飛機翼面積冰對飛行的影響分析

邱玲

摘要：飛機積冰是威脅飛機飛行安全、影響飛行性能的主要因素之一。文章分析總結了機翼和平尾積冰對飛行的主要影響。

關鍵詞：翼面積冰；飛行性能；飛機

隨著航空技術的發展，現代飛機的安全性和舒適性已經得到了很好保障，快速便捷的飛機成為人們出行的主要交通工具之一。但飛機飛行環境處于復雜多變的大氣層中，風雪雷雨冰雹等氣象都會對飛行產生不利影響，其中，飛機結冰這一看似平常的自然現象，卻會對飛行產生嚴重的影響。當飛機在冬季飛行或者穿過積雨云等易積冰區域時，往往會在飛機部件的迎風面，包括機翼（或螺旋槳）、機頭、水平尾翼、垂直尾翼、增升裝置、操縱面、進氣道唇口、空速管、天線和擋風玻璃等部位產生積冰，從而惡化飛行性能，嚴重者造成安全事故。比如發動機進氣道積冰，會使推力下降，甚至導致發動機壓氣機葉片的震動，脫落的冰塊如果掉入發動機內部會產生機械損傷，造成發動機損壞或停火；空速管和壓力探頭積冰會使儀表顯示失真從而誤導飛行員等。我們來看看下面這些空難。

1989年3月10日，加拿大安大略航空公司一架福克F28飛機起飛69 s后墜毀，24人死亡，45人受傷，原因：機翼表面一層薄冰。

15個月后，全美航空的一架福克F28飛機起飛30 s后于跑道盡頭墜落，27人遇難。原因：飛機在機場除冰后又等待30 min后起飛，導致機翼表面再次積冰。

可見飛機積冰嚴重影響飛行安全，但積冰部位不同，對飛行的影響是不一樣的，本文僅討論飛機機翼和尾翼翼面積冰對飛行的影響。

1 機翼積冰對飛行影響

飛機飛行時的升力主要是機翼產生的，其升力系數隨迎角的變化如圖l所示，隨著迎角“增加，升力系數Cv剛開始也增大，但當迎角增加到某個角度（即失速迎角Cc。，）時，升力系數達到最大值Cvmax，如果繼續增加迎角，機翼上表面的氣流大面積分離，形成如圖2所示的旋渦區，使升力系數大大下降，產生一種叫大迎角失速的現象。失速時，升力陡降、阻力大增，飛機機頭下沉，機翼發生振動，飛機難于保持正常飛行，嚴重時會引發空難。因此，為避免飛機在飛行時發生失速，保證飛行安全，規定其飛行迎角不能超過飛機的失速迎角。但當機翼表面積冰后，機翼的外形發生了惡性改變，會使飛機在小于設計失速迎角的情況下提前失速，從圖1可以看出，機翼前緣積冰后，除升力大大降低外，其失速迎角也降低了2-4度。

具體來說，機翼表面積冰會有下列一些影響。

1.1影響飛機的起飛和爬升性能

機翼積冰使飛機的升力減小，在達到離地速度和迎角時，升力小于飛機重力導致飛機不能起飛，由圖l看出，可以增大迎角來提高升力，但較大迎角起飛容易導致飛機尾部擦地，所以只能靠增加速度提高升力使飛機起飛，同時機翼積冰使阻力增加，飛機起飛滑跑的加速度減小，從而導致滑跑距離大大增加，甚至沖出跑道。

飛機爬升時，阻力的增加則會減小飛機的上升角度和上升速度，使飛機的爬升性能變差，降低了飛機的越障能力。雖然大冰塊危害更大，但試驗數據顯示，僅僅在機翼表面每平方厘米分布一粒不足2 mm的細小冰粒，也會使飛機的升力減少量超過20%，導致飛機起飛困難甚至發生失速的危險，如前文中安大略航空公司F28飛機事故原因，就是機翼上一層飛行員目視都沒有發現的薄冰。因此，我國民航總局規定，任何飛機都不能帶冰、雪、霜起飛。

1.2影響飛機的著陸性能

飛機著陸時，如果機翼表面積冰導致升力減小，使得升力遠小于飛機重力，著陸時飛機和跑道間產生巨大沖擊，損毀飛機和跑道。為了提高著陸時的升力，使之接近飛機重力以減小地面沖擊，必須增加飛機的著陸速度，從而延長了著陸時的地面滑跑距離和時間。

1.3影響飛機的巡航性能

在飛機平飛時，如果機翼積冰引起飛機阻力增加升力減小，那么要保持其飛行速度和迎角等飛行狀態不變，就需要加大發動機推力，從而消耗更多燃料，縮短了飛機的航時和航程，增加運行成本。而如果不增加發動機的推力，則飛行速度會減小，為保持飛機不掉高度，需加大迎角飛行，就可能導致機翼大迎角失速。

1.4機翼翼尖失速影響副翼的操縱效率

研究證實，小而薄的部件更易積冰，所以機翼翼尖和平尾等部件積冰更嚴重。機翼翼尖相比翼根更薄，容易先積冰從而引發翼尖先失速，使位于翼尖附近的副翼操縱效率降低，另外翼尖失速會使機翼的升力作用點前移，增加機翼根部的結構受力，同時使機頭上仰，加大迎角有失速的危險。 此外，飛機左右機翼的積冰狀態不可能完全一樣，這就會導致飛機側傾，加大操縱困難，如果一側機翼先失速，那么這側機翼提供的升力忽然大減，會導致飛機突然向該側劇烈滾轉，發生危險。

總之，機翼積冰會使飛機在飛行時升力減小、阻力增大，操縱困難，飛行性能變壞，嚴重時會失速引發空難事故。

2 平尾結冰的影響

如圖3 （a）所示，平尾一般是負迎角安裝，產生向下的升力，對飛機產生抬頭力矩起到配平作用。由于平尾比機翼薄而小，積冰比機翼更嚴重。平尾積冰和機翼積冰一樣，也會使平尾上產生的升力減小阻力增大，雖然由于其面積小變化量不大，但由于平尾位于飛機尾部，遠離飛機重心，其產生的俯仰力矩變化可不小。故平尾積冰主要影響飛機的俯仰穩定性和俯仰操縱性。

（1）平尾積冰導致平尾升力減小，俯仰穩定力矩減小，降低了飛機俯仰穩定性。

（2）平尾積冰導致氣流分離，降低了升降舵操縱力和俯仰操縱力矩，導致升降舵的操縱效率降低，甚至飛機的俯仰操縱能力喪失。

（3）平尾失速。為增加升力和阻力，飛機著陸時往往會向下大角度偏轉襟翼，使機翼上下壓差增大，從而導致機翼翼尖旋渦強度增加，下洗氣流速度增大使平尾的相對氣流V下偏到V尾，平尾的負迎角增大，如圖4所示，而平尾積冰又降低了平尾失速迎角的絕對值，從而導致平尾在較小迎角下提前發生失速。失速時，平尾下翼面的氣流完全分離，產生的向下的負升力不能平衡飛機的低頭力短，飛機機頭猛然下俯，如圖3 （b）所示，而這時升降舵的操縱能力也大為降低，并且此時飛行高度較低，飛機一旦發生平尾失速，往往難以控制而導致災難。

機翼和尾翼上的操縱面積冰后，會導致操縱桿力、操縱效能等發生變化，但如果是操縱面縫隙積冰，不僅降低操縱效率，嚴重時還將出現卡死現象，操縱面不能轉動，使操縱能力完全喪失。

3結語

鑒于飛機積冰對飛行的危害極大，國內外相關機構對此進行了大量的飛機防除冰研究，采取了多種多樣的防（除）冰方式。包括機械除冰系統、液體防冰系統、氣熱防冰系統、電熱防冰系統等方法，目前己廣泛應用于各型飛機中，大大減小了積冰的危害。當然，最好的辦法是讓飛機不結冰，比如飛機表面采用超疏水材料，使水滴不能黏附在機體表面，達到防止積冰的目的。目前科學家們正致力于這方面的研究，并取得了良好的進展。相信不久的將來，“積冰”這一危害飛行安全的兇手，最終會完全被降服。