积冰对飞机的危害及防除冰方法

胡义明

摘 要：近几年，随着我国航空市场地位的不断提升，国内航空客运和货运需求都得到了强劲增长，在不久的未来，中国有望成为全球最大的航空市场。在航空运营中，飞机积冰是严重威胁飞行安全的重要因素，对飞机积冰问题进行深入研究，不仅可以为今后飞机防/除冰装置的设计以及积冰条件下飞行的操作规范提供理论基础，还能为国家自主研发的大飞机以及民机的适航安全提供支持。

关键词：积冰危害;防除冰技术;飞机性能

结合飞机的不同飞行状态，可以将飞机的积冰划分为飞行积冰和地面積冰，由于飞行而导致积冰的概率往往在90%以上。2006年6月3日，空军的一架运输机由于在空中发生了积冰现象，碰巧机翼除冰系统又发生了故障，最终导致飞机失控坠毁在安徽某处;飞机停放在地面或者在起飞滑跑阶段时，出现了诸如温度较低、降雨、霜雾等气象条件，就会造成飞机的地面积冰。如果地面积冰没有得到及时处理，在起飞阶段就会出现额外的安全隐患[1]。2004年11月21日，东航的MU5210航班正是因为在包头机场停放时，出现了霜雾天气，飞机产生了地面积冰，并且积冰没有得到及时处理，导致该航班发生了严重的空难;此外，在俄罗斯也发生过类似的事故，2012年4月2日，该国一架ATR—72飞机在执行任务时，“意外”坠毁，后经事故调查证实，事故的发生也与飞机积冰有关。

从各国的飞行事故中可以看出，积冰会严重危害飞机的安全运行。为了保障飞行安全，必须开展相关飞机积冰机理的研究工作，并基于此提出相应的应对方案就显得十分重要。

1 积冰机理及类型

1.1 积冰机理

当飞机的机体外表面产生了聚集的冰层时，我们就可以认为飞机发生了积冰现象。如果飞行环境中存在云、雾、雨或雪的气象条件，飞机的外流场中就会存在悬浮的过冷水滴，这些水滴由于自身质量和惯性比空气质点的大，因此会偏离空气流线并撞击在机翼上，然后被冻结成积冰[2]。

1.2 积冰类型

在实际飞行中，根据积冰物理过程的不同，在飞机上形成的冰的类型也并不相同，由此也会给飞机带来不同程度的影响。经过长期观测，积冰类型主要包括：霜冰（Rime Ice）、明冰（Glaze Ice）、混合冰（Mixed Ice）。

由于飞机实际的飞行环境十分复杂，导致混合冰的发生概率比前两者都要大，混合冰的表面粗糙，形状不规则，冻结十分牢固，对飞机的危害非常大。混合冰（Mixed Ice）形成于-10°～-20°的云层中，它介于霜冰和明冰之间，同时具备霜冰和明冰的性质，如图1所示。

2 积冰对飞机性能的危害

2.1 积冰对操稳特性的影响

水平尾翼积冰会严重影响飞机的操纵效率，为了保持纵向平衡需要更大的升降舵角，由此也会导致飞机出现附加的低头力矩，临界迎角变小，不利于飞行安全[3]。如果积冰发生在操纵面的缝隙部位，则可能会出现舵面卡死的情况。在积冰很严重的情况下，飞机将失去操纵能力[4]。此外，由于积冰，飞机的质量分布和气动外形将发生变化，重心和翼型焦点位置也会相应变化，飞机纵向和横向的气动导数随即也会发生改变，影响飞机的稳定性以及响应特性[5]。图2是典型大型民用飞机在-4°～6°迎角范围内，机翼分别在干净外形（clean）、重度积冰（iced-A）和中度积冰（iced-B）状态下的纵向静稳定性情况，可以看出，在该迎角范围内，飞机的纵向静稳定性出现了明显下降。

2.2 积冰对气动特性的影响

飞机积冰会改变飞机的气动外形，使原本光滑的机体表面变得粗糙，从而导致飞机的空气动力学性能下降。例如在机翼表面发生积冰，会破坏环绕翼型气流的平滑流线，使得气流提前分离，相应地会出现升阻比下降的情况。下表详细列出了飞机在不同环境温度下，机翼发生积冰前、后的升力和阻力系数大小。从表中的数据可以看出：由于飞机积冰导致了升力系数减小的同时，阻力系数也在增大，对飞行安全十分不利。

2.3 积冰对起降性能的影响

在起飞阶段，飞机发生积冰时，气动性能的降低会导致升力特性下降、机身重量增加，这时原本的起飞速度将不再满足起飞条件，必须加大起飞速度。这样操作带来的影响是：滑跑距离会变长、相应的滑跑时间也会增加。如果在起飞阶段，飞机的速度过低，迎角变大后容易失速。

在着陆阶段，由于飞机积冰导致升阻特性发生变化，会造成进场速度和接地速度相继增大，为了能够安全着陆，飞机需要更长的制动距离和制动时间。此外，积冰致使平尾操纵效率下降后，对于飞行员的操作要求会更高，稍有不慎，很有可能发生事故。

3 防/除冰技术

由于飞机积冰涉及飞机安全问题，因此飞机的防/除冰技术一直是航空领域的研究热点。在航空运营中，现有的飞机积冰防护系统可以分为防冰系统和除冰系统这两大类，除冰系统允许在机身表面存在些许积冰，然后采用机械的方法进行周期性地除冰，机械除冰技术主要包括：膨胀管除冰和电脉冲除冰;相比之下，防冰系统不允许机身表面出现积冰，主要包括液体和涂层防冰、电热和热气防冰以及其他新出现的防冰技术等[6]。下图3对现有的飞机防/除冰技术进行了一个简要的总结，并对其工作原理进行了介绍。

在飞机的实际飞行中，气象条件相对复杂，由于以上各种防/除冰技术的工作原理都各不相同，因此对飞机的积冰都有着不同程度的预防和去除效果，也就具有相应的缺陷，使之不能被完全采用或者无法完全消除积冰对飞机的危害。例如膨胀管除冰时，会破坏机翼的气动外形，影响飞行性能;液体防冰会消耗大量的防冰液，不仅对环境会造成影响，而且作用时间有限，维护麻烦;涂层防冰材料表面粗糙且易损，疏水性能容易下降;电热防冰系统装置复杂、重量大，容易形成二次积冰。

4 结语

积冰会严重影响飞行性能，综合考量之下，现代飞机的机翼多采用电热和热气防/除冰系统。此外，对于飞机的其他部位，一般会根据其积冰特点来针对性的选用不同的防/除冰技术，从而达到最佳的防护效果，保障飞行安全。

参考文献：

[1]孔繁文.积冰对飞机飞行安全的影响与防护技术分析[J].科技创新与应用，2018（09）：69-70.

[2]孙志国.飞机积冰数值计算与冰风洞部件设计研究[D].南京航空航天大学，2012.

[3]檀妹静.飞机积冰中的水膜模型研究[D].南京航空航天大学，2013.

[4]周莉，徐浩军，龚胜科，等.飞机积冰特性及防除冰技术研究[J].中国安全科学学报，2010，20（6）：105-110.

[5]陈金瓶.二维圆柱积冰的冰风洞试验研究及水滴撞击特性计算[D].南京航空航天大学，2013.

[6]周煜杰.飞机防除冰方法的总结与探究[J].现代商贸工业，2019，40（01）：195-196.