冰污染導(dǎo)致的平尾失速技術(shù)研究

劉立蘇

摘 要：當(dāng)飛機在結(jié)冰環(huán)境中飛行時會發(fā)生平尾冰積聚，冰污染導(dǎo)致的平尾失速（ICTS）嚴(yán)重威脅著飛機飛行安全。本文詳細(xì)介紹了平尾冰積聚過程，并詳細(xì)分析了平尾失速產(chǎn)生的原因及發(fā)生平尾失速時飛機的響應(yīng)和改出方法，并將平尾失速與機翼失速進(jìn)行對比。研究結(jié)果對平尾失速技術(shù)研究和試飛提供較好的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：平尾失速；平尾冰污染；失速

中圖分類號：V217.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0059-01

機翼失速已被航空從業(yè)人員所熟知，現(xiàn)代飛機有非常完善的失速保護(hù)系統(tǒng)，但平尾失速還沒有被航空從業(yè)人員所熟知。由于平尾失速產(chǎn)生原因的特殊性，使得平尾失速一般發(fā)生在著陸進(jìn)近階段，如果不能立即判明是平尾失速并執(zhí)行改出動作，將發(fā)生災(zāi)難性的后果。下面的兩個真實事例能夠讓我們認(rèn)識到發(fā)生平尾失速后不及時改出而導(dǎo)致的災(zāi)難性后果及目前飛行機組對平尾失速專業(yè)知識的匱乏。

事例一：2001年某月某日，中國空軍發(fā)生連續(xù)兩起Y-8飛機飛行事故，2號、1號兩架Y-8飛機分別墜毀于機場226°方位、8.9km和225°方位、8.5km處，兩機相距425m，空勤人員全部犧牲。經(jīng)調(diào)查組事故分析，認(rèn)為導(dǎo)致這兩起一等事故的直接原因是：飛機穿云著陸過程中平尾結(jié)冰，飛行員無法判斷，放下大角度襟翼后導(dǎo)致平尾失速，飛機急劇下俯，飛行員無法處置，垂直墜地（兩架飛機墜地角度約為90°～110°），先后發(fā)生一等飛行事故。

事例二：2000年1月4日，某航空公司一架Y-8飛機著陸進(jìn)近時發(fā)生平尾積冰失速，當(dāng)時高度約300m，飛機機頭突然下俯，空中機械師迅速收襟翼，飛行員兩腳蹬住儀表板拉桿到底，飛機成功改出，掉高度約100m。

本文對平尾冰污染及平尾失速產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了平尾失速時飛機的響應(yīng)及此時機組應(yīng)采取的改出措施。并將平尾失速和機翼失速的異同點進(jìn)行對比，以進(jìn)一步區(qū)分與機翼失速的不同。

1 平尾冰污染

在結(jié)冰環(huán)境中飛行時，飛機所有的迎風(fēng)面都會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。對于更尖外形的結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生結(jié)冰，且結(jié)冰速率也更快。與機翼相比，平尾前緣半徑較小，相對厚度也只有機翼的一般，這導(dǎo)致在結(jié)冰環(huán)境中飛行時平尾結(jié)冰比機翼結(jié)冰發(fā)生的更早、結(jié)冰速率更快、結(jié)冰厚度也更厚。

冰風(fēng)洞試驗及自然結(jié)冰試驗表明平尾前緣積冰相對厚度是機翼前緣結(jié)冰相對厚度的3～6倍，是風(fēng)擋雨刷搖臂上積冰相對厚度的2～3倍。對于渦槳類飛機，其槳葉產(chǎn)生的氣流可能使平尾結(jié)冰現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

2 平尾失速產(chǎn)生的原因

常規(guī)布局的飛機平尾產(chǎn)生負(fù)升力，從而形成一個抬頭力矩平衡由機翼升力形成的低頭力矩，達(dá)到全機力矩平衡。負(fù)升力的產(chǎn)生需要平尾為負(fù)迎角。當(dāng)平尾迎角超過平尾失速臨界迎角時發(fā)生平尾失速。

對平尾失速導(dǎo)致的飛行事故分析表明，平尾失速主要發(fā)生在有結(jié)冰氣象條件下著陸進(jìn)近階段。在此階段容易發(fā)生平尾失速的主要原因有以下幾點：

（1）平尾前緣發(fā)生結(jié)冰，改變平尾氣動外形，平尾失速臨界迎角顯著減少。（2）著陸進(jìn)近時伸出襟翼，機翼升力增加，機翼氣動中心后移較多，機翼升力產(chǎn)生的低頭力矩增大；從而需要平尾產(chǎn)生更大的負(fù)升力來克服機翼升力導(dǎo)致的低頭力矩。需增大平尾迎角，平尾失速裕度進(jìn)一步減小。（3）伸出襟翼后，機翼對平尾的下洗氣流顯著增強，導(dǎo)致平尾的正迎角減小而負(fù)迎角進(jìn)一步增加，極易發(fā)生平尾失速（如圖1所示）[1]。（4）減速進(jìn)場，飛行員需增加推力并拉桿以保持較小的進(jìn)場速度，拉桿使升降舵后緣上偏，從而增加平尾的彎度而減小了平尾的臨界迎角。

綜上所述，在結(jié)冰進(jìn)近過程中平尾迎角增加，失速臨界迎角減小，當(dāng)平尾迎角大于失速臨界迎角時發(fā)生平尾失速。

3 平尾失速時飛機響應(yīng)及改出方法

當(dāng)平尾迎角逐漸增大直至平尾失速的過程中，平尾下表面發(fā)生氣流分離；分離的氣流在平尾后部重新附著；由于氣流分離，平尾配平效率降低，飛機無法配平。如果飛機操縱系統(tǒng)為可逆的，當(dāng)氣流分離后重新附著點移動到升降舵鉸鏈點之后（如圖3所示），則此時飛行員可以感受操縱桿的前后抖動；隨著越來越逼近平尾失速，操縱桿的抖動幅度越來越大，所需控制力也越來越大。

當(dāng)平尾迎角繼續(xù)增大至平尾失速時，平尾產(chǎn)生的負(fù)升力迅速減小；升降舵鉸鏈力矩突然增大并發(fā)生逆轉(zhuǎn)，升降舵后緣下偏，操縱桿被壓向前方。一般來說克服鉸鏈力矩所需的操縱力非常大，超出飛行員的力量范圍。平尾失速發(fā)生后，由于平尾產(chǎn)生的負(fù)升力迅速減小，全機的俯仰力矩不在平衡，而是表現(xiàn)出很強的低頭力矩，在此低頭力矩作用下，飛機將以極大的下俯角俯沖；此時飛機過載小于1g，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)負(fù)過載。

由于高度較低，平尾失速后需要立即執(zhí)行改出動作，否則將發(fā)生災(zāi)難性事故。NASA格林研究中心的研究結(jié)果表明改出平尾失速的主要措施如下[2]：

（1）立即收起襟翼，減小機翼下洗氣流對平尾的影響，減小平尾迎角；（2）全力拉桿，恢復(fù)飛機飛行姿態(tài)；（3）根據(jù)發(fā)動機推力作用線相對重心關(guān)系決定推力設(shè)置，若推力作用線在重心之上，產(chǎn)生低頭力矩，則收油門；反之，則保持推力不變。

4 平尾失速與機翼失速對比

通常情況下失速指機翼失速，目前對機翼失速的理解已經(jīng)非常全面深入，但對平尾失速的研究卻還處于初始階段。雖然都是因為超出臨界迎角而產(chǎn)生失速，但是平尾失速與機翼失速在飛機響應(yīng)和改出方法上確是完全相反的。現(xiàn)將平尾失速與機翼失速時飛機響應(yīng)和改出方法進(jìn)行對，如表1所示。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹并分析了平尾冰污染、平尾失速產(chǎn)生的原因、平尾失速時飛機的響應(yīng)及改出方法，并將之與機翼失速進(jìn)行對比分析。本文可為進(jìn)一步深入研究平尾冰污染導(dǎo)致的平尾失速（ICTS）和平尾失速試飛提供一定的借鑒價值。

參考文獻(xiàn)

[1]Michael G.AC23.143-1 ice contaminated tailplane stall （ICTS） [R].Seattle：FAA，1998.

[2]史剛，李云.Y-8飛機平尾積冰導(dǎo)致的飛行事故分析[J].飛行力學(xué)，2011，（5）：84-86.endprint