航空飛行器的結(jié)冰與防冰

【摘要】航空飛行器在大氣溫度5℃以下和空氣濕度較大及復(fù)雜氣象條件下飛行時(shí)，突出部位通常是容易結(jié)冰的，比如：旋翼/尾槳的前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、空速管、風(fēng)擋玻璃、天線等。結(jié)冰危害是極大的，可能改變飛行器的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致升力減??；可能阻擋飛行員的視線；可能造成儀表的指示誤差，嚴(yán)重是危及飛行安全。防冰系統(tǒng)的功能是發(fā)出結(jié)冰信號(hào)并自動(dòng)除冰。通過(guò)研究，人們對(duì)飛行中結(jié)冰危害的認(rèn)識(shí)有了顯著提高，并形成了諸多防范直升機(jī)結(jié)冰、除冰的有效措施、經(jīng)驗(yàn)和方法。

【關(guān)鍵詞】航空飛行器；結(jié)冰與防冰

一、結(jié)冰的氣象條件

航空飛行器飛到一定高度，周圍空氣濕度足夠大，溫度足夠低，機(jī)體表面就可能結(jié)冰。從物態(tài)變化的角度來(lái)講，結(jié)冰實(shí)際上是一種水汽或者液態(tài)水遇冷而轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的物理現(xiàn)象。飛行中，結(jié)冰主要是由大氣中水汽直接在機(jī)體表面凝華而成。過(guò)冷水滴指的是一種高空云層中普遍存在的不穩(wěn)定的，稍受震動(dòng)便立即凍結(jié)成冰的微小水滴，這種水滴分布于許多云團(tuán)中。當(dāng)飛行器在這樣的云團(tuán)中穿行時(shí)，一旦機(jī)體表面低于0℃，過(guò)冷水滴就會(huì)在機(jī)體表面某些部位凍結(jié)，并積聚成冰。飛行中，飛行器的結(jié)冰與所穿越云團(tuán)的溫度、濕度、云團(tuán)狀態(tài)、降水、時(shí)令等狀況息息相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)體表面結(jié)冰通常發(fā)生于0℃--20℃溫度范圍內(nèi)，但強(qiáng)結(jié)冰多發(fā)生于-2℃--10℃；當(dāng)云中的空氣濕度達(dá)到溫度露點(diǎn)差在0至5℃之間時(shí)，更容易發(fā)生結(jié)冰。當(dāng)飛行穿越積雨云或濃積云的上方時(shí)，機(jī)體表面通常會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)結(jié)冰；而穿越層云或?qū)臃e云時(shí)，通常發(fā)生弱積冰或中積冰。

二、結(jié)冰對(duì)航空飛行器的危害

飛行器的突出部位通常是較容易結(jié)冰的。比如，旋翼/尾槳的前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、空速管、飛機(jī)風(fēng)擋、天線等。除此之外，旋翼表面也較容易結(jié)冰，油箱內(nèi)的水雜質(zhì)有時(shí)也會(huì)形成細(xì)小的水粒。概括起來(lái)，結(jié)冰對(duì)直升機(jī)的危害有以下幾個(gè)方面。

（一）破壞飛行器的空氣動(dòng)力性能。旋翼或尾槳結(jié)冰，可使飛行中的升力下降，阻力增加，續(xù)航性能變差，并可引起機(jī)體抖動(dòng)，使操作變得困難。即使薄薄的一層冰或霜也能損害旋翼和尾槳性能，相當(dāng)于中粒砂紙粗糙度的冰也可能導(dǎo)致操縱品質(zhì)降低到危險(xiǎn)程度；另外，結(jié)冰對(duì)起飛性能的影響也是非常嚴(yán)重的，它可使飛行器的起飛過(guò)程變得艱難，可導(dǎo)致飛行器離地后墜毀等現(xiàn)象。

（二）威脅發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)飛行器處于空氣濕度較大的區(qū)域，如霧、云、或降水中，如果外部溫度低于0℃，則會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口上出現(xiàn)積冰。這樣就會(huì)使進(jìn)氣量減少，進(jìn)氣氣流發(fā)生畸變，造成動(dòng)力損失，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)停車。還有更嚴(yán)重的情況，當(dāng)飛行器起飛時(shí)，旋翼因升力作用變得彎曲，前緣冰層常會(huì)破裂散開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)若將這些碎冰吸入，往往會(huì)打壞發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇或壓縮機(jī)葉片。另外，對(duì)長(zhǎng)途飛行的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，燃油結(jié)冰也是一個(gè)重要的問(wèn)題。長(zhǎng)途高空飛行，油箱里燃油的溫度可能降至與外界大氣溫度一致，油箱里的水雜質(zhì)在燃油系統(tǒng)里傳輸?shù)倪^(guò)程中很可能變成小冰粒，這樣會(huì)阻塞油濾、油泵和油路控制部件，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油故障。

（三）影響儀表、通訊和視線。飛行器的空速管、天線等設(shè)備部件通常裸露在機(jī)體表面，較容易結(jié)冰?？账俟芙Y(jié)冰后，會(huì)導(dǎo)致空速表顯示錯(cuò)誤，影響飛行員對(duì)飛行器狀態(tài)的判斷；而天線結(jié)冰，會(huì)影響通訊，甚至造成通訊中斷。另外，飛行器風(fēng)擋一旦結(jié)冰，會(huì)影響飛行員的視野，干擾正常飛行和起降。

三、航空飛行器防冰系統(tǒng)簡(jiǎn)介

（一）概述。當(dāng)飛行器進(jìn)入結(jié)冰區(qū)時(shí)，結(jié)冰信號(hào)器向飛行員提供結(jié)冰告警信號(hào)，以便使飛行員操作避開(kāi)結(jié)冰區(qū)。

（二）組成和安裝。防冰系統(tǒng)包括：結(jié)冰傳感器、溫度傳感器、電子變換器、“結(jié)冰檢查”按鈕和結(jié)冰警告燈。結(jié)冰傳感器和溫度傳感器安裝在飛行器表面蒙皮上，電子轉(zhuǎn)換器安裝在設(shè)備艙內(nèi)。

（三）主要技術(shù)數(shù)據(jù)

直流額定電源電壓：28V

功耗：≤16W

交流電源電壓：?jiǎn)蜗?15V/360Hz

功耗：長(zhǎng)期30VA，除冰是300VA

結(jié)冰信號(hào)靈敏限：0.4mm-0.8mm

傳感器除冰時(shí)間：≤9s

結(jié)冰信號(hào)燈燃亮延時(shí)時(shí)間：90s

當(dāng)外界環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

（四）工作原理。接通電源，電子變換器給結(jié)冰傳感器提供一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，使之維持振動(dòng)，當(dāng)結(jié)冰傳感器結(jié)冰后，振動(dòng)頻率發(fā)生變化，電子傳感器自動(dòng)跟蹤其變化，并維持結(jié)冰傳感器繼續(xù)振動(dòng)，同時(shí)參考溫度傳感器環(huán)境溫度，向飛行員提供結(jié)冰信號(hào)。

（五）操作。航空飛行器上電后結(jié)冰信號(hào)器處于工作狀態(tài)：首先自動(dòng)進(jìn)入自檢，如果工作正常，主警告燈發(fā)出閃爍的紅色信號(hào)，同時(shí)，“結(jié)冰”紅色告警燈燃亮，持續(xù)一段時(shí)間后熄滅；主警告燈可手動(dòng)按壓復(fù)位后熄滅。否則判斷為故障。航空飛行器一旦進(jìn)入結(jié)冰區(qū)域，當(dāng)結(jié)冰傳感器探頭表面結(jié)冰，冰厚達(dá)到靈敏限時(shí)，結(jié)冰信號(hào)器便輸出信號(hào)。使主警告燈發(fā)出閃爍的紅色信號(hào)，同時(shí)，信號(hào)燈盒上的“結(jié)冰”紅色告警燈燃亮，持續(xù)兩分鐘。結(jié)冰傳感器在輸出告警信號(hào)的同時(shí)，接通結(jié)冰傳感器的電加熱，在5秒內(nèi)將傳感器探頭表面的冰完全除去，以便探測(cè)新的結(jié)冰狀況?！敖Y(jié)冰”告警燈告警時(shí)持續(xù)燃亮，直到結(jié)冰傳感器探頭上的冰厚低于靈敏限時(shí)，該告警燈才熄滅；主告警燈可手動(dòng)按壓復(fù)位。當(dāng)發(fā)生新的結(jié)冰告警時(shí)，告警系統(tǒng)又重復(fù)上述過(guò)程。在地面可對(duì)結(jié)冰信號(hào)器進(jìn)行檢查。按壓“結(jié)冰檢查”按鈕，主告警燈發(fā)出閃爍的紅色信號(hào)，同時(shí)“結(jié)冰”紅色告警燈燃亮，持續(xù)一段時(shí)間后熄滅；主告警燈可手動(dòng)按壓復(fù)位。否則可判斷為故障。

四、防范航空飛行器結(jié)冰得措施、經(jīng)驗(yàn)和方法

經(jīng)過(guò)一次次辦痛的教訓(xùn)以及深入的研究，人們對(duì)航空飛行器結(jié)冰不利影響的認(rèn)識(shí)有了顯著的提高，并形成了諸多防范航空飛行器結(jié)冰危害以及消冰、除冰的有效措施、經(jīng)驗(yàn)和方法。

（一）檢查航空飛行器狀況和防冰系統(tǒng)。起飛前，對(duì)航空飛行器進(jìn)行結(jié)冰檢查，必要時(shí)進(jìn)行消冰、除冰，這一程序現(xiàn)在已經(jīng)成為民航企業(yè)的必修課。在地面結(jié)冰條件下，飛行機(jī)組必須認(rèn)真的對(duì)飛行器進(jìn)行機(jī)務(wù)檢查，以確定飛行器表面是否冰凍。這里重點(diǎn)檢查的部位是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、風(fēng)擋、活動(dòng)部位等。檢查的內(nèi)容包括：查看飛行器除冰設(shè)備是否處于良好狀態(tài)，判斷飛行器是否需要執(zhí)行除冰、防冰程序。一旦發(fā)現(xiàn)飛行器外表已有冰霜，必須徹底清掃干凈后才能起飛，否則在空中飛行器將“雪上加霜”。

（二）研究航線天氣，避開(kāi)結(jié)冰區(qū)。盡量繞開(kāi)結(jié)冰區(qū)，也是一些資深飛行員防范飛行器結(jié)冰慣用的方法。飛行前，機(jī)長(zhǎng)通常會(huì)將機(jī)組人員召集在一起，研究航線的天氣情況，對(duì)航線天氣變化做到心中有數(shù)。在空中飛行中遇到結(jié)冰時(shí)，可優(yōu)先考慮使用除冰設(shè)備。若除冰設(shè)備失效，但結(jié)冰不強(qiáng)，對(duì)飛行影響無(wú)大礙，飛行時(shí)間又不長(zhǎng)，則飛行器可以繼續(xù)飛行；但結(jié)冰較強(qiáng)，影響操縱時(shí)，飛行器應(yīng)迅速脫離結(jié)冰區(qū)。實(shí)際飛行中，大多數(shù)飛行員會(huì)采取改變飛行高度的方法，大氣溫度隨高度的降低而升高，當(dāng)飛行器的飛行高度降低到1000米，冰可自行融化。

（三）常用的除冰手段。在一些飛行器中，電加溫、熱空氣加溫以及電和熱空氣混合加溫等除冰手段經(jīng)常被使用。電加溫防護(hù)的原理非常簡(jiǎn)單，它利用埋設(shè)在風(fēng)擋、空速管等部位的電熱絲通過(guò)加電時(shí)電熱絲的電熱能將冰雪融化。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道安有熱空氣加溫裝置，熱空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)引來(lái)。電和熱空氣混合加溫通常用于防塵裝置。這些傳統(tǒng)的消冰方法至今仍是有效的，在許多飛行器上仍廣泛使用。