關于過冷大水滴的適航規章新趨勢和影響解析

摘 要：文章分析了FAA和EASA已發布的關于過冷大水滴的調查報告和規章，為新型號的設計和適航驗證提供參考。

關鍵詞：過冷大水滴；適航規章新趨勢；影響

引言

1994年10月31日從印第安納州印第安納波利斯前往芝加哥的美鷹航空一架ATR72飛機航班號4184在芝加哥國際機場外盤旋等待降落時，由于結冰導致飛機失速墜毀，機上68人全部罹難。事故的調查結果表明飛機遭遇了結冰條件，在機翼上表面除冰系統工作表面之后產生了冰脊，進而導致飛機滾轉，事故調查表明導致該起事故的結冰條件超出了目前25部中附錄C中的內容。

經過十幾年的調查，FAA于2010年6月29日發布了關于過冷大水滴的規章制定建議：“Airplane and Engine Certification Requirements in Supercooled Large Drop， Mixed Phase， and Ice Crystal Icing Conditions”；EASA也于2011年3月21日發布了建議修正案通知：“Large Aeroplane Certification Specifications in Supercooled Large Drop， Mixed phase， and Ice Crystal Icing Conditions”。

1 規章解析

飛機結冰形狀和結冰速率取決于大氣的氣象條件，飛機的氣動特性和飛行狀態，包括液態水含量、溫度、水滴直徑、結冰部件的外形、水滴收集效率等。相較于25部原有的附錄C中的內容，過冷大水滴結冰條件的顯著特征是可能出現直徑較大的過冷水，通常這種情況下液態水含量（LWC）可能并不高，水滴中位數直徑（MVD）也可能仍然維持較低的數值，如圖1、圖2所示。

水滴越大撞擊到翼型上的可能性越大，而小的水滴則可能隨氣流偏離翼面，因為大的水滴同小水滴相比更難受氣流的影響，他們更易直接碰撞到翼型上，產生更大水滴碰撞區域。大水滴會產生更高的水滴收集效率，產生的結冰速率也更高，同時結冰的區域也會更大。如圖3所示，在其它條件相同的情況下水滴直徑越大，水滴收集效率越高。

圖3 不同水滴直徑下的水滴收集效率

同時，由于大水滴的流動性高于小水滴，會在翼面更靠后的位置形成冰積聚。目前飛機設計確定防冰區域時通常采用的MVD值為20微米，因此過冷大水滴情況下冰積聚位置可能會超出采用目前規范設計的防冰系統的工作表面，這正是前文中所提到的ATR72飛機事故原因之一，同時這一新規章給飛機防冰設計帶來的重大影響。

2 EASA與FAA的規章差異

FAA發布的NPRM和EASA發布的NPA中存在一些差異。FAA將“25.21（g）證明符合性的若干規定”和“25.1420過冷大水滴結冰條件”的適用性限制在具有相應特性的某一類飛機，即最大起飛重量小于60000lbs的飛機或者裝有可逆操縱器件的飛機，而EASA并不支持這個適用性限制。

EASA認為過冷大水滴規章應適用于所有新申請型號合格證的大型飛機，而FAA則將其適用性限制在某一類的大型飛機；關于飛行儀表外部探頭的適用性，雙方的要求也不盡相同。具體情況如下：

EASA認為在防冰協調工作小組2005年12月發布的報告中支持該適用性限制的理由并不充分。主要質疑點在于：FAA認為能夠獲得例外的這一類飛機的安全記錄表明，目前FAR25部/CS-25中對結冰條件下飛行的適航規章能夠要求飛機制造商提供期望的安全等級。而EASA則認為過冷大水滴的撞擊區域和結冰區域相對于之前的結冰條件而言更加靠后，與以往規章中結冰條件下形成的冰型會不一樣，在性能方面的會影響到所有的大型飛機。EASA雖然同意現有大型飛機設計方式已經使許多飛機在過冷大水滴結冰條件下安全運行了數十年，也認可更大型的飛機受新的結冰條件影響更小，但不能就此認定目前的設計不會發生改變。過去的服役經驗仍然可以用于評估新的設計的安全性，但很難預料以后會發生怎樣的設計革新，建議規章在接下來數十年中適用于所有飛機。因此，EASA認為之前在過冷大水滴結冰條件下的運行經歷表明，目前的附錄C結冰條件不夠充分，需要將過冷大水滴、混合態和冰晶的結冰條件不帶任何適用性限制加入到規章中。

對全部飛行儀表外部探頭適用，而FAA將其適用性限制在空速管和攻角傳感器。EASA則認為FAA的規章中“25.1323空速指示系統”表1的條件并不能包含全部已知的空速指示系統故障。因此，EASA建議將混合態和冰晶環境條件應用于所有飛行儀表外部探頭，而不僅僅是“25.1323空速指示系統”和“25.1324攻角系統”。

3 符合性驗證方法

在過冷大水滴規章的驗證中，需要使用分析和試驗結合的方法來證明飛機滿足規章的要求，驗證活動會包括計算分析和若干項試驗。新增的25.1420（b）中說明了可以采用（b）（1）至（b）（5）中的一項或幾項試驗組合來表明符合性。

同時，EASA在考慮使用由服役經歷建立的可信度來證明符合性的可行性。EASA認可最大起飛重量更小的飛機（包括采用可逆操縱器件的飛機）受過冷大水滴規章影響較大，服役經歷證明許多已經通過型號合格審定的大型飛機在過冷大水滴條件下能安全運行，新型號的飛機如果與已經安全運行的大型飛機類似，可以通過補充分析來證明其符合性。

4 結束語

2014年11月，FAA正式發布了25-140號修正案“Airplane and Engine Certification Requirements in Supercooled Large Drop， Mixed Phase， and Ice Crystal Icing Conditions”。包含了飛機和發動機關于過冷大水滴、混合態和冰晶氣象條件下的要求，同時增加了附錄O以定義新的結冰氣象條件。