淺談降雪對飛機制動系數的影響

Reinhard Mook

如今，在跑道摩擦系數及飛機制動系數測量和估算上仍存在著種種不確定性，而這種不確定性導致了飛機降落距離及最大降落重量的不確定。據挪威事故調查委員會2011年一項研究顯示，“這種不確定性已引發多起飛機事故及事件，例如因跑道表面過滑，導致飛機降落時脫離跑道。”

在30起受調查的事件中，挪威事故委員會發現“飛機制動系數與跑道摩擦系數測量/估算不一致。”研究中，調查委員會認定了降低安全系數的若干共同因素，并發現了可闡明飛機制動系數和摩擦系數差異的因子。挪威事故委員研究表明，“這些因素與氣象條件、摩擦測量、跑道處理，操作事項及管理狀況息息相關。”

降雪濕度，即跑道冰凍物的液態水含量體積百分比也是因素之一。為進一步了解委員會綜合報告中的飛機冬季操作事項，2009年至2012年期間，在挪威事故調查委員會資助下，作者對挪威斯匹次卑爾根群島的斯瓦爾巴機場進行了冰凍物的濕度研究。

研究結果表明，降落中的雪或剛剛落地的雪，其濕度隨著空氣表層溫度升高而降低，逆溫的特殊情況除外。剛落地的雪，在未與地面降水接觸或還未融化時，在幾個小時內可以部分變干，有利于飛機制動。在這種情況下，基于飛機制動系數值的預估的飛機制動性能與當時觀測的樣本冰凍物的濕度緊密相關。

制動系數基本指標

2011年挪威事故調查委員會的研究顯示，傳統設備的制動測量并不可靠，尤其在臨界溫度值接近冰點溫度或存在濕度較大的密集冰凍物時，測量更不可靠。目前的研究重點在于冰凍物的濕度。盡管濕度、表層溫度，以及三開差值規則（three-kelvin-spread-rule）相互關聯，不過這三方面或成為預期制動行為的基本指標。三開差值規則指明了露點與天氣實況，即航空例行天氣預報，露點與3開氏度或3開氏度以下的空氣溫度（為跑道表面2米，即6.6英尺的空氣溫度）之間存在的差異，這種差異表明濕度保持在80%或80%以上。

而近時下的雪中可能含有大量液態水。當近時雪擠壓在一起時，其表面就會覆蓋一層薄薄的水汽，這層水汽在微觀上會減弱介于飛機輪胎與跑道表面物質間的剪力傳輸（即制動力）。積雪或冰表層融化時，也會產生類似的情況。隨著冰晶顆粒表層被液態水包圍，進而達到融點溫度，積雪轉化成的冰就會逐漸分解融化。輪胎減速過程中，冰的靜態穩定性會降低或增加自由液態水的潤滑作用。

輪胎的動力作用也會促進雪的融化，因此，在輪胎碾壓過的地方就會產生其他液態水。經驗顯示，挪威事故調查委員會所描述的制動總結果與冰凍物的液態水含量存在著部分的聯系。

水分測量難題

冰/雪研究領域的微觀氣象學家通常會利用冰凍水與液態水之間的電容率（即介電常數）差異來測量雪/冰的濕度，這種方法在該研究上切實有效。迪諾斯介電水分測定儀（Denoth Dilectric Moisture Meter）就利用了這種差異，在知道雪密度的情況下，確定液態水的比例。作者在研究中采用了平面式電容傳感器，將一側固定在冰凍污染物上面，另一側則暴露在空氣中。傳感器覆蓋的有效面積為160平方厘米（合25平方英寸），操作頻率為20赫茲。當接近傳感器內部時，敏感性強烈降低。該工具可測量厚度為一厘米（合0.39英寸）的雪層/冰層。理想情形下，傳感器與冰凍物之間應該沒有氣洞。當傳感器放置于冰凍物上時，按電壓讀數的函數計算冰凍層的電容率；當傳感器暴露在空氣中時，將電容率與電壓作比，以此為參考點，儀器進行運作。知道雪和冰的密度，才可以計算液態水的含量。

在跑道上進行實地測量，因氣溫低、風力大、光照不均，一些非可控的錯誤不可避免。壓縮的雪或冰表不夠平滑，很難與傳感器完全契合。此外，修建跑道的砂粒也不能從測量區完全清除，尤其是冰凍物質覆蓋時，更難移去，但砂粒會影響濕度及密度的測量。污染層的深度并不是一成不變的，且有可能包含有不同的物質型態。因此，瀝青及混凝土的電容率也會影響介電讀數。

通過刮去冰雪表面的雪，或雪/冰的桿（螺栓），填補冷凍箱，深度至6厘米（2.36英寸）的這種方法，解決了傳感器和跑道表面物質之間的難以密切接觸的問題。如此一來，濕度的測量由深度在6厘米處的探頭完成。密度由已知的體積重量確定，從而避免了氣洞問題。這幾項讀數，都在無風干擾的區域獲得。

降雪濕度隨時間變化

地面以上2米處的空氣溫度（由航空例行天氣報告所得）與雪的濕度之間存在聯系。測量中分析了雪的情況，考慮到了是降水1小時內的積雪，還是測量過程中的持續降雪，但已遭交通工具碾壓。在測量中，排除了降水過程中飛雪的情況，因為時間越長，風干的雪可能會影響測量結果。101樣本讀數是間或性觀察的結果，溫度和濕度的任何組合均無誤差概率。

濕度測量的兩種情況為，人們所預想的濕度較低情形（體積百分比小于等于4），以及濕度很高的情形（體積百分比在10到19之間）。高空溫度在850帕壓力水平（汞柱高度25.1）下監測時，地面低溫條件下的相對濕雪受逆溫及上方暖空氣對流或轉移的影響。其他情況下，則受北極地區的海上氣團與氣溫的近濕絕熱漸變梯度引發的陣雪影響。雪的濕度測量尚未被認定為跑道管理的標準做法，因此依照慣例，雪的濕度測量，不能只在地面空氣溫度中進行，高空溫度測量也應納入其考慮范圍。

除此之外，濕度會隨地面空氣溫度而增加。溫度在0攝氏度（32華氏度）或0攝氏度以上的數據涵蓋了機場地面操作中的濕雪及雨雪積累冰凍物的所有情形。多數情況下，只有在空氣溫度超過3攝氏度（37華氏度）時，才可觀測到雨。體積百分比在26到27范圍內觀測到的最大濕度值受冰凍物保留液態水能力的限制。

降雪停止后，積雪清掃的結果就是積壓的雪堆，可能堆在以前的污染物上。隨著時間推移，雪堆內部凍結、結晶，粘合于底部物質并蒸發，最后雪將慢慢消失。這一過程取決于內外部的溫度變化梯度，及通風狀況。多數情況下，降水停止，云層消散，溫度會隨之降低，露點到霜點差值升高。各案例情形不同，但在特定條件下，隨著時間而逐漸變干的過程對于提高制動操作或有價值可取。

17個案例中，降雪末期，雪的濕度體積百分比為24到10。在所有案例中，開始濕度假定為百分之百，因為從實際開始濕度的百分比看，可以描述變干的過程。紅外傳感器測量到隨著天氣變化，即降水過后，云層消散到天氣晴朗，雪的表層溫度會逐漸降低。8個小時過后，雪的濕度降低了75%。觀測案例中，表層平均溫度由零下4攝氏度（25華氏度）降低到零下11攝氏度（12華氏度），航空例行天氣報告的空氣溫度差值，霜點溫度（定義為冰，而不是定義為液態水的露點）增加到5開氏度。

飛行員的一般經驗為近時雪的摩擦力較小，但幾個小時后，摩擦力會增大，這與觀測的變干及表層溫度降低的過程一致。由此可以總結出擠壓雪中的液態水與制動狀況有關。冰晶力學，冰聚體內的液態水，溫度及冰凍體的剪力傳輸能力之間相互關聯。

濕度與制動系數

飛機制動系數與濕度的關系在跑道污染物管理方面至關重要。本研究中，沒有涉及飛機減速方面的數據。正如筆者之前所述，這些數據只能估計。鑒于此研究方法主觀性較強，因此給出飛機制動系數只可作為參考指標。

在正面阻力的平均值小于8節時，代表性案例由飛機制動系數推導得出。另外，62個案例樣本中，再現了冰凍污染物的不同結構。通常情況下，被污染的跑道都會經過打磨，從之前或最近應用程序，或兩者都有。多數情況下，會使用溫熱的細沙。盡管在濕度較大時觀測更適宜，但是，濕度較小時的觀測還存在偏差。與天氣條件較“干”的時段相比而言，解凍或濕度很大的降水天氣并不頻繁。當預期的制動條件不佳時，航班會取消或改變路線。

研究發現飛機制動系數隨濕度降低而升高，尤其在濕度體積百分比小于10時。樣本中，比較干燥的環境會伴隨著溫度增高，差值增大。如之前研究所示，通常隨著表層溫度的降低，差值會增大（拋光作用除外），飛機制動系數進而提高。由于氣象反饋的相互依賴性，濕度與表層溫度為飛機制動系數提供了良好的指標。

值得一提的是，盡管案例研究只能代表獨特的情況，但這種研究確實可以提供更多值得考慮的細節。各案例研究中，除去分散注意力的細節，或可揭示出單獨的數據分析中忽視的觀點。