結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響與防護(hù)技術(shù)分析

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摘 要：隨著我國(guó)航空事業(yè)不斷發(fā)展，近些年飛機(jī)結(jié)冰問題造成事故頻問題也愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行的安全性。這就需要重視結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響，并采用相關(guān)防護(hù)技術(shù)，降低飛機(jī)飛行的結(jié)冰率或減少結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響。基于此，文章重點(diǎn)探究飛機(jī)飛行結(jié)冰的機(jī)理和對(duì)飛機(jī)飛行的安全影響，進(jìn)而提出了飛機(jī)飛行結(jié)冰防護(hù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰；飛機(jī)飛行；安全影響；防護(hù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：V328 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0069-02

Abstract： With the development of aviation industry in China， the problem of aircraft icing has become more and more serious in recent years， which seriously affects the safety of aircraft flight. Therefore， it is necessary to pay attention to the impact of icing on aircraft flight safety， and adopt relevant protection technology to reduce the rate of icing or reduce the impact of icing on aircraft flight safety. Based on this， this paper focuses on the mechanism of aircraft flight icing and the safety impact on aircraft flight， and then puts forward the aircraft icing protection technology.

Keywords： icing； aircraft flight； safety impact； protection technology

引言

飛機(jī)表面結(jié)冰是飛機(jī)飛行中非常普遍存在的安全隱患，嚴(yán)重會(huì)造成飛機(jī)飛行墜毀問題。飛機(jī)表面結(jié)冰會(huì)造成氣流氣壓紊亂，而飛機(jī)飛行需要?dú)饬髋c氣壓保持的平衡性，失衡會(huì)造成飛機(jī)失速。特別是在民用飛機(jī)當(dāng)中，如737/787型號(hào)飛機(jī)等，如果結(jié)冰可能造成機(jī)毀人亡，造成的后果不敢想象。再者，我國(guó)由于國(guó)土面積大、氣候條件不同，如果氣象條件惡劣在很大程度上會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)冰。我國(guó)民航事業(yè)發(fā)展非常迅速，航班次數(shù)增加，這就提高了飛機(jī)冰凍概率，所以加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)冰問題的研究勢(shì)在必行。

1 飛機(jī)結(jié)冰及其安全影響

結(jié)合飛機(jī)的不同飛行狀態(tài)，可以將飛機(jī)結(jié)冰劃分為地面結(jié)冰和飛行結(jié)冰，飛行結(jié)冰概率往往會(huì)達(dá)到90%以上。顧名思義，地面結(jié)冰就是飛機(jī)地面停放、起飛滑跑階段，由于降水和溫度較低的自然因素，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)冰，而地面結(jié)冰往往后續(xù)處理得當(dāng)，事故發(fā)生幾率較低。技術(shù)人員需要定期對(duì)地面停留飛機(jī)進(jìn)行安全檢查，如果結(jié)冰會(huì)采用地面除冰措施。如果飛機(jī)結(jié)冰沒有得到處理，在起飛階段就會(huì)大大提高安全隱患，如2004年包頭飛往上海的航班就是因?yàn)闆]有事先除冰從而造成的墜毀，根據(jù)后續(xù)的持續(xù)調(diào)查，最終找到了墜毀原因，是飛機(jī)結(jié)霜且沒有進(jìn)行除冰處理。飛行結(jié)冰就是在飛行過程中產(chǎn)生的結(jié)冰情況，由于飛機(jī)與快速氣流接觸會(huì)遇冷而產(chǎn)生結(jié)冰問題。這就需要機(jī)組成員第一時(shí)間找出飛機(jī)的異常相應(yīng)，結(jié)合天氣情況、結(jié)冰情況等因素，采用相應(yīng)的手段進(jìn)行結(jié)冰處理，特別是在經(jīng)過云層的時(shí)期，無論是哪種云，都是水汽的集合體，很容易造成結(jié)冰問題，由于這個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間較短、操作復(fù)雜，更容易造成飛行事故問題。如2006年某型號(hào)運(yùn)輸機(jī)在多次穿越結(jié)冰區(qū)產(chǎn)生產(chǎn)品失速墜毀問題。

2 飛機(jī)結(jié)冰機(jī)理分析

2.1 結(jié)冰條件分析

我們仰望天空看到的云就是水蒸氣達(dá)到飽滿后所形成的水汽體，其成分是小水滴或小冰晶，水滴在0℃以下時(shí)，就會(huì)和冰核凝結(jié)成小冰晶。如果云中的冰核不足，就無法形成冰晶而是溫度低的小水滴，也就是冷水滴。如果氣溫在-15℃以上時(shí)，云中有效冰核數(shù)量就很少，如果溫度在-40℃以下時(shí)，冷水滴不需要冰核不需要冰核即可形成冰水融合體，與飛機(jī)相遇會(huì)直接以冰的形態(tài)落實(shí)機(jī)表上。

2.2 凍結(jié)過程

飛機(jī)結(jié)冰主要是包括三種原因：（1）空氣冷水滴過多，與飛機(jī)迎面接觸產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致結(jié)冰；（2）空氣冰晶與飛機(jī)相遇直接附著表面成冰；（3）如果飛機(jī)表面溫度低于0℃，在

水蒸氣較多的環(huán)境中就會(huì)結(jié)冰。飛行結(jié)冰是由于飛機(jī)表體沾染冷水滴，再加上飛行速度較快降低溫度，從而造成家結(jié)冰。空氣中的冷水滴由于存在慣性，不會(huì)繞開阻礙面會(huì)直接碰撞。基于物理原理可知，速度較快的位置氣壓低，飛機(jī)在飛行中會(huì)受到空氣壓強(qiáng)影響，一部分冷水滴就會(huì)附著（壓）在機(jī)表上，另一部分返回空氣中，從而產(chǎn)生結(jié)冰問題。

2.3 結(jié)冰種類

不同氣象條件和飛行條件會(huì)造成不同的結(jié)冰類型。大致可以劃分為明冰、霜冰、混合冰、干積冰、積霜。其中，積霜與干積冰是在飛機(jī)飛行過程中很少發(fā)生，在飛機(jī)停放階段可能出現(xiàn)結(jié)冰問題，也就是一種自然結(jié)冰，這種結(jié)冰形態(tài)往往通過人力即可解決，這就需要將積霜黑客干積冰清除后才可以起飛，由于其對(duì)飛機(jī)飛行階段影響不大，所以不做多贅述。

機(jī)表上所形成的霜冰不平整、質(zhì)地稀松，通常情況下結(jié)冰形狀和我們?nèi)粘Ｉ钪兴吹降乃浅Ｏ嗨啤Ｔ跍囟葹?10℃以下的云層中，這時(shí)云層中的水分含量低，更多是一種霜水結(jié)合體，粘附性非常強(qiáng)，與飛機(jī)相接觸后會(huì)迅速凍結(jié)，由于是一種霜水融合體，流動(dòng)性較差，冰層也更加粗糙，對(duì)飛機(jī)整體氣流傳動(dòng)影響非常大。此外，在飛機(jī)溫度從非常高的空中快速下降會(huì)受到溫暖的空氣，并且水蒸氣密度增加，這時(shí)冷熱相遇就會(huì)導(dǎo)致未飽和的水蒸氣凝結(jié)成冰，如在冰冷的鋼管上滴水會(huì)瞬間成冰。雖然冰霜厚度小，但是會(huì)對(duì)機(jī)體周圍的氣流產(chǎn)生影響，危險(xiǎn)相對(duì)來說不大。

明冰就是在飛機(jī)表面上形成透明光滑、堅(jiān)硬的冰層，與我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷奖鶎酉嘟ｏw機(jī)飛行中穿越了含水量較大、溫度較低的云層時(shí)，溫度較低、水滴較多、凍結(jié)速度也會(huì)變慢，之后慢慢形成可見冰，也就是常態(tài)冰。這種冰更加牢固，聚集厚度大，即使在除冰時(shí)也無法快速處理干凈，再加上機(jī)表冰層形狀各異，嚴(yán)重影響了飛機(jī)的氣動(dòng)外形，擾亂了機(jī)表流場(chǎng)，這對(duì)飛機(jī)安全飛行會(huì)嚴(yán)重極大的影響。多種結(jié)冰事故都是由明冰造成的。

混合冰兼顧了明冰和霜冰的特點(diǎn)，通常在-15～-5℃的云層中，存在大小不一、水冰不融的冷水滴，兼顧了大小水滴的特點(diǎn)。并且云中可能含有冰晶，由于冷水滴與冰晶結(jié)合凍結(jié)，最終出現(xiàn)了表面粗糙且不透明的混合冰。混合冰表面粗糙不平、形狀各異，會(huì)影響結(jié)冰位置的氣流場(chǎng)，再加上混合冰也非常堅(jiān)固，因此對(duì)飛機(jī)安全飛行會(huì)造成極大的影響，相比明冰來說是有過之而無不及。

3 防冰、除冰的方法

由于飛機(jī)結(jié)冰會(huì)對(duì)飛機(jī)飛行造成非常大的影響，這就需要采用相關(guān)手段避免結(jié)冰，需要結(jié)合不同部位對(duì)結(jié)冰的敏感度。如今較為成熟的防除冰方法是防冰和除冰。（1）防冰。顧名思義就是避免飛機(jī)結(jié)冰，特別是積冰敏感的零部，需要采用預(yù)防結(jié)冰的方法，保證該位置在任何條件下都不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰問題。（2）除冰。飛機(jī)飛行中，特別是在寒冷天氣中，不結(jié)冰是不可能的，所以可以在一些不敏感部位存積部分冰，并在后期進(jìn)行清除。防除冰手段較多，可以劃分為液體防冰、物理除冰、起熱防除冰、電熱防除冰等。其主要表現(xiàn)在：

3.1 物理除冰

物理除冰主要是通過蒙皮振動(dòng)從而讓機(jī)表冰層松動(dòng)、震烈，從而將積冰在機(jī)表面上脫離，由于飛機(jī)表體結(jié)冰短時(shí)間內(nèi)是薄薄一層，因此較脆，振碎脫落是除冰的一種渠道。通常情況下，可以在防護(hù)區(qū)下鋪設(shè)膠皮管間斷充氣、放氣實(shí)現(xiàn)蒙皮振動(dòng)，由于皮管彈性縮放即會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則振動(dòng)情況。當(dāng)然超聲波振動(dòng)方法也是不錯(cuò)的選擇；靜電所產(chǎn)生的高能量脈沖讓蒙皮彈性變形實(shí)現(xiàn)快速鼓動(dòng)。以上這些方法都可以起到除冰作用，但是會(huì)影響飛機(jī)氣動(dòng)性，所以當(dāng)今很少采用。

3.2 液體防冰

地面和飛行過程中都可以采用液體防冰方法。地面防冰需要地勤人員在飛機(jī)沒有起飛之前或沒有運(yùn)行前，在機(jī)身噴涂防冰液，讓機(jī)表形成一層防冰膜，即使冷水滴與防冰膜接觸也難以形成積冰。飛行液體防冰是指在飛機(jī)指定部位噴涂防冰液，利用飛機(jī)的氣流慣性、螺旋槳離心作用，將防冰液均勻的涂抹在機(jī)表上，可以降低冷水滴的冰點(diǎn)（也就是即使飛行溫度在0℃以下也會(huì)呈現(xiàn)出液體狀態(tài)，不會(huì)結(jié)冰）。常見的防冰液有乙烯乙二醇、乙醇、甲醇等，這些液體都有一個(gè)特點(diǎn)就是凝固點(diǎn)低。液體防冰會(huì)讓飛機(jī)上的水一直呈現(xiàn)為流體狀，即使停止供液在一段時(shí)間內(nèi)也可以避免產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。本文建議要以地面防冰技術(shù)為主。這是因?yàn)轱w行防冰中， 液體消耗量大、增加飛機(jī)負(fù)重。

3.3 氣熱防除冰

氣熱防除冰也就是通過加熱從而起到防除冰效果的一項(xiàng)技術(shù)。噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)多是采用汽油加熱器作為熱氣源，所以會(huì)增加一定的能源損耗。氣熱防冰依據(jù)加熱效果可以劃分為濕防冰、干防冰兩種形式。其中，干防冰是對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)加熱，這樣保護(hù)區(qū)生結(jié)冰現(xiàn)象或積冰現(xiàn)象幾率幾乎為零；濕防冰是通過持續(xù)加熱讓保護(hù)區(qū)域無法形成結(jié)冰條件，也就是將水量蒸發(fā)。通過二者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，干防冰所需熱量大，多用于敏感區(qū)域或容易結(jié)冰區(qū)域，例如掛架和發(fā)動(dòng)機(jī)前緣等位置；濕防冰所需熱量較少，容易在除冰之后產(chǎn)生冰瘤，防護(hù)面整體上呈濕潤(rùn)狀態(tài)，因此應(yīng)用在不敏感、少結(jié)冰的位置，包括風(fēng)擋、機(jī)翼、尾翼等部位。氣熱防除冰技術(shù)從壓氣機(jī)處引氣，實(shí)施起來較為困難，如果結(jié)冰問題嚴(yán)重，需要大量能源提供熱量，造成發(fā)動(dòng)機(jī)能量不足。如737/787型號(hào)飛機(jī)機(jī)翼和尾翼采用氣熱防除冰技術(shù)中，為了避免引氣過多造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降問題，通常可以選擇機(jī)翼、尾翼交替除冰的方法。

3.4 電熱防除冰

該項(xiàng)技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為熱能， 通過對(duì)電能加熱防護(hù)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)防除冰目的。對(duì)于不允許積冰或耗電較小的部件，可以采用連續(xù)供電加熱，包括風(fēng)擋、空速管等部位；對(duì)于少量積冰或耗能較大的位置，可以采用周期供電加熱的方法，包括機(jī)翼和尾翼等。電熱防冰技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單、動(dòng)力損失小、加熱均勻、防除冰效率快等優(yōu)勢(shì)，因此使用較為廣泛，特別是電熱系統(tǒng)除冰，由于可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬、精準(zhǔn)控制，所以是飛機(jī)防除冰發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

飛機(jī)飛行防除冰技術(shù)對(duì)飛機(jī)安全飛行有著重要意義。本文提出了結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行的安全危害，闡述了飛機(jī)結(jié)冰機(jī)理，并介紹了幾種飛機(jī)防除冰的方法，旨在降低飛機(jī)飛行中的結(jié)冰危害。

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