積冰對飛機的危害及防除冰方法

胡義明

摘 要：近幾年，隨著我國航空市場地位的不斷提升，國內航空客運和貨運需求都得到了強勁增長，在不久的未來，中國有望成為全球最大的航空市場。在航空運營中，飛機積冰是嚴重威脅飛行安全的重要因素，對飛機積冰問題進行深入研究，不僅可以為今后飛機防/除冰裝置的設計以及積冰條件下飛行的操作規范提供理論基礎，還能為國家自主研發的大飛機以及民機的適航安全提供支持。

關鍵詞：積冰危害;防除冰技術;飛機性能

結合飛機的不同飛行狀態，可以將飛機的積冰劃分為飛行積冰和地面積冰，由于飛行而導致積冰的概率往往在90%以上。2006年6月3日，空軍的一架運輸機由于在空中發生了積冰現象，碰巧機翼除冰系統又發生了故障，最終導致飛機失控墜毀在安徽某處;飛機停放在地面或者在起飛滑跑階段時，出現了諸如溫度較低、降雨、霜霧等氣象條件，就會造成飛機的地面積冰。如果地面積冰沒有得到及時處理，在起飛階段就會出現額外的安全隱患[1]。2004年11月21日，東航的MU5210航班正是因為在包頭機場停放時，出現了霜霧天氣，飛機產生了地面積冰，并且積冰沒有得到及時處理，導致該航班發生了嚴重的空難;此外，在俄羅斯也發生過類似的事故，2012年4月2日，該國一架ATR—72飛機在執行任務時，“意外”墜毀，后經事故調查證實，事故的發生也與飛機積冰有關。

從各國的飛行事故中可以看出，積冰會嚴重危害飛機的安全運行。為了保障飛行安全，必須開展相關飛機積冰機理的研究工作，并基于此提出相應的應對方案就顯得十分重要。

1 積冰機理及類型

1.1 積冰機理

當飛機的機體外表面產生了聚集的冰層時，我們就可以認為飛機發生了積冰現象。如果飛行環境中存在云、霧、雨或雪的氣象條件，飛機的外流場中就會存在懸浮的過冷水滴，這些水滴由于自身質量和慣性比空氣質點的大，因此會偏離空氣流線并撞擊在機翼上，然后被凍結成積冰[2]。

1.2 積冰類型

在實際飛行中，根據積冰物理過程的不同，在飛機上形成的冰的類型也并不相同，由此也會給飛機帶來不同程度的影響。經過長期觀測，積冰類型主要包括：霜冰（Rime Ice）、明冰（Glaze Ice）、混合冰（Mixed Ice）。

由于飛機實際的飛行環境十分復雜，導致混合冰的發生概率比前兩者都要大，混合冰的表面粗糙，形狀不規則，凍結十分牢固，對飛機的危害非常大。混合冰（Mixed Ice）形成于-10°～-20°的云層中，它介于霜冰和明冰之間，同時具備霜冰和明冰的性質，如圖1所示。

2 積冰對飛機性能的危害

2.1 積冰對操穩特性的影響

水平尾翼積冰會嚴重影響飛機的操縱效率，為了保持縱向平衡需要更大的升降舵角，由此也會導致飛機出現附加的低頭力矩，臨界迎角變小，不利于飛行安全[3]。如果積冰發生在操縱面的縫隙部位，則可能會出現舵面卡死的情況。在積冰很嚴重的情況下，飛機將失去操縱能力[4]。此外，由于積冰，飛機的質量分布和氣動外形將發生變化，重心和翼型焦點位置也會相應變化，飛機縱向和橫向的氣動導數隨即也會發生改變，影響飛機的穩定性以及響應特性[5]。圖2是典型大型民用飛機在-4°～6°迎角范圍內，機翼分別在干凈外形（clean）、重度積冰（iced-A）和中度積冰（iced-B）狀態下的縱向靜穩定性情況，可以看出，在該迎角范圍內，飛機的縱向靜穩定性出現了明顯下降。

2.2 積冰對氣動特性的影響

飛機積冰會改變飛機的氣動外形，使原本光滑的機體表面變得粗糙，從而導致飛機的空氣動力學性能下降。例如在機翼表面發生積冰，會破壞環繞翼型氣流的平滑流線，使得氣流提前分離，相應地會出現升阻比下降的情況。下表詳細列出了飛機在不同環境溫度下，機翼發生積冰前、后的升力和阻力系數大小。從表中的數據可以看出：由于飛機積冰導致了升力系數減小的同時，阻力系數也在增大，對飛行安全十分不利。

2.3 積冰對起降性能的影響

在起飛階段，飛機發生積冰時，氣動性能的降低會導致升力特性下降、機身重量增加，這時原本的起飛速度將不再滿足起飛條件，必須加大起飛速度。這樣操作帶來的影響是：滑跑距離會變長、相應的滑跑時間也會增加。如果在起飛階段，飛機的速度過低，迎角變大后容易失速。

在著陸階段，由于飛機積冰導致升阻特性發生變化，會造成進場速度和接地速度相繼增大，為了能夠安全著陸，飛機需要更長的制動距離和制動時間。此外，積冰致使平尾操縱效率下降后，對于飛行員的操作要求會更高，稍有不慎，很有可能發生事故。

3 防/除冰技術

由于飛機積冰涉及飛機安全問題，因此飛機的防/除冰技術一直是航空領域的研究熱點。在航空運營中，現有的飛機積冰防護系統可以分為防冰系統和除冰系統這兩大類，除冰系統允許在機身表面存在些許積冰，然后采用機械的方法進行周期性地除冰，機械除冰技術主要包括：膨脹管除冰和電脈沖除冰;相比之下，防冰系統不允許機身表面出現積冰，主要包括液體和涂層防冰、電熱和熱氣防冰以及其他新出現的防冰技術等[6]。下圖3對現有的飛機防/除冰技術進行了一個簡要的總結，并對其工作原理進行了介紹。

在飛機的實際飛行中，氣象條件相對復雜，由于以上各種防/除冰技術的工作原理都各不相同，因此對飛機的積冰都有著不同程度的預防和去除效果，也就具有相應的缺陷，使之不能被完全采用或者無法完全消除積冰對飛機的危害。例如膨脹管除冰時，會破壞機翼的氣動外形，影響飛行性能;液體防冰會消耗大量的防冰液，不僅對環境會造成影響，而且作用時間有限，維護麻煩;涂層防冰材料表面粗糙且易損，疏水性能容易下降;電熱防冰系統裝置復雜、重量大，容易形成二次積冰。

4 結語

積冰會嚴重影響飛行性能，綜合考量之下，現代飛機的機翼多采用電熱和熱氣防/除冰系統。此外，對于飛機的其他部位，一般會根據其積冰特點來針對性的選用不同的防/除冰技術，從而達到最佳的防護效果，保障飛行安全。

參考文獻：

[1]孔繁文.積冰對飛機飛行安全的影響與防護技術分析[J].科技創新與應用，2018（09）：69-70.

[2]孫志國.飛機積冰數值計算與冰風洞部件設計研究[D].南京航空航天大學，2012.

[3]檀妹靜.飛機積冰中的水膜模型研究[D].南京航空航天大學，2013.

[4]周莉，徐浩軍，龔勝科，等.飛機積冰特性及防除冰技術研究[J].中國安全科學學報，2010，20（6）：105-110.

[5]陳金瓶.二維圓柱積冰的冰風洞試驗研究及水滴撞擊特性計算[D].南京航空航天大學，2013.

[6]周煜杰.飛機防除冰方法的總結與探究[J].現代商貿工業，2019，40（01）：195-196.