結(jié)冰對飛機(jī)性能的影響研究

郭莉+傅職忠+謝春生

摘 要：結(jié)冰嚴(yán)重影響飛機(jī)性能，威脅飛行安全。本文分析總結(jié)了飛機(jī)的結(jié)冰機(jī)理，并著重研究了結(jié)冰對飛機(jī)的氣動性能、飛行包線、飛行性能的影響。研究結(jié)果可為研究飛機(jī)防冰技術(shù)、提高飛行性能、保障民用飛機(jī)的安全運(yùn)營提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰；飛行性能；氣動特性；極曲線

中圖分類號：V212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 收稿日期：2016-06-15

作者簡介：郭 莉（1984—），湖南瀏陽人，民航中南空管局機(jī)場設(shè)計(jì)院飛行程序設(shè)計(jì)分院副院長，研究方向：飛行程序設(shè)計(jì)、飛機(jī)性能、容量評估。

結(jié)冰是指飛機(jī)在大氣中飛行時，其表面某些部位聚集了冰層的現(xiàn)象。飛機(jī)結(jié)冰的方式通?？煞譃閮纱箢悾阂活愂强諝庵兴魵庠陲w機(jī)翼面直接凝結(jié)形成霜；另一類是在大氣中存在溫度低于0℃而仍未凍結(jié)的過冷水滴（云滴、雨滴），這些過冷水滴很不穩(wěn)定，只要受到輕微擾動就會立即凍結(jié)。

當(dāng)在地面上起飛時溫度（OAT）≤5℃或飛行中總溫（TAT）≤7℃，且存在任何形式的可見水汽（如云，能見度小于1英里的霧、雨、雪等）時，則存在結(jié)冰條件。

至于飛機(jī)在飛行中是否確實(shí)結(jié)冰（尤其是在飛機(jī)后部、尾翼部分），飛行員有時難以確定。

飛行中的結(jié)冰通常局限于駐點(diǎn)附近，例如，機(jī)翼的前緣、機(jī)頭、整流罩、葉片前緣最有可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。所形成的冰霜在形狀及結(jié)構(gòu)上可能有很大的不同，從清澈透明的薄冰到疏松的冰霜都有可能。

機(jī)翼前緣處的冰霜可能有如圖1所示的兩種，其中雙角式的冰霜對氣動性能的影響更為嚴(yán)重。

飛機(jī)飛行過程中所出現(xiàn)的結(jié)冰現(xiàn)象對飛行性能有著嚴(yán)重的影響。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，飛機(jī)機(jī)翼和尾翼前緣所形成的結(jié)冰，使得機(jī)翼和尾翼氣動外形發(fā)生變化，出現(xiàn)飛機(jī)升阻比減小、失速速度增大、平飛速度范圍減小等一系列問題，導(dǎo)致飛機(jī)性能下降，甚至?xí)斐娠w機(jī)墜毀的嚴(yán)重事故，嚴(yán)重威脅飛行安全。

一、結(jié)冰對氣動性能的影響

通常情況下，結(jié)冰導(dǎo)致飛機(jī)的氣動特性變差，從而影響到飛機(jī)的飛行性能。

就其本質(zhì)而言，其只是改變了飛機(jī)的一些氣動系數(shù)數(shù)值的大小，并不改變飛機(jī)的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。

1.結(jié)冰對升力特性的影響

結(jié)冰對升力系數(shù)曲線的影響如圖2所示，由此可得出如下結(jié)論：

（1）在給定攻角α下升力系數(shù)CL減少。

（2）最大升力系數(shù)CLmax減少。

（3）失速攻角αS減少。

最大升力系數(shù)CLmax減少量與冰層的厚度和結(jié)冰的形狀有關(guān)，如圖3所示。

值得注意的是，結(jié)冰只有幾毫米厚時， 最大升力系數(shù)的減少量△CLmax就已經(jīng)達(dá)到總減少量的一半，也就是說，很薄的結(jié)冰層就會對氣動性能有顯著影響。

試驗(yàn)表明：結(jié)冰可能使最大升力系數(shù)減少25%～40%，失速攻角可減少5°～7°。

由W=—ρVs2CLmaxSw得Vs2= —，用Vs0、CLmax0表示無結(jié)冰時的失速速度和最大升力系數(shù)，用Vs、CLmax表示有結(jié)冰時的失速速度和最大升力系數(shù)，則

由式①可知，結(jié)冰使最大升力系數(shù)減小，必將使失速速度增加。例如，CLmax減少25%，即CLmax=0.75CLmax0，則Vs2/Vso2 =1/0.75，失速速度Vs=1.1547Vso，即失速速度將增加15%，如CLmax減少40%，失速速度將增加29%。

2.結(jié)冰對極曲線的影響

結(jié)冰對飛機(jī)極曲線的影響如圖4所示，由此可得如下結(jié)論。

（1）對給定攻角α，阻力（阻力系數(shù)CD）增加。

（2）對給定升力系數(shù)CL，阻力（阻力系數(shù)CD）增加。

（3）最佳升阻比減少且在更小的升力系數(shù)下獲得。

二、結(jié)冰對飛行包線的影響

現(xiàn)代民用渦輪噴氣飛機(jī)的升限一般在9000m以上，在升限附近結(jié)冰的可能性極小。但是，如果飛機(jī)在起飛、爬升過程中所集結(jié)的冰一直未被除掉或未融化，則它仍會影響飛機(jī)的氣動特性。

由W =ρV2CLS/2和 D =ρV2CDS/2 及上面的結(jié)論可知，有結(jié)冰時對給定的速度，平飛阻力即平飛所需推力將增加，又 D =W/K，其中K是升阻比，由于最大升阻比減小，所以平飛最小阻力將增加，由于取得最大升阻比的CL減小，所以平飛最小阻力對應(yīng)的速度將增加。

所以有結(jié)冰時，飛機(jī)可用推力曲線向下移，平飛阻力（平飛所需推力）曲線、曲線最低點(diǎn)向右上方移動，如圖5所示。

另外，受平飛失速速度影響的最小平飛速度也隨著結(jié)冰飛機(jī)失速特性的惡化而增大，最大平飛速度減小。

經(jīng)過上述分析可以得出，結(jié)冰使得飛機(jī)飛行包線向內(nèi)“萎縮”，飛機(jī)的飛行范圍進(jìn)一步受限制。結(jié)冰越嚴(yán)重，這種“萎縮”程度越大。

三、結(jié)冰對飛行性能的影響

結(jié)冰會使失速速度，即平飛最小速度增加，使平飛最大速度減小，使平飛速度范圍減小。由于剩余推力減小，飛機(jī)的爬升梯度、爬升率會減小。阻力增加使飛機(jī)耗油增加。如平尾結(jié)冰，使尾翼的升力系數(shù)CL、CLmax、失速攻角減小，將使飛機(jī)的操縱性能惡化。

結(jié)冰對起飛性能的影響（尤其是對小飛機(jī)）是更加嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的。

例如，假定無結(jié)冰時失速速度（FAR失速速度）Vs=100節(jié)，V2=1.2Vs=120節(jié)，如結(jié)冰使最大升力系數(shù)減少25%～40%，則失速速度將增加到115～129節(jié)，相應(yīng)的，V2應(yīng)該是138～154節(jié)，也就是說在離地10.6米高時應(yīng)加速到138～154節(jié)才能保證安全。如不了解飛機(jī)的結(jié)冰情況，仍按V2=120節(jié)起飛，這個速度就很接近甚至小于飛機(jī)有結(jié)冰時的失速速度，飛機(jī)將難以操縱，可能墜毀，甚至用盡跑道都不能離地升空。

另外，由于阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)減小、V2及VR增加，將使起飛距離大大增加，在給定場地長度的前提下，這將使允許的起飛重量減少。

結(jié)冰對大型噴氣式飛機(jī)比小型、螺旋槳飛機(jī)的影響要小，因?yàn)椋?/p>

（1）大型噴氣機(jī)在低高度飛行時間短，而結(jié)冰主要發(fā)生在低高度。

（2）噴氣機(jī)的速度快，總溫（TAT）高，不易發(fā)生結(jié)冰。

（3）噴氣機(jī)用防冰代替了除冰，這是因?yàn)闇u扇發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)功率大，壓縮空氣量大，可以持續(xù)引氣用于機(jī)翼前緣、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口等部位防冰。

（4）相同的結(jié)冰情況對大飛機(jī)的影響要小。

（5）大飛機(jī)使用動力（如液壓）帶動的操作。

四、在結(jié)冰條件下運(yùn)行應(yīng)遵守的條例

為了保證飛機(jī)在結(jié)冰條件下的運(yùn)行安全，CCAR121.649、FAR121.629、FAR91.527款條例都對結(jié)冰條件下飛機(jī)的操作和使用做出了規(guī)定。

例如，在CCAR121.649中規(guī)定：①當(dāng)機(jī)長或飛行簽派員在航路或機(jī)場上預(yù)料到或已遇到的結(jié)冰狀況會嚴(yán)重影響飛行安全時，任何人不得簽派放行飛機(jī)繼續(xù)在這些航路上飛行或者在這些機(jī)場著陸。②當(dāng)有霜、雪或冰附著在飛機(jī)機(jī)翼、操縱面、螺旋槳、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口或其他重要表面上，或者不能符合本條③款時，任何人不得使飛機(jī)起飛。③除本條④款規(guī)定外，在某種條件下，當(dāng)有理由認(rèn)為霜、雪、冰會附著在飛機(jī)上時，任何人不得簽派放行飛機(jī)或使其起飛，但該合格證持有人在其運(yùn)行規(guī)范中具有經(jīng)批準(zhǔn)的地面除冰防冰大綱并且其簽派放行、起飛都符合該大綱要求的除外。經(jīng)批準(zhǔn)的地面除冰防冰大綱應(yīng)當(dāng)至少包括下列項(xiàng)目（具體項(xiàng)目略，詳見CCAR121.649）。④合格證持有人如果沒有本條③款要求的大綱，也可以按本條繼續(xù)運(yùn)行，但是在其運(yùn)行規(guī)范中應(yīng)當(dāng)規(guī)定任何時候只要有理由認(rèn)為霜、雪和冰可能會附著在飛機(jī)上，飛機(jī)就不得起飛。但經(jīng)過檢查確認(rèn)沒有霜、雪或冰附著在機(jī)翼、操縱面和其他關(guān)鍵表面上時除外。該檢查應(yīng)當(dāng)在開始起飛之前5分鐘之內(nèi)進(jìn)行，并且應(yīng)當(dāng)在飛機(jī)外部完成。

五、結(jié)語

結(jié)冰使飛機(jī)的氣動特性變差，導(dǎo)致飛機(jī)的飛行阻力增大，升力減小，升阻比變小，最大升力系數(shù)減小，失速速度增大，臨界迎角減小，氣動特性惡化，進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)起飛、著陸的距離和時間增大，飛行包線萎縮。

總之，結(jié)冰會危及飛機(jī)的飛行安全，降低飛機(jī)的飛行性能。在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)著力開展結(jié)冰對飛機(jī)氣動特性的影響、防除冰裝置的研制以及改善飛機(jī)飛行品質(zhì)的飛行控制律的研究設(shè)計(jì)工作。

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