飞机翼面积冰对飞行的影响分析

邱玲

摘要：飞机积冰是威胁飞机飞行安全、影响飞行性能的主要因素之一。文章分析總结了机翼和平尾积冰对飞行的主要影响。

关键词：翼面积冰；飞行性能；飞机

随着航空技术的发展，现代飞机的安全性和舒适性已经得到了很好保障，快速便捷的飞机成为人们出行的主要交通工具之一。但飞机飞行环境处于复杂多变的大气层中，风雪雷雨冰雹等气象都会对飞行产生不利影响，其中，飞机结冰这一看似平常的自然现象，却会对飞行产生严重的影响。当飞机在冬季飞行或者穿过积雨云等易积冰区域时，往往会在飞机部件的迎风面，包括机翼（或螺旋桨）、机头、水平尾翼、垂直尾翼、增升装置、操纵面、进气道唇口、空速管、天线和挡风玻璃等部位产生积冰，从而恶化飞行性能，严重者造成安全事故。比如发动机进气道积冰，会使推力下降，甚至导致发动机压气机叶片的震动，脱落的冰块如果掉入发动机内部会产生机械损伤，造成发动机损坏或停火；空速管和压力探头积冰会使仪表显示失真从而误导飞行员等。我们来看看下面这些空难。

1989年3月10日，加拿大安大略航空公司一架福克F28飞机起飞69 s后坠毁，24人死亡，45人受伤，原因：机翼表面一层薄冰。

15个月后，全美航空的一架福克F28飞机起飞30 s后于跑道尽头坠落，27人遇难。原因：飞机在机场除冰后又等待30 min后起飞，导致机翼表面再次积冰。

可见飞机积冰严重影响飞行安全，但积冰部位不同，对飞行的影响是不一样的，本文仅讨论飞机机翼和尾翼翼面积冰对飞行的影响。

1 机翼积冰对飞行影响

飞机飞行时的升力主要是机翼产生的，其升力系数随迎角的变化如图l所示，随着迎角“增加，升力系数Cv刚开始也增大，但当迎角增加到某个角度（即失速迎角Cc。，）时，升力系数达到最大值Cvmax，如果继续增加迎角，机翼上表面的气流大面积分离，形成如图2所示的旋涡区，使升力系数大大下降，产生一种叫大迎角失速的现象。失速时，升力陡降、阻力大增，飞机机头下沉，机翼发生振动，飞机难于保持正常飞行，严重时会引发空难。因此，为避免飞机在飞行时发生失速，保证飞行安全，规定其飞行迎角不能超过飞机的失速迎角。但当机翼表面积冰后，机翼的外形发生了恶性改变，会使飞机在小于设计失速迎角的情况下提前失速，从图1可以看出，机翼前缘积冰后，除升力大大降低外，其失速迎角也降低了2-4度。

具体来说，机翼表面积冰会有下列一些影响。

1.1影响飞机的起飞和爬升性能

机翼积冰使飞机的升力减小，在达到离地速度和迎角时，升力小于飞机重力导致飞机不能起飞，由图l看出，可以增大迎角来提高升力，但较大迎角起飞容易导致飞机尾部擦地，所以只能靠增加速度提高升力使飞机起飞，同时机翼积冰使阻力增加，飞机起飞滑跑的加速度减小，从而导致滑跑距离大大增加，甚至冲出跑道。

飞机爬升时，阻力的增加则会减小飞机的上升角度和上升速度，使飞机的爬升性能变差，降低了飞机的越障能力。虽然大冰块危害更大，但试验数据显示，仅仅在机翼表面每平方厘米分布一粒不足2 mm的细小冰粒，也会使飞机的升力减少量超过20%，导致飞机起飞困难甚至发生失速的危险，如前文中安大略航空公司F28飞机事故原因，就是机翼上一层飞行员目视都没有发现的薄冰。因此，我国民航总局规定，任何飞机都不能带冰、雪、霜起飞。

1.2影响飞机的着陆性能

飞机着陆时，如果机翼表面积冰导致升力减小，使得升力远小于飞机重力，着陆时飞机和跑道间产生巨大冲击，损毁飞机和跑道。为了提高着陆时的升力，使之接近飞机重力以减小地面冲击，必须增加飞机的着陆速度，从而延长了着陆时的地面滑跑距离和时间。

1.3影响飞机的巡航性能

在飞机平飞时，如果机翼积冰引起飞机阻力增加升力减小，那么要保持其飞行速度和迎角等飞行状态不变，就需要加大发动机推力，从而消耗更多燃料，缩短了飞机的航时和航程，增加运行成本。而如果不增加发动机的推力，则飞行速度会减小，为保持飞机不掉高度，需加大迎角飞行，就可能导致机翼大迎角失速。

1.4机翼翼尖失速影响副翼的操纵效率

研究证实，小而薄的部件更易积冰，所以机翼翼尖和平尾等部件积冰更严重。机翼翼尖相比翼根更薄，容易先积冰从而引发翼尖先失速，使位于翼尖附近的副翼操纵效率降低，另外翼尖失速会使机翼的升力作用点前移，增加机翼根部的结构受力，同时使机头上仰，加大迎角有失速的危险。 此外，飞机左右机翼的积冰状态不可能完全一样，这就会导致飞机侧倾，加大操纵困难，如果一侧机翼先失速，那么这侧机翼提供的升力忽然大减，会导致飞机突然向该侧剧烈滚转，发生危险。

总之，机翼积冰会使飞机在飞行时升力减小、阻力增大，操纵困难，飞行性能变坏，严重时会失速引发空难事故。

2 平尾结冰的影响

如图3 （a）所示，平尾一般是负迎角安装，产生向下的升力，对飞机产生抬头力矩起到配平作用。由于平尾比机翼薄而小，积冰比机翼更严重。平尾积冰和机翼积冰一样，也会使平尾上产生的升力减小阻力增大，虽然由于其面积小变化量不大，但由于平尾位于飞机尾部，远离飞机重心，其产生的俯仰力矩变化可不小。故平尾积冰主要影响飞机的俯仰稳定性和俯仰操纵性。

（1）平尾积冰导致平尾升力减小，俯仰稳定力矩减小，降低了飞机俯仰稳定性。

（2）平尾积冰导致气流分离，降低了升降舵操纵力和俯仰操纵力矩，导致升降舵的操纵效率降低，甚至飞机的俯仰操纵能力丧失。

（3）平尾失速。为增加升力和阻力，飞机着陆时往往会向下大角度偏转襟翼，使机翼上下压差增大，从而导致机翼翼尖旋涡强度增加，下洗气流速度增大使平尾的相对气流V下偏到V尾，平尾的负迎角增大，如图4所示，而平尾积冰又降低了平尾失速迎角的绝对值，从而导致平尾在较小迎角下提前发生失速。失速时，平尾下翼面的气流完全分离，产生的向下的负升力不能平衡飞机的低头力短，飞机机头猛然下俯，如图3 （b）所示，而这时升降舵的操纵能力也大为降低，并且此时飞行高度较低，飞机一旦发生平尾失速，往往难以控制而导致灾难。

机翼和尾翼上的操纵面积冰后，会导致操纵杆力、操纵效能等发生变化，但如果是操纵面缝隙积冰，不仅降低操纵效率，严重时还将出现卡死现象，操纵面不能转动，使操纵能力完全丧失。

3结语

鉴于飞机积冰对飞行的危害极大，国内外相关机构对此进行了大量的飞机防除冰研究，采取了多种多样的防（除）冰方式。包括机械除冰系统、液体防冰系统、气热防冰系统、电热防冰系统等方法，目前己广泛应用于各型飞机中，大大减小了积冰的危害。当然，最好的办法是让飞机不结冰，比如飞机表面采用超疏水材料，使水滴不能黏附在机体表面，达到防止积冰的目的。目前科学家们正致力于这方面的研究，并取得了良好的进展。相信不久的将来，“积冰”这一危害飞行安全的凶手，最终会完全被降服。