大氣結(jié)冰環(huán)境下的飛機(jī)適航性

史校川 苗延青 胡濤

當(dāng)冬季您欣賞著皚皚白雪，凝望著窗戶上晶瑩剔透的魯冰花時(shí)，也許那是一道美麗的風(fēng)景，但是對(duì)于飛機(jī)，那可是很可怕的事情。從1903年萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)以來，對(duì)飛機(jī)的要求除了越飛越高、越飛越快之外，更重要的就是如何保障飛行的安全，而飛機(jī)運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到的結(jié)冰環(huán)境對(duì)飛機(jī)的運(yùn)行安全帶來的危害極大。據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）對(duì)10年來飛機(jī)事故的統(tǒng)計(jì)顯示，由飛機(jī)結(jié)冰引起的事故占總事故的2.5%，占致命事故的4%。為了保證飛機(jī)在遭遇結(jié)冰天氣條件時(shí)能有一定的承受能力，并及時(shí)做出規(guī)避，無論是飛機(jī)適航性要求和運(yùn)營要求，還是飛機(jī)在研制取證和運(yùn)營過程中，均需要考慮結(jié)冰天氣條件對(duì)飛機(jī)的影響。本文將針對(duì)結(jié)冰環(huán)境，淺談其對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響、相關(guān)要求及應(yīng)對(duì)措施。

飛機(jī)在結(jié)冰的氣象條件下飛行時(shí)，云層中的過冷水滴撞擊并凍結(jié)在飛機(jī)所有迎風(fēng)表面、天線罩、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道唇口、風(fēng)擋玻璃或其他部件表面上，妨礙飛機(jī)或系統(tǒng)的正常功能或透明表面的能見度，如果不通過防/除冰系統(tǒng)及時(shí)除去，將會(huì)對(duì)飛行的安全性能帶來嚴(yán)重影響。結(jié)冰天氣的危害是多種多樣的。例如，機(jī)、尾翼結(jié)冰，破壞其氣動(dòng)外形，致使飛機(jī)喪失升力和操縱性；螺旋槳結(jié)冰，籠罩一層冰晶外殼，其外形改變，致使螺旋槳推力減小；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰，可能使發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小或完全喪失；飛機(jī)操縱面、剎車及起落架結(jié)冰，可能影響其正常功能；旋翼槳葉上結(jié)冰，多寡不均，可能導(dǎo)致直升機(jī)失去平衡，增強(qiáng)振動(dòng)水平；飛機(jī)動(dòng)壓管結(jié)冰，使飛行速度與高度表讀數(shù)失真；飛機(jī)天線結(jié)冰，會(huì)致無線電及雷達(dá)信號(hào)喪失等。

結(jié)冰適航性要求的由來

20世紀(jì)80年代以來，飛機(jī)防除冰問題引起了國際航空界廣泛關(guān)注。各國適航當(dāng)局發(fā)布防除冰適航性要求，例如FAR 25.1419“防冰”要求必須通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證FAR 25部附錄C中確定的連續(xù)和間斷的最大結(jié)冰狀態(tài)下安全飛行的能力，同時(shí)必須具備探冰和作動(dòng)機(jī)體防除冰系統(tǒng)的方法。在設(shè)計(jì)上，為克服飛機(jī)高空飛行遭遇機(jī)翼結(jié)冰問題，所有民機(jī)的結(jié)構(gòu)上都裝有除冰設(shè)施，包括直流電加熱化冰，或是以除冰套敲碎積冰，讓其自然被風(fēng)吹落。除冰套是一條中空的橡皮條，裝設(shè)在飛機(jī)機(jī)翼前緣或機(jī)翼翼側(cè)，當(dāng)機(jī)翼出現(xiàn)積冰之后，除冰套會(huì)間歇性快速充氣膨脹及放氣收縮，在除冰套間歇性脹縮之下把冰打碎或頂離飛機(jī)翼面，讓冰被風(fēng)自然吹落。

在結(jié)冰環(huán)境造成的飛機(jī)飛行安全事故中，尤以1994年10月美國老鷹航空ATR-72客機(jī)空難最為著名。1994年10月31日下午，美國老鷹航空公司4148號(hào)航班（ATR72-212雙發(fā)螺旋槳飛機(jī)）在到達(dá)目的地芝加哥上空下降過程中，飛機(jī)發(fā)出告警提示（襟翼打開狀態(tài)下）下降速度太快。在收回襟翼后飛機(jī)卻發(fā)出怪聲，剎那間控制桿急劇向右轉(zhuǎn)，飛機(jī)往右傾斜，開始翻滾，飛機(jī)失去控制，幾秒鐘內(nèi)便沖進(jìn)一處農(nóng)地上墜毀。事故造成機(jī)上全部64名乘客和4名機(jī)組人員喪生。事故發(fā)生后，美國國家運(yùn)輸安全局（NTSB）立即對(duì)該事故展開了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，ATR72-212飛機(jī)完全符合現(xiàn)有的飛機(jī)防除冰適航性要求，包括飛機(jī)運(yùn)營過程中的持續(xù)適航要求，但在這起事故中該型飛機(jī)在盤旋等待和下降過程中遭遇到了超出FAR-25部附錄C之外的更嚴(yán)重的結(jié)冰環(huán)境，其中含有直徑超過100μm的過冷大水滴，因而在機(jī)翼除冰裝置之后產(chǎn)生了異常的結(jié)冰而無法除去，使得流過積冰機(jī)翼的氣流受到擾動(dòng)甚至破壞，最終導(dǎo)致飛機(jī)失控墜毀。NTSB還指出，該起災(zāi)難性事故中飛機(jī)遭遇的凍霧/凍雨的結(jié)冰條件（也即過冷大水滴，SLD）超出了目前所有經(jīng)合格審定飛機(jī)所允許的結(jié)冰條件；且在此次事故之前，適航當(dāng)局和航空工業(yè)界并沒有充分認(rèn)識(shí)到凍霧/凍雨結(jié)冰條件的特性，及其對(duì)飛機(jī)飛行安全的潛在危害。

ATR72-212墜毀事故直接推動(dòng)了FAA對(duì)于結(jié)冰天氣條件更為深入的研究。此次事件后，F(xiàn)AA意識(shí)到原FAR-25部附錄C未包含的過冷大水滴（SLD）結(jié)冰天氣條件對(duì)安全飛行的重大危害，并立即啟動(dòng)了航空器空中結(jié)冰安全性的審查，并于1996年5月召開航空器空中結(jié)冰國際研討會(huì)。基于研討會(huì)的成果，F(xiàn)AA制定了一項(xiàng)包含SLD結(jié)冰在內(nèi)的結(jié)冰問題長期研究規(guī)劃，并委托航空規(guī)章制定咨詢委員會(huì)（ARAC）開展SLD結(jié)冰問題的研究。

此外，F(xiàn)AA還專門頒布了適航指令，要求所有同型飛機(jī)必須加大除冰套裝置。對(duì)于ATR-72型客機(jī)，改進(jìn)的防除冰保護(hù)系統(tǒng)除機(jī)翼上裝有除冰套外，螺旋槳迎風(fēng)面、機(jī)翼翼尖、垂直尾翼前緣等也都有直流電加熱式防冰裝置，從而實(shí)現(xiàn)除冰和防冰。

SLD結(jié)冰相關(guān)適航性要求

經(jīng)過近20年的研究，2010年6月FAA基于ARAC提交的修訂建議報(bào)告，頒布了文號(hào)為FAA-2010-0636的規(guī)章制修訂建議通告（NPRM）《SLD、混合相、冰晶結(jié)冰條件下航空器和發(fā)動(dòng)機(jī)的合格審定要求》，提議新增FAR 25部附錄O和25.1420“SLD結(jié)冰條件”，以及25.1324“攻角系統(tǒng)”等要求。2014年11月發(fā)布了25-140號(hào)修正案，新增了FAR 25部附錄O“SLD結(jié)冰條件”及相關(guān)適航性要求。

最大水滴直徑（Dmax）大于100μm的結(jié)冰環(huán)境稱為過冷大水滴（SLD）結(jié)冰條件。NPRM建議的附錄O將SLD結(jié)冰條件進(jìn)一步細(xì)分為凍霧（Freezing drizzle environments，簡(jiǎn)稱ZLE，又稱凍毛毛雨、凍細(xì)雨等，最大水滴直徑Dmax在100到500μm之間）和凍雨（Freezing rain environments，簡(jiǎn)稱ZRE，Dmax大于500μm）兩種結(jié)冰條件。

從ATR72-212墜機(jī)事故我們可以知道，SLD結(jié)冰條件是一種比目前大家所知的FAR-25部附錄C嚴(yán)重得多的自然結(jié)冰天氣條件，按附錄C設(shè)計(jì)和合格審定的飛機(jī)一旦遭遇到SLD結(jié)冰條件，其原有的防除冰系統(tǒng)將無法起到有效的/預(yù)想的防除冰效果。例如由于過冷水滴撞擊量的大幅增加，原設(shè)計(jì)的防除冰系統(tǒng)的能量輸入無法滿足防除冰需求；再如由于按小水滴撞擊極限計(jì)算和/或試驗(yàn)確定的機(jī)翼、尾翼結(jié)冰防護(hù)范圍，在大水滴結(jié)冰環(huán)境下，水滴的撞擊極限會(huì)超過原來的結(jié)冰防護(hù)范圍，從而在結(jié)冰防護(hù)表面的后方形成結(jié)冰，對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能造成嚴(yán)重影響。這里從結(jié)冰云層范圍、高度—溫度結(jié)冰包線、溫度—液態(tài)水含量包線三個(gè)方面對(duì)新的附錄O SLD結(jié)冰條件和原有的附錄C結(jié)冰條件進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。

1、結(jié)冰云層范圍

表1給出了四類結(jié)冰天氣的云層范圍，從表中可以看出前三類結(jié)冰天氣在海平面高度上都有可能出現(xiàn)，因此在結(jié)冰適航審定時(shí)，需要考慮這三類結(jié)冰天氣在起飛和近進(jìn)著陸階段對(duì)安全飛行的影響。連續(xù)最大結(jié)冰條件與凍霧結(jié)冰條件可能出現(xiàn)的大氣高度范圍相同，均為0～22000ft。而凍雨可能出現(xiàn)的最大海拔高度為12000ft，這是因?yàn)楦叨仍礁撸髿鉁囟仍降停贿m于大直徑的過冷水滴存在。12000ft以下是飛行包線的爬升和下降階段，故在這些階段要重點(diǎn)考慮凍雨結(jié)冰條件。

對(duì)于結(jié)冰云層的最大垂直云層范圍，ZLE最大，ZRE其次，連續(xù)最大結(jié)冰條件僅次于ZRE。因此，當(dāng)飛機(jī)爬升或下降過程中遭遇到附錄O SLD結(jié)冰條件時(shí)，采取措施逃離這種天氣條件是很有必要的。這也是FAA頒布一些避開SLD結(jié)冰條件的適航指令（ADs），并在NPRM中提議新增的25.1420條款中也考慮了逃離這種天氣的要求的根本原因。

結(jié)冰云層的水平范圍是對(duì)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到的結(jié)果，前三類結(jié)冰云層的水平范圍均為17.4海里，間斷最大結(jié)冰云層最小，僅為2.6海里。可見在22000ft以下的低空航行時(shí)，如遭遇到前三種結(jié)冰條件，在水平范圍內(nèi)進(jìn)行逃離的難度較大。

2、高度—溫度結(jié)冰包線

對(duì)比ZRE和ZLE結(jié)冰條件的高度—溫度包線可以看出，ZRE包線范圍只占ZLE包線范圍的一小部分，而且是當(dāng)高度升高時(shí)，出現(xiàn)ZRE的溫度范圍越窄，可能出現(xiàn)的最大高度為12000ft，且在當(dāng)氣溫為0℃時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。由此可知ZRE在高度越低時(shí)出現(xiàn)的概率越大。ZLE和連續(xù)最大結(jié)冰條件的高度—溫度包線的范圍和變化趨勢(shì)，除了連續(xù)最大結(jié)冰條件的包線最低溫度范圍比ZLE低5℃以外，其他基本相同。在12000ft以上，遇到的結(jié)冰條件最高溫度逐步降低，這是因?yàn)樵谶@一高度上氣溫常年基本維持在0℃以下，而且氣溫隨高度增加而降低。

除此之外，ZRE包線區(qū)域被ZLE包線區(qū)域包含，而ZLE包線區(qū)域又被連續(xù)最大結(jié)冰條件的包線區(qū)域所包含。如果以Δ表示高度—溫度結(jié)冰包線區(qū)域范圍，則有在ΔZRE包線范圍內(nèi)，三種結(jié)冰環(huán)境均有可能存在；在（ΔZLE-ΔZRE）范圍內(nèi)，ZLE和連續(xù)最大結(jié)冰環(huán)境有可能存在；而在（Δ連續(xù)最大-ΔZLE）范圍內(nèi)僅有連續(xù)最大結(jié)冰環(huán)境可能存在。

3、溫度—液態(tài)水含量（LWC）包線

通過不同的SLD結(jié)冰條件的溫度—LWC包線范圍，可看出ZLE結(jié)冰條件的溫度—LWC包線范圍不僅涵蓋ZRE的溫度—LWC包線范圍，而且比ZRE范圍要大得多。ZRE只可能在大氣溫度為0～-13℃內(nèi)形成，而ZLE卻可以在當(dāng)大氣溫度低至-25℃時(shí)仍存在。而附錄C的結(jié)冰條件可能存在大氣溫度則更低，連續(xù)最大結(jié)冰條件最低溫度為-30℃，間斷最大結(jié)冰條件最低可以達(dá)到-40℃。

綜上所述，附錄O SLD結(jié)冰天氣條件是一種比25部附錄C連續(xù)最大結(jié)冰條件的結(jié)冰云層范圍可能更大的一種結(jié)冰天氣條件，但SLD結(jié)冰天氣條件出現(xiàn)的溫度范圍比附錄C要小，而且氣溫越靠近零度出現(xiàn)SLD嚴(yán)重結(jié)冰天氣條件的概率越大。因此，在飛行過程中為避免遭遇SLD結(jié)冰環(huán)境，盡量在6.5千米以上高度飛行，因?yàn)檫@一高度及以上的大氣溫度基本常年在-25℃以下，基本不會(huì)遇到SLD結(jié)冰天氣條件。

但截至目前，世界上運(yùn)行的飛機(jī)的防除冰系統(tǒng)還都是按照25部附錄C結(jié)冰條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不具備在過冷大水滴結(jié)冰條件下安全運(yùn)行的能力，因此一旦遇到嚴(yán)重結(jié)冰天氣，尤其是凍雨天氣，一定要停飛或繞飛，禁止飛入該種結(jié)冰環(huán)境里。

我國民用航空器的適航性技術(shù)和管理工作是從20世紀(jì)70年代開始的，其中針對(duì)飛機(jī)結(jié)冰的適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作主要完成了雙發(fā)螺旋槳飛機(jī)按FAR/CCAR 23部的適航取證工作。近期，ARJ21-700飛機(jī)也遠(yuǎn)赴加拿大進(jìn)行了自然結(jié)冰試飛。ARJ21-700飛機(jī)自然結(jié)冰試飛是我國第一次嚴(yán)格按照CCAR 25部對(duì)飛機(jī)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的適航取證試飛，不僅對(duì)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)、APU、空速系統(tǒng)、空氣管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等提出更高的驗(yàn)證要求，同時(shí)該科目也是FAA進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)目擊的重要試飛科目之一。隨著近些年我國國產(chǎn)客機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在新的結(jié)冰氣象條件下，國產(chǎn)客機(jī)的適航取證與運(yùn)行也將面臨巨大挑戰(zhàn)。