划分为弱、轻度、中度和强,其值分别对应(0.1～5.0,5.1～15.0,15.1～30.0,>30.0) mm。

4　结冰的影响分析

结冰的部位、类型和程度都是积冰程度的重要影响因素,其共同决定了积冰对飞行安全的危害程度。飞机迎风面上的所有部件在飞行中都有可能结冰,通常容易结冰的部位包括:机翼前缘、尾翼、螺旋桨、旋翼和机头罩、进气道和发动机唇口、风挡、天线及传感器等。不同部位、类型和程度的结冰对飞行安全的威胁方式和程度不同,机翼、尾翼、发动机和空速管等部位的结冰往往对飞行安全构成较大的危害。下面结合诱发原因、飞行性能、操纵性能和典型事例4个方面，分析各部件结冰对飞行安全的影响。

机翼和尾翼都是飞机的主要升力面,结冰主要发生在舵面前缘,破环舵面的流线外形,附面层提前转戾,气流提前分离,使得机翼和尾翼升力系数下降,阻力系数增大,表1给出了不同粗糙度下飞机最大升力系数和阻力系数的变化情况[2]。结冰致使翼型失真,飞机空气动力性能下降,不仅升力降低、阻力增大,而且失速速度增大、失速迎角减小、飞行包线范围缩小,飞行性能和飞行品质恶化。由于结冰破坏了飞机的设计流场,铰链力矩和操纵导数异常变化,操纵舵面的效率也将降低,可诱发“海豚跳”,严重时致使飞机失去控制;若舵面间的缝隙积冰,不仅可能破坏操纵舵面,严重时会造成舵面卡死,导致无法操纵。尤其是平尾结冰,当飞机进近着陆放大襟翼角度时,气流下洗作用增强,极易导致实际迎角超出平尾的失速迎角,使平尾的负升力严重降低甚至消失,引发飞行事故。同样,垂尾结冰使得垂尾临界迎角减小,飞机修正侧风能力降低,严重时可导致反操纵。

表1　机翼表面沉积物粗糙度的影响Table1　Effectofsedimentroughnessonwingsurface

发动机的进气道、动力装置等在结冰条件下均会产生积冰。当飞机穿越存在过冷水滴的云层时,若外部温度低于0℃,则发动机进气道就可能发生积冰。若进气道冰层冻结较厚,则可导致发动机进气量减少,进气道速度场分布不均匀,引发气流局部分离,发动机推力下降、功率降低,飞行员推油门,发动机没有反应,单纯增加油量已不能形成正确的油气混合比,易引发核心机出现故障或造成发动机富油熄火;结冰严重时可引起压气机喘振;若出现冰层冰块脱落,吸入压气机内,则可打伤或打坏叶片,造成发动机损坏甚至是空中停车。飞行实践显示,当外界温度低于5℃时,由于流经进气口空气的膨胀冷却作用,温度可降低几度,即使飞机其他部位尚未结冰,喷气式发动机进气口处也可能发生结冰[4]。发动机处防、除冰装置开启时间也很关键,开启过早,发动机引气过多,导致推力降低;开启过晚,易导致冰层冰块脱落,打伤压气机叶片。因此,要对发动机进气口防、除冰问题给予足够的重视。

空速管结冰造成动静压失准,对于依据动静压参数改变操纵系统传动比的飞机,失准的动静压可造成操纵系统传动比异常变化,飞机空速失真,飞行状态异常,飞行员不能获得准确信息而无法操作。空速管积冰也会导致部分飞机自动驾驶系统断开,引发相关告警系统工作。空速管通常伸出飞机表面,管上动压孔和静压孔较小,结冰条件下飞行易被冰晶堵塞。同样,迎角传感器、温度传感器和压力传感器等是为飞行员提供必需的飞行参数的传感器,一旦结冰,也将导致仪表、仪器指示失真。如空客A330飞机曾遇到高空冰晶堵塞空速管,机组成员无法获取真实空速等数据信息,导致操纵错误引发重大空难。

同样,飞机其他部位结冰也将对飞行安全产生严重影响。风挡玻璃结冰将导致飞行员目测飞行困难,对起飞和着陆阶段影响重大。机载天线设备结冰,可发生机械折断,导致电子设备或通讯设备失灵。机体结冰增加了飞机的重量,改变了飞机的重心,破坏了原有的气动性能,同时飞机所需推力和升力均增大,相同飞行条件下,需加大发动机推力,增大耗油量,使得飞机航程、航时减小;机体结冰导致飞机需用推力曲线上移,可用推力曲线下移,飞机最大平飞速度减小,受平飞失速速度影响的最小平飞速度增大,飞机可用速度范围严重缩小。

5　防、除冰方法

飞机结冰对飞行安全产生严重影响,为了预防和除掉积冰,依据不同部位对积冰的敏感程度,当前主要采用防冰系统和除冰系统两种措施。防冰系统是指在对积冰敏感的飞机部件上布置的预防结冰的系统,以确保在任何气象条件下,受保护部件不产生积冰;除冰系统是允许飞机部件产生一定量的积冰,后期可将其清除掉的系统。防、除冰方式多样,依据使用能源的不同可分为机械除冰、液体防冰、气热防(除)冰、电热防(除)冰等。

机械除冰是指通过防护区域的蒙皮振动使得防冰表面的冰层松动、断裂而脱离,经由高速气流把破碎的冰块吹除。通常,引发蒙皮振动的方式有:在防护区域下铺设胶皮管间断充气、放气,利用胶皮管的弹性形变引发蒙皮振动;利用超声波发生装置引发蒙皮周期性振动;利用由释放静电能产生高能量的电脉冲引发蒙皮在弹性变形范围内的快速鼓动[5]。由于该除冰方式对飞机气动性能影响较大,目前已很少采用。

液体防冰包括地面和飞行中两种方式。地面液体防冰是指地勤人员使用地面除冰车对机身喷涂防冰液,使得机身形成一层薄膜,水与防冰液混合后冰点降低，不易在机体表面结冰。飞行中液体防冰是指在防护区域喷出防冰液,经由气流作用或螺旋桨旋转的离心作用,均匀地将防冰液涂抹在待防护区,与过冷水滴混合后降低其冰点。通常采用乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇、甲醇等低凝固点的液体作防冰液。使用液体防冰,不会在部件防冰区域后形成冰瘤,且停止供液后仍具有短时的防冰作用,民用机场多采用地面防冰技术。对于飞行中液体防冰技术,由于防冰液消耗量大、系统重量大，且喷液孔易堵塞、维护复杂,目前已很少采用。

气热防、除冰是指利用热空气加热飞机待防护部件表面的热力防、除冰技术。喷气式飞机常从压气机处引气作热源;活塞式发动机的飞机多用汽油加温器等加热冲压空气作热气源。气热防冰依据加热效果可分为“干防冰”和“湿防冰”两种。“干防冰”是指对待保护区域持续加热，保持待保护区无结冰现象或将已形成的积冰清除干净;“湿防冰”是指连续加热不能使保护区域收集的全部水量蒸发的防护手段。“干防冰”需要热量较大,多用于不允许产生冰瘤的区域,如发动机前缘、挂架等处;“湿防冰”需要热量较少,易在除冰面后形成冰瘤,防护表面呈流湿状态,多用于存在少量冰瘤而不严重影响飞行安全的部位,如机翼、尾翼、风挡等。气热防、除冰需从压气机等处引气,设备复杂且不易进行周期性精确控制,若结冰较为严重,需引出大量气体而易导致发动机供气不足。如MD-82飞机机翼和尾翼防、除冰均采用从压气机引气进行气热除冰,为预防引气过多导致发动机功率下降,规定机翼和尾翼交替除冰[6]。

电热防、除冰是指将电能转化为热能,通过电加热对防护区域进行加热的防、除冰技术。电热防冰技术有连续加热和间断加热两种。对不允许积冰或耗电量较小的部件,采用连续加热,如风挡、空速管等;对允许少量积冰或加热耗电量较大的部件,采用周期式加热,如机翼和尾翼等。电热防冰因其操作简易、动力损失小、加热均匀、效果显著、响应较快,且对飞机气动性能影响较小,是目前使用最为广泛的防、除冰技术。当前飞机智能除冰技术主要聚焦在热力除冰,特别是电热系统除冰,因为电热除冰技术与机械或化学除冰技术相比,便于数值模拟和精确控制,也便于设计模块化除冰软件,因此是飞机防、除冰研究的一个重要趋势。

6　飞机结冰保护的发展趋势

机体结冰导致飞机飞行性能降低,稳定性和操纵性恶化,飞行包线严重缩小,严重威胁飞行安全。早期的防、除冰技术研究致力于如何预防和消除机体结冰,但由于防、除冰系统耗能较高,机体可能结冰区域大,部分结冰区域不易观察等因素,导致防、除冰技术不可能完全达到预期的效果,带冰飞行不可避免。因此,在防、除冰技术应用的基础上,如何提高飞机容冰安全飞行能力是目前结冰研究问题的一个发展方向。飞机容冰能力是指飞机在出现一定程度的结冰后,能够保持一定安全裕度飞行的能力。

Bragg教授等[7]于1998年首次提出了飞机智能防冰系统(Smart Icing System,SIS)。其研究思路是：实时探测飞机的结冰情况和防、除冰系统的工作情况,快速分析结冰的种类和程度,评估结冰对飞行性能、稳定性和操纵性的影响程度以及飞机容冰飞行的能力,及时向飞行员提供结冰信息和告警信息,自动适当修改控制律,确保飞机在新的飞行包线内安全飞行。世界各国也在积极寻求其他防、除冰技术。在多学科融合的基础上,探索新型结冰防护材料,如德国研制出了一种鱼蛋白涂料,涂在飞机机翼表面可有效防止飞机高空结冰。

7　结束语

虽然目前对飞机结冰问题的研究取得了一定的进展,但由结冰引起的飞行事故仍时有发生。对飞机结冰的条件、过程、种类以及结冰对飞机的气动性能、稳定性和操纵性的影响等问题的机理研究急需继续探索。飞机防、除冰技术和方法、飞机结冰告警、飞行边界保护以及容冰飞行等应用研究仍需进一步挖掘研究。气象条件预报和实时天气告警机制等相关研究也有待进一步开发完善。

[1]Safety Advisor.Aircraft icing [EB/OL].(2013-05-01)[2015-09-25].http://www.aopa.org/-/media/Files/AOPA/Home/Pilot%20Resources/ASI/Satety%20Adivi-sors/sall.pdf.

[2]Thomas J V.Overview and risk assessment of icing for transport category aircraft and components[R].AIAA-2002-0811,2002.

[3]中国民用航空总局.运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4附录C[S].北京:中国民用航空总局,2011.

[4]Federal Aviation Administration.Aircraft ice protection:AC20-73[S].USA:FAA,2006.

[5]刘星. 机翼积冰对飞行安全的影响[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[6]张宝霖.从飞行事故看MD-90防冰系统的改进[J].国际航空,1998(5):64-65.

[7]Bragg M B,Basar T,Perkins W R,et al.Smart icing systems for aircraft icing safety[R].AIAA-2002-0813,2002.

(编辑：姚妙慧)

Research on flight safety effect mechanism and protection for aircraft icing

LI Zhe, XU Hao-jun, XUE Yuan, WANG Xiao-long

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

Disastrous airplane accident happened frequently due to icing on the airplane, which is a lethal threat factor to flight safety. Aircraft icing conditions, process and types are analyzed based on the exploration of its formation mechanism. Key points for aircraft icing are emphasized, and main factors and parameters which influence the aircraft icing are analyzed. Threaten mechanism on flight performance, stability and controllability for different icing positions is deeply analyzed. Anti-icing and de-icing technologies and methods are summarized and future focus for aircraft icing protection is discussed.

aircraft icing; flight safety; flight performance; de-icing; ice-tolerant

2015-09-25;

2016-04-07; 网络出版时间:2016-04-22 09:52

国家自然科学基金资助(61374145，61503406)；国家“973”计划基金资助(2015CB/755802)

李哲(1989-)，男，河南新乡人，博士研究生，研究方向为飞行仿真与飞行安全。

V212.1

A

1002-0853(2016)04-0010-05