摘 要：結冰嚴重影響飛機性能，威脅飛行安全。本文分析總結了飛機的結冰機理，并著重研究了結冰對飛機的氣動性能、飛行包線、飛行性能的影響。研究結果可為研究飛機防冰技術、提高飛行性能、保障民用飛機的安全運營提供參考。

關鍵詞：結冰；飛行性能；氣動特性；極曲線

中圖分類號：V212.1 文獻標識碼：A 收稿日期：2016-06-15

作者簡介：郭 莉（1984—），湖南瀏陽人，民航中南空管局機場設計院飛行程序設計分院副院長，研究方向：飛行程序設計、飛機性能、容量評估。

結冰是指飛機在大氣中飛行時，其表面某些部位聚集了冰層的現象。飛機結冰的方式通常可分為兩大類：一類是空氣中水蒸氣在飛機翼面直接凝結形成霜；另一類是在大氣中存在溫度低于0℃而仍未凍結的過冷水滴（云滴、雨滴），這些過冷水滴很不穩定，只要受到輕微擾動就會立即凍結。

當在地面上起飛時溫度（OAT）≤5℃或飛行中總溫（TAT）≤7℃，且存在任何形式的可見水汽（如云，能見度小于1英里的霧、雨、雪等）時，則存在結冰條件。

至于飛機在飛行中是否確實結冰（尤其是在飛機后部、尾翼部分），飛行員有時難以確定。

飛行中的結冰通常局限于駐點附近，例如，機翼的前緣、機頭、整流罩、葉片前緣最有可能出現結冰現象。所形成的冰霜在形狀及結構上可能有很大的不同，從清澈透明的薄冰到疏松的冰霜都有可能。

機翼前緣處的冰霜可能有如圖1所示的兩種，其中雙角式的冰霜對氣動性能的影響更為嚴重。

飛機飛行過程中所出現的結冰現象對飛行性能有著嚴重的影響。有關實驗表明，飛機機翼和尾翼前緣所形成的結冰，使得機翼和尾翼氣動外形發生變化，出現飛機升阻比減小、失速速度增大、平飛速度范圍減小等一系列問題，導致飛機性能下降，甚至會造成飛機墜毀的嚴重事故，嚴重威脅飛行安全。

一、結冰對氣動性能的影響

通常情況下，結冰導致飛機的氣動特性變差，從而影響到飛機的飛行性能。

就其本質而言，其只是改變了飛機的一些氣動系數數值的大小，并不改變飛機的運動數學模型。

1.結冰對升力特性的影響

結冰對升力系數曲線的影響如圖2所示，由此可得出如下結論：

（1）在給定攻角α下升力系數CL減少。

（2）最大升力系數CLmax減少。

（3）失速攻角αS減少。

最大升力系數CLmax減少量與冰層的厚度和結冰的形狀有關，如圖3所示。

值得注意的是，結冰只有幾毫米厚時， 最大升力系數的減少量△CLmax就已經達到總減少量的一半，也就是說，很薄的結冰層就會對氣動性能有顯著影響。

試驗表明：結冰可能使最大升力系數減少25%～40%，失速攻角可減少5°～7°。

由W=—ρVs2CLmaxSw得Vs2= —，用Vs0、CLmax0表示無結冰時的失速速度和最大升力系數，用Vs、CLmax表示有結冰時的失速速度和最大升力系數，則

由式①可知，結冰使最大升力系數減小，必將使失速速度增加。例如，CLmax減少25%，即CLmax=0.75CLmax0，則Vs2/Vso2 =1/0.75，失速速度Vs=1.1547Vso，即失速速度將增加15%，如CLmax減少40%，失速速度將增加29%。

2.結冰對極曲線的影響

結冰對飛機極曲線的影響如圖4所示，由此可得如下結論。

（1）對給定攻角α，阻力（阻力系數CD）增加。

（2）對給定升力系數CL，阻力（阻力系數CD）增加。

（3）最佳升阻比減少且在更小的升力系數下獲得。

二、結冰對飛行包線的影響

現代民用渦輪噴氣飛機的升限一般在9000m以上，在升限附近結冰的可能性極小。但是，如果飛機在起飛、爬升過程中所集結的冰一直未被除掉或未融化，則它仍會影響飛機的氣動特性。

由W =ρV2CLS/2和 D =ρV2CDS/2 及上面的結論可知，有結冰時對給定的速度，平飛阻力即平飛所需推力將增加，又 D =W/K，其中K是升阻比，由于最大升阻比減小，所以平飛最小阻力將增加，由于取得最大升阻比的CL減小，所以平飛最小阻力對應的速度將增加。

所以有結冰時，飛機可用推力曲線向下移，平飛阻力（平飛所需推力）曲線、曲線最低點向右上方移動，如圖5所示。

另外，受平飛失速速度影響的最小平飛速度也隨著結冰飛機失速特性的惡化而增大，最大平飛速度減小。

經過上述分析可以得出，結冰使得飛機飛行包線向內“萎縮”，飛機的飛行范圍進一步受限制。結冰越嚴重，這種“萎縮”程度越大。

三、結冰對飛行性能的影響

結冰會使失速速度，即平飛最小速度增加，使平飛最大速度減小，使平飛速度范圍減小。由于剩余推力減小，飛機的爬升梯度、爬升率會減小。阻力增加使飛機耗油增加。如平尾結冰，使尾翼的升力系數CL、CLmax、失速攻角減小，將使飛機的操縱性能惡化。

結冰對起飛性能的影響（尤其是對小飛機）是更加嚴重的，甚至是災難性的。

例如，假定無結冰時失速速度（FAR失速速度）Vs=100節，V2=1.2Vs=120節，如結冰使最大升力系數減少25%～40%，則失速速度將增加到115～129節，相應的，V2應該是138～154節，也就是說在離地10.6米高時應加速到138～154節才能保證安全。如不了解飛機的結冰情況，仍按V2=120節起飛，這個速度就很接近甚至小于飛機有結冰時的失速速度，飛機將難以操縱，可能墜毀，甚至用盡跑道都不能離地升空。

另外，由于阻力系數增加，升力系數減小、V2及VR增加，將使起飛距離大大增加，在給定場地長度的前提下，這將使允許的起飛重量減少。

結冰對大型噴氣式飛機比小型、螺旋槳飛機的影響要小，因為：

（1）大型噴氣機在低高度飛行時間短，而結冰主要發生在低高度。

（2）噴氣機的速度快，總溫（TAT）高，不易發生結冰。

（3）噴氣機用防冰代替了除冰，這是因為渦扇發動機的壓氣機功率大，壓縮空氣量大，可以持續引氣用于機翼前緣、發動機進氣口等部位防冰。

（4）相同的結冰情況對大飛機的影響要小。

（5）大飛機使用動力（如液壓）帶動的操作。

四、在結冰條件下運行應遵守的條例

為了保證飛機在結冰條件下的運行安全，CCAR121.649、FAR121.629、FAR91.527款條例都對結冰條件下飛機的操作和使用做出了規定。

例如，在CCAR121.649中規定：①當機長或飛行簽派員在航路或機場上預料到或已遇到的結冰狀況會嚴重影響飛行安全時，任何人不得簽派放行飛機繼續在這些航路上飛行或者在這些機場著陸。②當有霜、雪或冰附著在飛機機翼、操縱面、螺旋槳、發動機進氣口或其他重要表面上，或者不能符合本條③款時，任何人不得使飛機起飛。③除本條④款規定外，在某種條件下，當有理由認為霜、雪、冰會附著在飛機上時，任何人不得簽派放行飛機或使其起飛，但該合格證持有人在其運行規范中具有經批準的地面除冰防冰大綱并且其簽派放行、起飛都符合該大綱要求的除外。經批準的地面除冰防冰大綱應當至少包括下列項目（具體項目略，詳見CCAR121.649）。④合格證持有人如果沒有本條③款要求的大綱，也可以按本條繼續運行，但是在其運行規范中應當規定任何時候只要有理由認為霜、雪和冰可能會附著在飛機上，飛機就不得起飛。但經過檢查確認沒有霜、雪或冰附著在機翼、操縱面和其他關鍵表面上時除外。該檢查應當在開始起飛之前5分鐘之內進行，并且應當在飛機外部完成。

五、結語

結冰使飛機的氣動特性變差，導致飛機的飛行阻力增大，升力減小，升阻比變小，最大升力系數減小，失速速度增大，臨界迎角減小，氣動特性惡化，進而導致飛機起飛、著陸的距離和時間增大，飛行包線萎縮。

總之，結冰會危及飛機的飛行安全，降低飛機的飛行性能。在民用飛機的設計中，應著力開展結冰對飛機氣動特性的影響、防除冰裝置的研制以及改善飛機飛行品質的飛行控制律的研究設計工作。

參考文獻：

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