飛機除冰液空氣動力學(xué)性能研究

彭華喬，吳海濤，王強，夏祖西，張亞博，蘇正良

(中國民航局第二研究所，四川 成都 610041)

在結(jié)冰條件下，冰、雪、霜對飛機的運行安全會造成直接影響，會使飛機外表面變得粗糙，增加飛機重量，限制飛機操縱面的活動范圍，導(dǎo)致儀表誤差，嚴重時還引起飛機失速增加和瞬間反常上仰，從而使飛機的飛行性能大大下降，特別當飛機起飛上升時，使得飛行姿態(tài)難以控制，嚴重則造成空難。世界航空史上已發(fā)生多起因惡劣冰雪天氣造成的空難，飛行機組、機務(wù)和簽派人員都應(yīng)高度重視冬季氣象條件給飛機帶來的危害。因此，為了保障正常航運和飛行安全，必須除去飛機表面的冰霜積雪［1］。采用飛機除冰液除去冰霜積雪是目前常用的方法，但噴灑在飛機表面上的除冰會對飛機的空氣動力學(xué)性能帶來一定影響，從而影響到飛機的升力，這種影響隨著液體的濃度、粘度和溫度變化而變化。

1 飛機除冰液

1.1 概述

國際上普遍要求飛機除冰液需符合美國機動車工程師學(xué)會(Society of Automotive Engineers，SAE)發(fā)布的標準要求，同時也將飛機除冰液分為四類，即SAE I 型、II 型、III 型和IV 型飛機除冰液。飛機除冰液以乙二醇(Ethylene Glycol，EG)、丙二醇(Propylene Glycol，PG)和 二 甘 醇(Diethylene Glycol，DEG)等多元醇為主要原料，并添加一些能提高除冰效率的表面活性劑和防腐劑，II 型、III 型和IV 型飛機除冰液還添加了增稠劑。其中I 型需符合SAE AMS 1424［2］的要求，為牛頓流體，粘度較小，醇含量按重量計至少為80%，能有效去除飛機表面上冰霜，但防冰時間有限;II 型、III 型和IV 型需符合SAE AMS 1428［3］的要求，屬于非牛頓流體，粘度較大，醇含量按重量計至少為80%，具有較長的防冰時間。

1.2 飛機除冰液適航審定

根據(jù)《民用航空用化學(xué)產(chǎn)品適航管理規(guī)定》(CCAR-53 部)的要求，飛機除冰液作為一種航空化學(xué)產(chǎn)品，只有在取得了民航局頒發(fā)的民用航空產(chǎn)品設(shè)計/生產(chǎn)批準函后，才能投放市場。獲得批準函需滿足3 個條件:①生產(chǎn)廠家擁有優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量控制體系;②產(chǎn)品符合相應(yīng)的技術(shù)要求;③優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)［4］。

對于質(zhì)量控制體系方面，CCAR-53 部第3 章第十五條對原材料的入廠檢驗控制、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)和檢驗設(shè)備的校驗、人員的培訓(xùn)和資格鑒定、向局方報告的程序等15 個方面的要素進行了規(guī)定。對于售后服務(wù)方面，要求除冰液生產(chǎn)廠家需對用戶進行必要的培訓(xùn)，比如除冰液的理化指標、檢驗方法、使用方法等，以使用戶能夠正確的認識并使用除冰液。根據(jù)不同的類型，飛機除冰液須滿足相應(yīng)標準的技術(shù)要求，即SAE AMS 1424、SAE AMS 1428，包括環(huán)保性能、理化指標、穩(wěn)定性能、與飛機材料相容性、使用性能(防冰性能、空氣動力學(xué)性能)等，其中空氣動力學(xué)性能是非常重要的一項。

2 飛機除冰液空氣動力學(xué)性能

2.1 發(fā)展歷史［5-7］

早在1982 年，波音公司就開始進行飛機除冰液空氣動力學(xué)性能的研究，研究表明噴灑在飛機表面的除冰液會導(dǎo)致飛機起飛后升力損失、阻力增加，但早期的試驗存在缺陷，比如風(fēng)洞未進行冷卻、模型尺寸較小的缺陷。

1984 年，在波音公司的研究基礎(chǔ)上，歐洲航空公司協(xié)會(AEA)聯(lián)合比利時馮卡門流體動力學(xué)研究所(VKI)改進了試驗方案，試驗分為3 個階段。在第1 階段中，主要評估了試驗溫度和初始液體厚度對試驗結(jié)果的影響;在第2、3 階段中，主要通過在模擬的波音737-200ADV 飛機機翼上獲得除冰液空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)。但上述試驗方案依然存在不能解決模擬的機翼尺寸較小，不能得到最大升力系數(shù)數(shù)據(jù)等缺陷。

為了評估飛機除冰液對大型噴氣飛機空氣動力學(xué)性能的影響，并獲得全尺寸試驗數(shù)據(jù)，在1988 年，波音公司和AEA 在芬蘭Kuopio，采用德國漢莎公司提供的一架波音737-200ADV 飛機對4 種飛機除冰液(1 個I 型液，3 個II 型液，均用羅丹明6G 進行染色處理)空氣動力學(xué)性能進行了全尺寸試驗(見圖1)，試驗測得了升力損失和阻力增加的具體數(shù)據(jù)，但該試驗依然存在試驗費用較高、環(huán)境溫度難以控制等缺陷。

圖1 波音737-200ADV 飛機全尺寸試驗Fig.1 Full scale test for Boeing 737-200ADV

1988 ～1990 年，美國航空航天局Lewis 研究中心聯(lián)合波音公司、AEA 等單位對飛機除冰液進行了風(fēng)洞試驗，結(jié)果表明與全尺寸試驗結(jié)果有較好的一致性，飛機除冰液空氣動力學(xué)性能與飛機構(gòu)型、液體粘度等因素有關(guān)。

1988 年，來自空客、波音、?？?、麥道、AEA 和VKI 等單位的專家成立了AIA TC 218-4 技術(shù)小組，該小組建立了飛機除冰液空氣動力學(xué)性能的評估方法。研究表明，通過在冷卻風(fēng)洞中的平板可以觀測到除冰液的吹脫行為，測試風(fēng)洞中飛機除冰液的邊界層位移厚度(boundary-layer displacement thickness，BLDT)可計算出升力損失。SAE 也將飛機除冰液空氣動力學(xué)性能的評估方法作為要求寫進標準。

2.2 標準

為了考察噴灑在飛機表面上的除冰防冰液對飛機空氣動力學(xué)性能帶來的影響，SAE 在2003 年發(fā)布了關(guān)于飛機除冰液空氣動力學(xué)性能測試方法的標準，即SAE AS 5900 Standard Test Method for Aerodynamic Acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 Aircraft Deicing/Anti-icing Fluids［8］，標準經(jīng)多次修訂，目前的最新版本是2007 年發(fā)布的B 版。該標準中要求的測試被分為兩類，一類測試條件為風(fēng)速65 m/s;另一類測試條件為風(fēng)速35 m/s。在通常條件下，隨著溫度降低除冰液的空氣動力學(xué)性能(吹脫性能)會變差，因此通過這種空氣動力學(xué)性能試驗，可以確定除冰液滿足飛機空氣動力學(xué)要求的最低溫度。

2.3 試驗方法簡介

當飛機在起飛加速和爬升過程中，除冰液從飛機表面上吹脫時，需確保除冰液具有可接受的空氣動力特性。通過SAE AS 5900 規(guī)定的試驗設(shè)備(見圖2)可以進行評估，該設(shè)備由美國航空航天局Lewis 研究中心使用的風(fēng)洞設(shè)備改進而來。

圖2 飛機除冰液空氣動力學(xué)性能測試設(shè)備示意圖Fig.2 Facility schematic of aerodynamic test

本試驗方法需對測試樣品、標準參比液、試驗段干狀態(tài)分別進行BLDT 的測量。試驗時，在試驗段(見圖3)底面注入大約1 L 飛機除冰液，用校正過的刮板刮成2 mm 厚的薄膜。薄膜應(yīng)從第二站位覆蓋到第三站位，并去除多余的液體。在試驗段內(nèi)的氣流速度≤5 m/s 的情況下，將飛機除冰液穩(wěn)定放置5 min，使樣品溫度接近目標溫度。根據(jù)不同的風(fēng)速要求(見表1)，對試驗段內(nèi)的空氣進行加速，測試相應(yīng)狀態(tài)和位置的壓力，并根據(jù)式(1)和式(2)計算出飛機除冰液的BLDT 值［9］。

表1 試驗段內(nèi)的風(fēng)速要求Table 1 Requirements of wind velocity for test duct

2.4 注意的問題

當飛機的外表面是清潔和光滑的，飛機在飛行時，在氣流的作用下，機翼和尾翼上可以獲得很大的升力。當飛機被冰、雪、霜等污染物覆蓋的時候，會影響升力和飛行性能，即使是輕度污染物如霜等也會產(chǎn)生相當大的負面影響，污染物在飛機上聚集的越多，阻力就越大，性能損失也就越大。所以必須清除凍結(jié)的污染物。噴灑在飛機表面的除冰液除了實現(xiàn)其保障飛機表面清潔的功能的同時，也不能影響飛機的空氣動力學(xué)性能，因此對飛機除冰液空氣動力學(xué)性能測試是一項非常重要的工作。

2.4.1 第二、三站位處壓差傳感器P2、P3伸入導(dǎo)管不宜過長 壓差傳感器開口應(yīng)與導(dǎo)管上表面齊平，若伸入導(dǎo)管內(nèi)部傳感器周圍氣流會產(chǎn)生擾動，不僅影響導(dǎo)管內(nèi)流場分布的均勻性，更有可能導(dǎo)致壓力測試不準確。

2.4.2 第二站位處的溫度傳感器安裝位置應(yīng)與壓差傳感器P2錯開 第二站位處溫度傳感器一般處于頂部中間，由于溫度傳感器需要伸入導(dǎo)管，且最好位于頂面下方約5 mm，才能較為準確的測試出氣體的溫度。但伸入導(dǎo)管內(nèi)的5 mm 傳感器會對其附近的氣流產(chǎn)生擾動，若其與壓差傳感器同位于第二站位的頂部中間勢必會對壓差測試產(chǎn)生影響，因此溫度傳感器的位置需與壓差傳感器位置錯開。

2.4.3 第三站位處液體溫度測試傳感器不宜伸出過高 第三站位處溫度傳感器位于底部中間，但不能超過底面過高，若是過高可能會導(dǎo)致測得的溫度不是液體溫度，而是氣體溫度。根據(jù)初始待測液體鋪展厚度試驗要求為2 mm，因此該溫度傳感器高度取1 mm 左右較為合適。

2.4.4 導(dǎo)管內(nèi)結(jié)霜 進行該試驗時一定要注意避免測試導(dǎo)管內(nèi)結(jié)霜，若是導(dǎo)管內(nèi)成霜將會嚴重影響試驗結(jié)果。

2.4.5 待測樣品含水量 試驗前以及試驗進行中要注意避免樣品脫水情況的發(fā)生，因為樣品含水量的多少也會對最終試驗結(jié)果產(chǎn)生極大影響。因此試驗前應(yīng)用合適的容器儲存待測樣品，以防止樣品中水分的蒸發(fā)。并且試驗前后也應(yīng)對樣品立即進行折光率測試以判斷試驗過程中的水分損失情況。

3 結(jié)束語

作為一種重要的航空化學(xué)品，飛機除冰液為保證飛機冬季安全飛行起到了十分重要的作用。近年來，隨著我國民用航空的高速發(fā)展，對飛機除冰液的需求也日益增加，但前提條件是除冰液的質(zhì)量必須符合標準的要求。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，我國從20 世紀90 年代開始就對包括飛機除冰液在內(nèi)的航空化學(xué)產(chǎn)品進行適航審定?？諝鈩恿W(xué)性能是飛機除冰液重要的一項技術(shù)指標，我國適航部門一直嚴格按照要求對該項性能進行審定以確保航空安全。

［1］ Juan Marin，Kevin J Kennedy，Cigdem Eskicioglu.Characterization of an anaerobic baffled reactor treating dilute aircraft de-icing fluid and long term effects of operation on granular biomass［J］.Bioresource Technology，2010，101(7):2217-2223.

［2］ SAE.SAE AMS 1424 K Deicing/anti-icing fluid，aircraft，SAE type I［S］.Warrendale USA:SAE，2012.

［3］ SAE.SAE AMS 1428 G Fluid，aircraft deicing/anti-icing，non-newtonian (Pseudoplastic)，SAE types II，III，and IV［S］.Warrendale USA:SAE，2010.

［4］ Peng Huaqiao，Xia Zuxi，Su Zhengliang.Airworthiness certification of civil aero-chemicals in China［J］. Procedia Engineering，2011(17):633-637.

［5］ Eugene G Hill，Thomas A Ziertent.Aerodynamic effects of aircraft ground deicing/anti-icing fluids［J］. Journal of Aircraft，1993，30(1):24-34.

［6］ Runyan L J，Zierten T A，Hill E G，et al.Lewis icing research tunnel test of the aerodynamic effects of aircraft ground deicing/anti-icing fluids［R］. Washing USA:NASA，1992.

［7］ Andy P Broeren，James T Riley.Review of the aerodynamic acceptance test and application to anti-icing fluids testing in the NRC propulsion and icing wind tunnel［R］.Washington USA:NASA，2012.

［8］ SAE.SAE AS5900 B Standard test method for aerodynamic acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］. Warrendale USA:SAE，2007.

［9］ 王航.GB/T 20857—2007 飛機非牛頓型除冰、防冰液ISOⅡ型［S］.北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2007.