氣候環(huán)境實驗室降/揚雪環(huán)境表征方法分析

唐揚剛，馬蘭，任戰(zhàn)鵬

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

民用飛機在使用的過程中會遭遇降/揚雪天氣，給飛機的使用帶來不利影響。首先，降/揚雪會導致機體、翼面、發(fā)動機唇口、輔助動力裝置（APU）等部位積雪/冰，可能引起結構變形或活動機構卡滯、發(fā)動機效率下降、APU啟動故障等問題，從而影響民機使用安全。其次，降/揚雪會降低能見度，影響飛行員視線，可能導致飛行員誤判，造成飛行事故。因此在對民機進行適航取證時，必須證明民機在降/揚雪環(huán)境下的適用性。比如 CCAR25.1093(b)(1)中要求民機APU要在為飛機作該類營運所制定的使用限制內的降雪和揚雪環(huán)境下，沒有不利于運轉或引起功率嚴重損傷的冰積聚。然而尋找滿足要求的自然降/揚雪條件較困難，因此利用氣候環(huán)境實驗室模擬的降/揚雪環(huán)境進行適用性驗證得到了越來越多的應用。如空客A380[1]、A350XWB[2]和龐巴迪C系列飛機在麥金利氣候環(huán)境實驗室進行了降/揚雪試驗，并得到了適航當局的認可。

不管是在自然環(huán)境還是在氣候環(huán)境實驗室中，對民機在降/揚雪環(huán)境下的適用性進行驗證時，都要先明確降/揚雪環(huán)境定義、表征方法等。目前關于民機在降/揚雪環(huán)境下的適用性驗證的文獻和標準很少，麥金利氣候實驗室雖然進行了民機的降/揚雪試驗，但是公開的資料較少，主要是對試驗結果的概述，無法對其模擬的降/揚雪環(huán)境進行全面的認識和了解。DEF STAN 00-35提供了軍用裝備大風雪和雪載的實驗室試驗方法[3]，但也沒有對降/揚雪環(huán)境本身給出明確的定義。我國的國軍標、航標等也都未提供實驗室降/揚雪環(huán)境試驗方法，因此明確降/揚雪環(huán)境定義和表征方法對于支持民機氣候環(huán)境實驗室降/揚雪試驗的開展具有重要意義。

1 降/揚雪環(huán)境定義

1.1 雪形成機理

在自然環(huán)境中，雪是大氣中以晶態(tài)存在的水。大氣中聚集的細小水滴，經過冷空氣冷卻形成過冷水滴，空氣中的水汽呈現過飽和狀態(tài)，在低溫環(huán)境作用下，過冷的微小水滴可以形成細小的冰晶核，且大氣中存在的氣溶膠顆粒也會形成晶核。隨后水蒸氣在晶核上的繼續(xù)成長，從而形成了各種各樣的雪晶。雪晶通過冰晶融合積聚作用，逐漸長大成為雪晶的聚集體。當這種聚合體的重量超過空氣的浮力后，就會形成自然的降雪。在自然界中，空氣中的水汽想要結晶，從而形成降雪，必須具備三個條件：空氣中的水汽處于飽和狀態(tài)、空氣中必須有凝結核以及必要的環(huán)境溫度和水蒸氣過飽和度條件[4-5]。

從自然界雪晶形成的機理可以看出，雪晶形成的關鍵因素是溫度和空氣中的水分。另外，在自然降雪過程中，云中雪晶的形成、成長的過程時間較長。要在氣候環(huán)境實驗室中模擬降雪，由于空間和條件的限制，需要在短時間內完成晶核的發(fā)育、雪晶的形成和成長，這與自然界降雪的形成機制略有不同。氣候環(huán)境實驗室中通過制冷設備使實驗室中的環(huán)境溫度達到雪晶形成溫度，然后利用造雪機來形成降雪。

1.2 環(huán)境定義

GB/T 35224—2017《地面氣象觀測規(guī)范 天氣現象》[6]以及文獻[7]對雪的描述為：固態(tài)降水，大多是白色不透明的六出分枝的星狀、六角形片狀結晶，常緩緩飄落，強度變化較緩慢，溫度較高時多成團降落。《大氣科學名詞》中對雪的定義為由冰晶聚合而形成的固態(tài)降水[8]。

在 CCAR25部 25.1093(b)(1)條中提到的“降雪”和“揚雪”在 FAR25部 25.1093(b)(1)中分別對應“falling snow”和“blowing snow”。目前，相關文獻中并沒有對“降雪”或“falling snow”的明確定義。一般而言，降雪是指雪花不受陣風影響，自然下落的天氣現象。在《大氣科學名詞》中將高吹雪譯為“blowing snow”，是指陣風將雪片（雪花、雪粒）吹揚到高于水平視線以上的天氣現象[8]。在GJB 1172.6《軍用設備氣候極值 雪》中，也將高吹雪譯為“blowing snow”，指雪粒子隨風移動，使距離地面1.5 m以上水平能見度小于10 km的現象[9]。可以看出，GJB 1172.6對高吹雪（blowing snow）的定義更加明確，給出了能見度要求，因此本文采用 GJB 1172.6中對高吹雪（blowing snow）的定義來表示“揚雪”。從上述分析可以看出，降雪與揚雪的區(qū)別主要在于是否有風將雪粒子吹揚起來。

空客A380在進行APU降/揚雪環(huán)境下的結冰試驗時，對雪的種類也進行了記錄，選取的自然環(huán)境中的雪為干雪（dry snow），實驗室模擬的雪為濕雪（wet snow）[1]。《大氣科學名詞》中對干雪的定義為雪中的空隙被空氣充滿，液態(tài)水含量很少的雪[8]。干雪中含水量很少，用手捏不成團，容易形成厚厚的積雪，易被風吹起來，干雪形成氣溫一般低于0 ℃。

濕雪是指包含大量液態(tài)水的雪，如果水完全充滿雪中的空隙，則歸類于極濕雪[8]。濕雪中含水量較多，用手可捏成團，在雪層中可以明顯看出有液態(tài)水的存在，容易附著在物體表面，從而凍結成冰，濕雪形成溫度一般接近0 ℃。

2 標準中的降/揚雪環(huán)境表征方法分析

降/揚雪環(huán)境表征是利用某些物理量對降/揚雪過程、結果、相關環(huán)境參數等進行描述，從而對降/揚雪形成全面、立體的認識。可以從四個方面著手來分析降/揚雪環(huán)境的表征方法：首先降/揚雪是一種自然氣候現象，可以收集整理相關氣象標準中對降/揚雪環(huán)境的表征方法；相關的環(huán)境試驗標準給出的表征方法；與降/揚雪有關的適航符合性驗證方法中的表征方法；國外關于民機降/揚雪試驗的文獻中對降/揚雪環(huán)境的表征方法。

2.1 氣象標準中的表征方法

GB/T 35229—2017《地面氣象觀測規(guī)范 雪深與雪壓》通過雪深和雪壓來對降雪進行觀測記錄[10]。雪深是指從積雪表面到地面的垂直高度，雪壓是指單位面積上的積雪質量。

降/揚雪會影響能見度，因此能見度也能對降/揚雪環(huán)境進行表征，在美國自動地面觀測系統(tǒng)（ASOS）中，降雪強度就是根據透射表或人工觀測的能見度來判斷的[11]。GB/T 35223—2017《地面氣象觀測規(guī)范 氣象能見度》中對能見度的定義為：視力正常的人在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認出的目標物（黑色、大小適度）的最大距離[12]。

GB/T 21978.6—2008《融雪型雨雪量計》中規(guī)定的融雪型雨雪量計通過測量每小時的雪水當量（mm/h）來表示降雪強度[13]，雪水當量表示雪融化后得到的水量[8]。

氣象標準中對降/揚雪環(huán)境的表征方法見表1。

表1 氣象標準中對降/揚雪環(huán)境的表征方法Tab.1 Characterization method of snowfall environment in meteorological standards

2.2 環(huán)境試驗標準中的表征方法

DEF STAN 00-35在大風雪試驗標準中提出采用雪通量來表示大風雪強度，GJB 1172.6中也通過雪通量表示高吹雪（揚雪）強度。雪通量是指單位時間內水平方向上通過單位鉛直（豎直）截面的雪質量。DEF STAN 00-35中除了利用雪通量對高吹雪（揚雪）進行描述，還對試驗時的溫度和風速進行了規(guī)定。

DEF STAN 00-35在雪載試驗方法中采用雪載來表示積雪強度，雪載是指單位面積上的積雪質量。不難發(fā)現，該標準中的雪載與GB/T 35229—2017標準中雪壓的定義一致。DEF STAN 00-35同時還提出要考慮由于風導致的積雪不均勻的問題，但并未給出明確的風速要求，另外還推薦了進行雪載試驗時的溫度。

GJB 1172.6—91提出了雪粒子有效直徑的概念：測量到的雪粒子長度與寬度乘積的平方根[9]。同時還提出了雪粒子譜的概念：一定的雪粒子有效直徑間隔內的雪粒子百分數隨雪粒子有效直徑的變化。GJB 1172.6—91還定義了雪密度：單位水平表面積上積雪的質量與雪深的比。

綜上所述，環(huán)境試驗標準中對降/揚雪環(huán)境的表征方法見表2。

表2 環(huán)境試驗標準中對降/揚雪環(huán)境的表征方法Tab.2 Characterization method of snowfall environment in environmental test standard

3 適航關注的降/揚雪環(huán)境表征方法分析

3.1 適航符合性驗證方法中的表征方法

CS-25部的符合性驗證方法AMC25.1093(b)中給出了飛機進氣系統(tǒng)在進行降雪和揚雪環(huán)境下的符合性驗證時對降/揚雪環(huán)境的要求，包括能見度、溫度、總含水量、風速和干濕雪類型，見表3。

表3 AMC25.1093(b)對降/揚雪環(huán)境的要求Tab.3 Requirements of AMC25.1093 (b) for snowfall environment

3.2 國外民機降/揚雪試驗中的表征方法

A380在加拿大圣休伯特機場附近進行 APU降/揚雪環(huán)境下的適航符合性驗證試驗的環(huán)境參數見表4。從表 4可知，該試驗利用風速、風向、能見度、陣風、溫度以及降/揚雪強度來描述降/揚雪環(huán)境，另外還記錄了此次試驗中雪的類型為干雪。

表4 外場降/揚雪環(huán)境表征方法Tab.4 Characterization methods of outfield snowfall environment

由于外場的環(huán)境溫度一直比要求的-9 ℃低，試驗人員在麥金利氣候實驗室重新進行了A380的APU的降/揚雪試驗。利用造雪機和軸流風扇來產生需要的雪和風速條件。試驗前對造雪機進行標定，使得垂直于垂尾的風速為10.29 m/s時，空氣中的總含水量（包括液態(tài)水和雪晶）為3 g/m3，同時根據要求的雪晶降落末速度（1.5 m/s）計算得到了需要的降雪強度（0.172 kg/min）[1]，但未說明該降雪強度是造雪機的造雪量還是在一定區(qū)域內形成的積雪的質量。另外，在實驗室中模擬形成的雪為濕雪，且試驗結果表明，濕雪條件下進氣道和尾翼表面出現了明顯的積雪，而在干雪條件下則只有很少的積雪。從上述分析可知，國外民機在實驗室進行降/揚雪試驗時采用溫度、總含水量、風速、降/揚雪強度和干濕雪類型來對降/揚雪環(huán)境進行表征。

綜合國外民機在自然和實驗室降/揚雪環(huán)境下的適航符合性驗證試驗，歸納出對應的降/揚雪環(huán)境的表征方法，見表5。

表5 實驗室降/揚雪環(huán)境表征方法Tab.5 Characterization method of laboratory snowfall environment

表5中未將降雪強度納入表征方法中，這是因為能見度與降雪強度是相互制約的關系。文獻[14]給出了能見度與降/揚雪強度的理論計算結果，并與實測數據進行了對比。結果表明，能見度隨著降/揚雪強度的增大呈指數降低的趨勢。因此對于能見度和降雪強度，選取其中一個表征方法即可。

將上述各標準、適航符合性驗證試驗方法和試驗資料中的表征方法綜合在一起，得到10項表征方法，見表6。

表6 降/揚雪環(huán)境表征方法匯總Tab.6 Summary of environmental characterization methods for snowfall

4 氣候環(huán)境實驗室降/揚環(huán)境表征方法分析

表6中有10種降/揚雪環(huán)境的表征方法，如此多的表征方法都用來對氣候環(huán)境實驗室降/雪環(huán)境進行描述顯然是不切實際的。考慮到民機氣候環(huán)境實驗室降/揚雪試驗的目的是利用實驗室模擬的降/揚雪環(huán)境驗證其適航符合性，因此需要重點關注適航方面要求的的降/揚雪環(huán)境參數。比如A380在進行APU降/揚雪試驗時，控制的環(huán)境參數與AMC25.1093(b)中要求的環(huán)境參數一致。下面以適航關注的降/揚雪環(huán)境表征方法為基礎，再結合各標準中的表征方法以及已有的氣候環(huán)境實驗室降/揚雪試驗資料，分析給出氣候環(huán)境實驗室降/揚雪環(huán)境表征方法。

上文分析給出了適航關注的降/揚雪環(huán)境表征方法有溫度、雪類型（干雪或濕雪）、能見度、總含水量和風速。其中對于溫度、能見度、總含水量和風速在氣候環(huán)境實驗室中都較容易實現和控制，而雪類型是對雪特性的定性描述，如何去定量地界定和控制則較困難。雖然AMC25.1093(b)指出濕雪形成的溫度是-3～2 ℃，干雪形成的溫度是-9～-2 ℃，但是 A380在麥金利氣候實驗室進行APU的降/揚雪試驗時，記錄了在－9 ℃時雪的類型是濕雪[1]。由此可見，對于干濕雪的界定不能僅憑溫度。文獻[8]對干濕雪進行了定性描述，二者最顯著的區(qū)別是含水量的不同，這種區(qū)別可以采用一種定量化的參數來描述——雪密度。文獻[15]統(tǒng)計了新降雪的雪密度與當時氣溫的關系，見表7。

表7 雪密度與溫度的關系Tab.7 Relationship between snow density and temperature

由表7可知，隨著環(huán)境溫度的升高，新降雪的雪密度的平均值也隨之增大。考慮到干雪一般在較低的溫度下形成，濕雪在相對較高的溫度下形成，因此采用雪密度來對干濕雪進行定量的表征是可行的方法。但是還需要進一步研究確定干濕雪對應的密度范圍，從而將干濕雪明確地區(qū)分開來。

綜上所述，民用飛機在氣候環(huán)境實驗室中進行降/揚雪試驗時，采用溫度、雪密度、能見度、總含水量和風速對降/揚雪環(huán)境進行表征，該表征方法能滿足適航符合性驗證的要求。

5 結論

1）降/揚雪的氣象標準表征方法包括雪深、雪壓和雪水當量。

2）降/揚雪的環(huán)境試驗標準表征方法包括溫度、雪通量、風速、雪載/雪壓、雪粒子有效直徑和雪密度。

3）適航關注的降/揚雪環(huán)境表征方法有溫度、風速、總含水量、能見度、雪的類型。

4）綜合上述各類表征方法，并針對干雪和濕雪的區(qū)別，提出利用雪密度對干濕雪進行區(qū)分，采用溫度、雪密度、風速、總含水量和能見度對氣候環(huán)境實驗室降/揚雪環(huán)境進行表征，該表征方法可支持民用飛機氣候環(huán)境實驗室降/揚雪試驗的開展。