飛機的結冰與防(除)冰

胡鑫

摘 要:在現(xiàn)代運輸機的飛行中,飛機常常會遇到結冰的情況,而這些結冰通常發(fā)生在飛機的迎風部位如風擋、機尾翼前緣、螺旋槳、發(fā)動機進氣道、空速管等部位,結冰后飛機阻力增加,升力減小,并增大了失速速度,這使飛行安全裕度大幅度減小。

關鍵詞:飛機結冰防冰

中圖分類號:V279 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0073-01

據(jù)美國聯(lián)邦航空局綜合分析,每年因結冰而導致的事故有近30起,而且結冰后飛行不僅氣動性能惡化,同時還使發(fā)動機的功率下降,儀表讀數(shù)不準,風擋視界不清,極易導致事故。所以,飛機結冰是飛行中一個不容忽視的問題

1 結冰機理

所謂飛機積冰就是飛行中,飛機的某些部分有時出現(xiàn)由于水滴凍結或水汽凝華聚積形成的冰層的現(xiàn)象。當飛機遇上冰晶云時產(chǎn)生干結冰,遇上水蒸汽產(chǎn)生凝華結冰,遇上過冷水滴則產(chǎn)生滴狀結冰,其中滴狀結冰是三種結冰形式中最常見的一種。

飛機積冰可通過其現(xiàn)象分為四種:明冰、毛冰、霧凇、霜,其中明冰和毛冰對飛行影響較大,非常有害,易導致飛行事故,而霧淞和霜對飛行影響不大,稍加注意便可避免事故,其各自結冰特點如下。

明冰光滑透明,結構堅實,通常在0～–10℃的過冷雨或大水滴組成的云中飛行時形成,有降雨時,聚積速度尤其快,且非常牢固,對飛行危害非常大。

毛冰也叫瓷冰,表面粗糙不平,但凍結比較堅固,多形成于-5～-20℃的云中,由于其表面粗糙不平,會破壞飛機的流線形,同時凍結牢固,對飛行危害也非常大。

霧淞由粒狀冰晶組成,很易除掉。如果無除冰設備的飛機在云中長時間飛行,也可能受其影響;霜是晴空飛行的出現(xiàn)的一種積冰,在風擋上出現(xiàn)會影響視野。以上兩種積冰的飛行危害不大。

2 積冰對飛行性能的影響

在飛行中一旦發(fā)生積冰,飛機的空氣動力性能就會變差,流線型也受到破壞,使正面阻力增大,升力和推力減小,影響飛機的穩(wěn)定性,使操縱困難,嚴重時會造成飛機失事。因此積冰對飛行危害非常大。而積冰對飛行性能的影響根據(jù)其積冰部位不同,可分為升力面積冰、發(fā)動機進氣道積冰、螺旋槳積冰、風擋天線空速管積冰,另外飛機在地面時也可能積冰,不同的積冰對飛行性能影響不同,其分別的影響如下:

2.1 升力面積冰

飛機升力面主要是指機翼和尾翼,當它們積冰時能使飛機的空氣動力特性和飛行特征顯著破壞。由于積冰,流線形部位的形狀發(fā)生變化,使翼型失真,導致摩擦阻力和壓差阻力都增大。1977年在斯德哥爾摩布羅馬機場,一架四發(fā)渦輪螺旋槳飛機由于尾翼積冰,當襟翼下放到40度時,飛機進入垂直俯沖,造成失事。這就是由于尾翼積冰,使尾翼在下洗角增大、負迎角增大的情況下,又由于積冰使尾翼臨界迎角減小,最后導致40度襟翼時尾翼失速造成事故。事實證明,積冰不但使失速提前而且更加劇烈。當機翼和尾翼的臨界迎角由于積冰而減小時,低速飛行,特別是著陸,非常危險,極易出現(xiàn)尾翼失速使飛機失控,同時積冰還易造成操縱面操縱性降低或卡死,造成事故。

2.2 發(fā)動機進氣道及動力裝置積冰

進氣道積冰可以導致內(nèi)表面氣動特性惡化,使進氣速度場分布不均勻和使氣流發(fā)生局部分離,引起壓氣機葉片振動,如果有冰塊脫落進入壓氣機,還會造成壓氣機機械損傷。

葉片上的積冰會因離心力作用而脫落,可能引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平衡和動力裝置劇烈振動,進一步發(fā)展還會導致發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸承的破壞,造成發(fā)動機損壞或熄火。

總之,發(fā)動機進氣道及動力裝置積冰,輕則會導致發(fā)動機功率下降,重則能造成發(fā)動機損壞。所以在云中飛行時,為防止發(fā)動機結冰,當溫度低于5℃時,應及時打開發(fā)動機防冰裝置。

2.3 螺旋槳積冰

螺旋槳積冰由于高速旋轉(zhuǎn)而能捕獲更多的過冷水滴,所以比其它部分積冰更嚴重。槳葉梢部由于動力增溫一般不會積冰,但根部積冰相當快,螺旋槳積冰使效率降低,還可能由于積冰不均勻產(chǎn)生不規(guī)則振動,同時冰塊脫落還會損壞飛機的其它部件。

2.4 風擋、天線、空速管等積冰

風擋積冰能使風擋透明度大大降低,嚴重影響飛行員的視野,特別是在起飛和著陸階段,容易引發(fā)飛行事故。

天線上積冰有可能使通訊中斷,甚至發(fā)生短路,使無線電設備失靈。

皮托管積冰,會對速度表、高度表、迎角指示器、M數(shù)指示器、升降速度表等重要儀表產(chǎn)生影響,甚至失效,使飛機不由自主地進入危險飛行狀態(tài)。

2.5 地面積冰

飛機在地面停放和滑行時,也會積冰。當積冰飛機起飛時,氣流會從機翼上表面過早明顯地分離,飛機在爬升開始時,都用較大的迎角飛行,而積冰飛機以較大迎角飛行是相當危險的,極易造成失事,積冰飛的升力系數(shù)比正常飛機小15%--20%,而增大迎角會造成提前到達臨界迎角,造成氣流分離,使升力下降。

3 飛機防(除)冰方式

面對飛機各種結冰情況和對飛行安全的影響,人們采取了多種多樣的防(除)冰方式,發(fā)展到現(xiàn)在分為兩類:一類稱為防冰系統(tǒng),即不允許在飛機部件上產(chǎn)生結冰的系統(tǒng);另一類為除冰系統(tǒng),這類系統(tǒng)允許飛機部件結少量的冰,然后周期地把冰除去,根據(jù)所采用能源方式不同,有機械除冰系統(tǒng)、液體防冰系統(tǒng)、氣熱防冰系統(tǒng)、電熱防冰系統(tǒng)。它們各有不同的特點和工作原理,下面將分別進行介紹。

3.1 機械除冰系統(tǒng)

所謂機械除冰系統(tǒng),就是用機械方式把冰破碎,早期的方法就是在防冰表面放置許多膠管,當表面結冰時,膠管充氣膨脹,使冰破碎,然后利用氣流把冰吹除除交替膨脹膠管外,還可用振動方法除冰,如用超聲波使蒙皮高頻振動除冰。

3.2 液體防冰系統(tǒng)

液體防冰系統(tǒng)通過不斷向防冰表面噴灑防冰液,防冰液形成一層薄薄的膜,由于防冰液與水混合后,冰點很低,使水不致在表面結冰。

3.3 電熱防冰系統(tǒng)

電熱防冰系統(tǒng)是通過電阻升溫防止表面結冰,最常見的是風擋、螺旋槳、空速管電熱防冰。電熱防冰由于動力損失小,加熱均勻,被廣泛采用在現(xiàn)代大型民航客機上。

3.4 氣熱防冰系統(tǒng)

現(xiàn)代運輸機大翼防冰和進氣道防冰,多采用發(fā)動機壓氣機引出熱空氣來防冰。當大翼防冰采用這種系統(tǒng)時,防冰熱空氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器進行壓力調(diào)節(jié)后,進入機、尾翼前緣的防冰管道內(nèi),一定壓力的熱空氣從管道小孔高速噴出形成局部低壓,將腔內(nèi)空氣吸入、混合后由翼尖排出,B737－300上采用了氣熱防冰系統(tǒng)為其大翼和發(fā)動機防冰,

無論駕駛那種機型,飛機的結冰都是飛行中不可忽視的問題,在飛行中,只有了解積冰原理,熟悉飛機防冰系統(tǒng)的飛行員才能充分避免因積冰而引發(fā)事故,所以應充分了解飛機結冰的原理,熟練使用防冰系統(tǒng),防止事故,達到安全飛行的目的。

參考文獻

[1] 高空高速飛行氣象條件.氣象出版社.

[2] 安全飛行原理.中國民航出版社.

[3] 飛機防冰系統(tǒng).航空專業(yè)教材編審組出版.

[4] B737－300飛行手冊.波音公司.