渦槳飛機結冰失速問題研究

錢錕+孔維梁

結冰失速問題是威脅飛行安全的一個常見問題，幾乎每年都會發(fā)生因飛機結冰導致的飛行事故，其危害是致命的。自1943年至2005年，全球因結冰原因造成的飛行事故共有126起，從1969年到2005年，與飛機結冰有關的事故就已經(jīng)造成了500多人死亡。而渦槳飛機由于螺旋槳滑流的特殊作用、巡航高度較低等特點，相對于噴氣式飛機更容易發(fā)生結冰失速事故。

死亡報告

—美國2.12水牛城空難調查

2009年2月12日，美國大陸航空公司的3407航班在紐約州北部布法羅市郊區(qū)墜毀，失事的飛機為龐巴迪公司的“沖-8Q400”型74座支線客機，這架飛機剛出廠不久，而且擁有很好的安全紀錄，駕駛員是累計飛行3000小時以上的老飛行員。

這架飛機從新澤西的紐瓦克機場起飛后一直飛行正常，到達水牛城附近距地面3000多米高度時已經(jīng)做好了降落準備，在飛機距地面還有600多米時，飛行員按程序放下了起落架并打開減速板。然而，飛機竟然在5秒內急劇下降了大約243米，從海拔548米高度直降到304米處，同時飛機出現(xiàn)一系列顛簸和翻滾：先向上傾斜31°，然后又向下傾斜45°，向左傾斜46°，隨后馬上向右傾斜105°，最后以近乎垂直的角度直墜一所民居，造成機上49人及地面1人死亡。從飛機在放下起落架和襟翼后出現(xiàn)劇烈翻滾、下墜的情況來看，飛機的一側機翼應處于失速狀態(tài)。

事故調查表明，飛機在起飛前沒有任何機械故障，2臺發(fā)動機在飛機失事前也正常運轉。在事故現(xiàn)場找到的黑匣子里記錄了機組與地面塔臺完整的通話記錄。飛行員在5000米高度時就報告說外界模糊不清，隨后下降到3000米時，機組人員又反映擋風玻璃和機翼前緣發(fā)現(xiàn)大量的冰塊，并報告飛機除冰系統(tǒng)已經(jīng)開始啟動，顯然這是飛機在近進過程中處于結冰狀態(tài)的直接證據(jù)。20秒后機組人員調整飛機襟翼（阻力板）并減速準備著陸，但飛機隨之就出現(xiàn)一系列顛簸和翻滾，顯然這是由于飛機一側的機翼失速造成的。機組人員試圖調整飛機時，通話記錄很快就結束了（飛機已經(jīng)墜毀），種種跡象都說明很可能是結冰導致了飛機失速，而失速最終導致飛機在近進過程中墜毀。

飛機墜毀時水牛城天氣狀況較差：美國東部和中部地區(qū)2月12日遭遇強風，造成數(shù)十萬用戶斷電，航空交通也受阻。紐約市部分地區(qū)出現(xiàn)雨雪冰雹天氣，風速達到每小時27千米，導致部分機場運行受阻。這種天氣很容易造成飛機表面結冰。而根據(jù)現(xiàn)場的初步調查表明，飛機在問題出現(xiàn)前其自動駕駛功能處于啟動狀態(tài)，也就是說在冰凍環(huán)境下飛行員并沒有根據(jù)國家運輸安全委員會（NTSB）的建議采用手動駕駛飛機，而是錯誤地啟動了自動駕駛功能。這使結冰對飛機飛行的影響沒有被及早發(fā)現(xiàn)而令情況更加惡化，最后導致了飛機的失控。

盡管飛機除冰系統(tǒng)已經(jīng)開始啟動，但據(jù)稱“沖-8Q400”客機的除冰性能非常一般，很難對抗在惡劣天氣下機體的表面結冰現(xiàn)象。在此15年前，美國印第安納州也曾發(fā)生了一起1架“沖-8Q400”客機因結冰墜毀的事件。這次“沖-8Q400”在事故中出現(xiàn)的種種跡象與渦槳飛機的結冰失速特點十分符合。因此，即使這次事故還有其他誘因，結冰也應是主要原因之一。

飛行員的重大認識誤區(qū)

—結冰失速和普通失速問題的應對措施是截然不同的

調查人員關心的是，當失速發(fā)生時，當值駕駛員為什么沒有能夠駕駛飛機從失速中改出？按道理，累計飛行3000小時以上的當值飛行員肯定是在模擬器上接受過如何從失速中改出的訓練，那么是不是當值飛行員的應急處置方法不符合改出失速的操作規(guī)范呢？墜毀飛機黑匣子里記錄的完整飛行數(shù)據(jù)給出了事情的真相：飛行員在發(fā)現(xiàn)飛機失控后，馬上意識到飛機已經(jīng)失速（雖然失速之前駕駛桿沒有振動以提示飛行員飛機失速），并按照美國聯(lián)邦航空局（FAA）規(guī)定的正常失速改出程序要求操縱飛機，當值飛行員首先增加了發(fā)動機推力，并拉桿希望保持飛機的飛行高度，其目的是將失速導致的高度損失最小化，以尋求中斷著陸，并復飛，為此，他還特意收起了起落架和減速板。在正常情況下，在執(zhí)行了這套規(guī)定的失速改出程序后，飛機會加速并減小迎角，從而改出失速狀態(tài)。但不幸的是那天飛機結冰了，這樣做只會導致更嚴重的失速。結果是飛機的迎角不但沒有減小反而繼續(xù)增大，直至完全失速并幾乎垂直落向地面墜毀。

那么調查人員不禁要問，當時當值飛行員有沒有可能挽救這架飛機呢？答案是肯定的，其關鍵點就在于飛行員在失速出現(xiàn)伊始及時推桿—而不是拉桿來降低迎角，其前提條件是飛行員知曉飛機機翼存在結冰問題，并掌握應對飛機結冰失速問題的正確應對措施和改出方法。不幸的是，212事故當值飛行員雖然知曉飛機存在機翼結冰問題（他主動打開了除冰系統(tǒng)，證明他意識到了結冰問題），但是他完全不知道應對飛機結冰失速的正確應對措施和改出方法，最終釀成了悲劇。

值得注意到的是：此事故并不是個例，結冰導致的失速在渦槳支線客機上時有發(fā)生，它是威脅渦槳支線客機飛行安全的一個嚴重安全隱患。目前世界上支線航空發(fā)展迅速，這個問題應得到足夠的重視。

結冰失速是威脅渦槳飛機飛行安全的最主要因素之一，許多渦槳飛機機組都經(jīng)歷過結冰失速的狀況，據(jù)統(tǒng)計，自1987年以來，結冰失速問題在國外共導致了4起渦槳飛機機毀人亡的惡性事故，共導致184人喪生。除了最近發(fā)生的美國212水牛城事故外，其他3起事故是1987年發(fā)生在意大利克雷佐的ATR42飛機事故；1994年發(fā)生在羅斯朗的ATR72飛機事故；還有1997年發(fā)生在美國密歇根州門羅的巴西利亞航空公司EMB120飛機事故。通過事后調查飛機黑匣子記錄的飛行數(shù)據(jù)，在這4起事故中，所有當值4位飛行員都沒有在失速出現(xiàn)伊始及時推桿（而不是拉桿）來降低迎角，根據(jù)黑匣子記錄的飛行數(shù)據(jù)顯示，4位飛行員都是按照FAA規(guī)定的正常失速改出程序要求操縱飛機，加速、并拉桿來減小迎角，但不幸的是在這4起事故中飛機都結冰了，拉桿只會導致更嚴重的失速，也讓恢復對飛機的控制變得更加困難?？梢姡捎诓涣私鉁u槳飛機結冰失速問題而導致誤操作是世界各國飛行員（甚至是經(jīng)驗老道的飛行員）的通病，歷史上多次血的教訓表明這會引發(fā)災難性的結果！endprint

令人不安的事實

—正常失速改出程序并不適用于結冰失速，結冰失速問題仍然是最重大安全隱患

根據(jù)事故調查，在國外最近4起由結冰失速引起的惡性事故中，飛行員的應急處置方法雖然都不約而同地符合改出失速的正常操作規(guī)范，但很不幸都不是應對渦槳飛機結冰失速問題的正確改出方法！那么，在這4起結冰失速惡性事故中飛行員們的誤操作到底是個例，還是通病？得到這個問題的答案非常關鍵，因為它事關是否可以避免悲劇在將來重演。

為了找到這一關鍵問題的答案，NASA最近出資進行了一項模擬研究，NASA在飛行模擬器中再現(xiàn)了羅斯朗事故中渦槳飛機的失控狀況，并邀請一些經(jīng)驗豐富的支線客機飛行員在相同條件下來進行模擬改出失速的操縱試驗，結果是得到了一個令人不安的事實：只有不到一半的飛行員可以把飛機從失速中改出。事后，NASA在研究報告中指出：支線客機飛行員們雖然接受過常規(guī)的改出失速和滾轉飛行狀態(tài)的訓練，但是他們并不知道如何從結冰導致的失速和滾轉飛行狀態(tài)中改出。

美國聯(lián)邦航空局（FAA）飛機適航審定中心結冰課題專家約翰.P.東指出，大多數(shù)民用飛機飛行員都在模擬器上接受過如何從失速中改出的訓練，盡管他們在訓練中被灌輸?shù)恼Ｊ俑某龀绦蚴荈AA的操作標準規(guī)定的，但是這些操作程序并不適用于機翼結冰導致的失速狀況。

正常失速改出程序要求飛行員在失速征兆（例如駕駛桿開始抖動）一出現(xiàn)時就馬上增加推力，并保持飛機的俯仰姿態(tài)，其目的是將失速導致的高度損失最小化。在執(zhí)行了這套正常的失速改出程序后，理論上飛機會加速并減小迎角，從而改出失速狀態(tài)。原因是，當在駕駛桿開始抖動提醒飛行員飛機出現(xiàn)失速征兆時，飛機的失速還不嚴重，正常的失速改出程序足以保證飛機改出失速狀態(tài)，可實際上飛機一旦結冰，其飛行性能已經(jīng)發(fā)生了改變，當飛行員意識到飛機失速時，這時失速狀況已經(jīng)非常嚴重，正常的失速改出程序不足以保證飛機改出失速狀態(tài)，這樣（拉桿）做只會導致更嚴重的失速。

另外與正常失速不同的是，實際中結冰導致的失速在事前幾乎是沒有任何征兆或者預警的。在結冰狀態(tài)下，駕駛桿根本不會抖動提醒飛行員飛機出現(xiàn)失速問題，即使是經(jīng)驗豐富的飛行員也常常無法察覺飛機進入失速狀態(tài)，甚至無法察覺飛機進入結冰狀態(tài)！這一點已經(jīng)被多國的航空安全部門證實，例如在巴瑟斯特的“薩伯340”渦槳支線客機事故調查過程中，澳大利亞交通安全局證實了在澳大利亞國內5起其他由于結冰導致的嚴重飛行事故中，飛機在進入失速前也都沒有明顯的征兆或者預警，駕駛桿根本沒有抖動提醒飛行員飛機出現(xiàn)失速問題。可見，對于各國飛行員而言，深入了解渦槳飛機結冰失速問題，并掌握對于渦槳飛機結冰失速的正確應對措施和改出方法是多么的重要！

深入認識結冰失速問題

—結冰導致機翼氣動性能下降

飛機結冰后（主要是翼面），粗糙且不規(guī)則的外形使得流場被破壞，導致飛機失速迎角的減少，相應的失速臨界速度也會提高。如果飛行員無意中使飛機達到了這個已減小的失速臨界迎角，接著將會發(fā)生的是突然的自動滾轉、抖振或其他的非定常氣動現(xiàn)象，當然這一切都是在沒有預警的情況下發(fā)生的，駕駛桿并不會振動以提示飛行員飛機失速了。

英國BAE系統(tǒng)公司ATP飛機的正常失速臨界速度為203千米/時，而從1991年在ATP飛機上進行的一項結冰飛行試驗結果來看，ATP飛機結冰后，其失速在260千米/時的速度下就發(fā)生了，遠高于正常的失速臨界速度203千米/時。工程人員對這次飛行試驗的空氣動力學計算的結果是：結冰后的機翼在升力系數(shù)為0.9時就發(fā)生了失速，而在沒有結冰的正常情況下，其機翼的失速升力系數(shù)為1.6?？梢哉f此時的機翼與正常情況下的機翼已經(jīng)是2個不同的機翼了，若還按照正常的操作程序操縱飛機當然會產(chǎn)生問題。

從以往的飛行事故調查結果來看，不僅嚴重結冰會導致飛機突然失控滾轉，輕微的甚至難以察覺到的結冰也會導致這樣的突然滾轉。美國國家大氣研究中心（NCAR）與懷俄明大學合作展開的一項飛機結冰研究表明：厚度小于1.6毫米的積冰可以使機翼升力降低達25%。這一點點的積冰雖然很難被飛行員察覺到，但是它卻使得飛機的失速速度提高了有20%之多。

結冰失速問題的危險性

—結冰失速的突然性和不可預測性

還必須認識到，在結冰環(huán)境中飛機的失速是在沒有一點明顯的視覺、觸覺提示，或是其他任何征兆的情況下發(fā)生的。NASA格倫研究中心和NCAR展開的結冰試飛研究結果已經(jīng)證明，飛機在失速前是不會給飛行員任何預警的。NCAR的試飛員指出：結冰試飛中飛機的操縱特性和模擬器失速改出訓練完全不一樣，再加上結冰的飛機在駕駛桿振動前就失速，因此，結冰常常導致飛機墜毀也就不足為奇了。

多數(shù)飛機上的失速警告系統(tǒng)（SWS）是按照干燥、無附著物的機翼設計的，也就是說這些系統(tǒng)在機翼結冰的情況下無法起到失速告警的作用。為了解決這一問題，技術人員嘗試著在最新的安全飛行迎角/失速警告系統(tǒng)（SFAA/SWS）中加入了“結冰模式”，在“正常模式”下，駕駛桿振動警告、迎角測量系統(tǒng)和低速探測系統(tǒng)都按照標準的飛機失速速度設定；而在“結冰模式”下，考慮到飛機失速速度的增加，所有數(shù)據(jù)都由正常失速速度加上9.3千米/時進行設定。一般情況下，SFAA/SWS系統(tǒng)的“正常模式”和“結冰模式”需要飛行員手動切換，但是，一旦飛行員啟動了發(fā)動機除冰系統(tǒng)，SFAA/SWS系統(tǒng)也會自動從“正常模式”切換到“結冰模式”進行工作。

飛機積冰的形狀、厚度、結構以及在飛機上形成的位置千差萬別。每種冰型都會構成一個新的翼型，有著唯一的升力、阻力、失速迎角和力矩特性，不同于原翼型及其他任何一種翼型。某些情況下有少量結冰的翼型可能和原翼型區(qū)別不大，對飛機飛行性能造成的影響可能比較小，而多數(shù)情況下，結冰可以極大地改變機翼的氣動特性，以至于全部或部分機翼無預警地突然失速。所以飛行員是不可能知道飛機結冰后的失速迎角實際是多少的。同理，SFAA/SWS系統(tǒng)也不可能預測飛機的結冰失速速度實際是多少。endprint

理論上，SFAA/SWS系統(tǒng)是有助于飛行員及早發(fā)現(xiàn)飛機的結冰問題，但是事實是它仍然存在功能上的局限性，不能準確對飛機結冰失速做出預警。而結冰對飛機飛行性能的影響千差萬別，將結冰失速速度在正常失速速度的基礎上加9.3千米/時進行設定是非常不科學的，這也說明在此方面還有很多研究工作需要做。

渦槳飛機飛行員的惡夢

—結冰失速問題是渦槳飛機飛行安全的重大威脅

許多渦槳飛機機組都經(jīng)歷過結冰失速的狀況，對于渦槳飛機來說，結冰帶來的危險要比噴氣飛機嚴重得多，已經(jīng)成為威脅渦槳飛機飛行安全的最主要因素之一。

大多數(shù)渦槳飛機結冰都導致了嚴重的飛機滾轉，一方面，這是由于螺旋槳的滑流效應造成的；另一方面，這也和翼尖總是先于翼根失速的現(xiàn)象有關。

首先，渦槳飛機的螺旋槳滑流可能會誘發(fā)結冰的飛機出現(xiàn)突發(fā)的滾轉。這是因為螺旋槳的滑流在機翼翼尖的上洗效應相當于增加了翼尖的迎角，會使翼尖的失速提前，而滑流對于翼根又起到了推遲失速的作用。所以在滑流作用下，渦槳飛機機翼的翼尖總是先于翼根失速，再加上螺旋槳的滑流效應還使得飛機兩側機翼上的流場不對稱，因此造成兩側機翼積冰也會不對稱。這就很可能會導致一側機翼先失速，從而誘發(fā)渦槳飛機突然向某一側劇烈滾轉。

此外，翼尖翼型通常和翼根處是不同的，相對于翼根段，翼尖更薄，有一個不同的彎度和更短的弦長，以及2～3°的扭轉或者相關的外洗。由于翼尖有個更尖的前緣、而且弦長更短，因此它是一個高效的“積冰收集器”。相對于翼根來說，積在翼尖的冰會更厚，覆蓋面更廣，造成的影響也更壞。在翼尖可能發(fā)生嚴重積冰，使得它的氣動外形被破壞得更嚴重，所以結冰導致的失速是由翼尖開始的，并逐漸向翼根發(fā)展。

相對于噴氣式飛機（巡航高度在1萬米左右高空），渦槳飛機的巡航高度要低得多（4000～6000米），在易于發(fā)生結冰問題的低空飛行時間較長。NASA格倫研究中心的研究人員指出：在同樣的天氣條件下，如果帶防冰裝置的噴氣飛機出現(xiàn)了輕度結冰，那么渦槳飛機可能已經(jīng)是中度或重度結冰了。所以，相對于噴氣式飛機，渦槳飛機不僅是在易于結冰的低空中飛行的時間較長，而且其積結形成的速度也比噴氣飛機快得多。還有，小型飛機的防冰裝置一般為除冰氣囊，而非大型飛機使用的加熱防冰裝置，其防冰能力較弱?？傊瑴u槳飛機對于結冰問題比噴氣式飛機要敏感得多。

值得注意的是，積冰不僅會在渦槳飛機的機翼上形成，而且還會在螺旋槳上形成，這使得渦槳飛機改出失速變得更加困難。結冰的螺旋槳葉片會在大傾角時失速，失速使得螺旋槳產(chǎn)生的拉力嚴重下降—實際上有時螺旋槳失速會導致?lián)p失15%的拉力。另外，就算不考慮失速，在螺旋槳葉片表面形成的積冰本身也會降低螺旋槳的拉力，由于積冰改變了槳葉的翼型，導致其拉力損失可達20%之多。

同時飛機表面上積冰會增加飛行阻力，這對渦槳飛機來講是很大的性能損失，降低了飛機加速的能力。

綜上，由于渦槳飛機螺旋槳的滑流效應會加劇翼尖失速，而且相對于噴氣飛機，渦槳飛機在飛行高度和飛行速度上有天然的劣勢，因此，結冰問題對于渦槳飛機而言比噴氣飛機要危險得多。

正確應對措施

—渦槳飛機應如何從結冰導致的失速中改出

由于飛機結冰問題是無法避免的，因此研究如何從結冰導致的失速中改出就顯得至關重要。正常的失速改出方法強調將發(fā)動機推力加到最大，并使飛機的高度損失最小化。相比之下，從結冰導致的飛機失速中改出的方法卻不大相同，它需要飛行員把飛行高度和速度等諸多飛行條件綜合起來考慮，并以損失飛行高度的方式換取更大的飛行速度，以便從結冰失速中改出。

FAA前通用飛機試飛員喬·赫納根據(jù)其多年的結冰試飛經(jīng)驗總結了一些對于飛機結冰失速的應對措施，他指出：當飛機在有可能發(fā)生結冰的環(huán)境中飛行時，飛行員應該手動操縱飛機，這樣可以及時察覺到異常的操縱感或者微小的振動，以避免飛機進入失速。相反的，如果這時飛機還是自動駕駛模式，飛行員就不能從操縱桿上及時獲得微小的異常反饋。更糟的是，當積冰剛剛形成時，自動駕駛可能會自動做出調整（例如自動增加飛行迎角）以對抗積冰對飛機操縱性造成的影響，而當積冰越來越多時，其對飛機操縱性能的影響將很快超出自動駕駛儀調整能力的極限，這時，飛行員會感覺到飛行狀況異常，并試圖斷開自動駕駛，但此時手動操縱飛機已經(jīng)為時過晚，通常此時飛機已經(jīng)處于失速的邊緣，很難手動操縱了，這時飛行員才會發(fā)現(xiàn)原來自動駕駛一直都在掩蓋結冰造成的問題！

水牛城空難后，美國國家運輸安全委員會發(fā)言人表示，初步調查指出，飛機在墜毀后自動駕駛功能處于啟動狀態(tài)。而聯(lián)邦航空安全部門以及美國大陸航空公司自己的飛行指導原則均建議飛行員在冰凍環(huán)境下應該關閉自動駕駛功能，采用手動駕駛飛機。但是3407航班客機的飛行員卻采取了相反的操作，導致飛機在降落過程中失控。

FAA通過多年的研究，總結了一些對于飛機結冰失速的應對措施，當渦槳飛機進入由于結冰誘發(fā)的失速時，飛行員應該采取以下緊急操縱措施：

（1）在失速跡象剛出現(xiàn)時，飛行員要推桿使飛機低頭（而不是拉桿保持飛行高度），并盡量保持機翼水平（避免大滾轉角的滾轉機動），同時增大發(fā)動機轉速，直到飛行速度增加到足夠大，飛行迎角降到足夠低為止。在大多數(shù)飛機結冰事件中，機頭會在失速后低下，但是飛機在失速后的低頭角度遠小于飛機下降的軌跡角度（飛機的實際迎角還是增加了），這只會導致失速加劇，因此，飛行員必須在第一時間控制飛機低頭，讓飛機的俯仰角跟蹤飛機的軌跡角，以減少飛機的實際迎角。

（2）如果飛機失控難以低頭，那么飛行員應該把襟翼從巡航狀態(tài)放到第一檔位（進場著陸狀態(tài)），再適當降低機頭并提高飛行速度。等飛機從失速中改出并恢復控制，再在合適的時候收回襟翼。

低下機頭以降低迎角這一點對于改出失速并恢復對飛機的控制是至關重要的。這里有一個典型的例子，1998年巴西利亞航空公司的一架渦槳飛機在飛行中由于機翼結冰誘發(fā)了飛機的意外失控。在失速開始的時候飛機突然右滾65°，接著左滾45°。飛行員把發(fā)動機功率加到100%，同時保持飛行姿態(tài)，但飛機還是沒能恢復正常。實際上，發(fā)動機推力一開始就增加到了100%，這樣也沒有把飛機加速到足以改出失速的狀態(tài)。最后在放下襟翼到第一檔位后，飛行員才重新恢復了對飛機的控制。事后證明飛行員放下襟翼這一舉措是避免這次事故的關鍵之所在，因為放襟翼增加了機翼的升力系數(shù)，而且升力增量產(chǎn)生的低頭力矩也降低了機頭，使得飛機的實際迎角減小，最終成功操縱飛機從失速中改出。

但是放下襟翼這個動作也不是絕對的，大的襟翼角度反而會加劇機翼的失速，因此，放下襟翼的角度要視具體情況而定，而放下多大的襟翼角度對于改出失速最有效也有待于進一步的研究。endprint