基于適航符合性認(rèn)證的結(jié)冰探測(cè)技術(shù)研究

丁媛媛 蔣彥龍 施 紅 高志剛 裴后舉

近年來(lái)發(fā)生的飛機(jī)結(jié)冰事故引發(fā)了各界廣泛關(guān)注，對(duì)應(yīng)解決飛機(jī)結(jié)冰的技術(shù)也益發(fā)重要。20世紀(jì)30年代，Douglas公司與B.F. Goodrich公司合作，在M-2運(yùn)輸飛機(jī)上安裝氣動(dòng)除冰套。20世紀(jì)60年代，第一代結(jié)冰探測(cè)器的方法和技術(shù)出現(xiàn)，它可以對(duì)結(jié)冰條件發(fā)出警報(bào)。1965年，在MIL-D-8181B 《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身進(jìn)氣道結(jié)冰探測(cè)器通用規(guī)范》中公布了結(jié)冰探測(cè)器開發(fā)指南。在20世紀(jì)80年代，第一個(gè)主結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)推出，這種將結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為探測(cè)結(jié)冰條件（或積冰）的方法意味著飛行機(jī)組不再需要監(jiān)測(cè)溫度和可見(jiàn)水汽。結(jié)冰探測(cè)相關(guān)技術(shù)和規(guī)則要求的發(fā)展，使飛機(jī)在結(jié)冰條件下的飛行變得更加安全和可靠。另外現(xiàn)有的結(jié)冰探測(cè)器也存在兩個(gè)較普遍的問(wèn)題[1]：結(jié)冰探測(cè)器存在探測(cè)失效問(wèn)題或需較長(zhǎng)的時(shí)間延遲后才向飛行員發(fā)出報(bào)警信息；結(jié)冰探測(cè)器不能探測(cè)出空氣中存在的冰晶，導(dǎo)致飛行員不能及時(shí)打開發(fā)動(dòng)機(jī)除防冰設(shè)備，冰晶被吞入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道并凍結(jié)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員也在努力克服或避免此類問(wèn)題，并制定出了一系列針對(duì)此類問(wèn)題的規(guī)范，以及應(yīng)用更加安全、精確和可靠的結(jié)冰探測(cè)技術(shù)。本文以適航符合性驗(yàn)證為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)冰探測(cè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做出梳理工作，并提出合適的適航驗(yàn)證技術(shù)為適航工作人員提供參考。

1 對(duì)有關(guān)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)適航要求的整理

結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)是一種具有高級(jí)信息處理能力的結(jié)冰告警和信息指示系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)提前結(jié)冰警報(bào)、結(jié)冰信息（結(jié)冰速率和結(jié)冰厚度等）提示、除冰信息提示等功能。一般結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)是由幾個(gè)結(jié)冰傳感器和溫度傳感器、攻角傳感器和皮托管等大氣數(shù)據(jù)傳感器組成。而結(jié)冰探測(cè)器是由結(jié)冰傳感器、信號(hào)處理和報(bào)警電子系統(tǒng)組成。

在第一代結(jié)冰探測(cè)器出現(xiàn)之后的50多年里，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）發(fā)布的規(guī)章中都沒(méi)有結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容。第一個(gè)結(jié)冰探測(cè)的條款是在2009年25-129號(hào)修正案《防冰功能激活》中第25.1419條出現(xiàn)的。在這之前僅有少許的結(jié)冰探測(cè)器的參考存在于咨詢通告中。之后，F(xiàn)AA與EASA的各項(xiàng)規(guī)章和咨詢材料都更新了結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的使用參考。以下就是對(duì)現(xiàn)有規(guī)范內(nèi)容的解讀，由于FAA和EASA的規(guī)范在本質(zhì)上是相同的，故在此只分析FAA標(biāo)準(zhǔn)，與EASA不同之處將會(huì)特別注明。

1.1 結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范內(nèi)容解讀

1.1.1 結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)安裝和功能

FAA發(fā)布的FAR 25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[2]第25.1301條“功能和安裝”要求運(yùn)輸類飛機(jī)上所有的設(shè)備都必須能在運(yùn)行中執(zhí)行預(yù)期功能。結(jié)冰探測(cè)器功能運(yùn)行正常需要安裝正確，安裝不正確帶來(lái)的不利影響可能會(huì)增加液態(tài)水含量（LWC）和結(jié)冰水含量（IWC）的局部濃度或者過(guò)冷液態(tài)水滴撞擊極限不在探測(cè)范圍內(nèi)。此外，為了確定結(jié)冰探測(cè)器的功能的正確性，F(xiàn)AA發(fā)布的咨詢通告AC 25.1419-2《符合25.1419（e），（f），（g）和（h）的防冰要求》[3]中指出應(yīng)該在整個(gè)飛行包線內(nèi)執(zhí)行水滴撞擊分析、凍結(jié)系數(shù)分析、附錄C結(jié)冰條件試驗(yàn)、安裝性能試驗(yàn)等。FAA咨詢通告AC 20-73A《飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)》[4]中的附錄K“結(jié)冰與結(jié)冰條件的探測(cè)”具體討論了開發(fā)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的各點(diǎn)，包括結(jié)冰探測(cè)器位置、水滴撞擊分析（包括雷達(dá)上的結(jié)冰）、凍結(jié)系數(shù)影響、系統(tǒng)安全注意事項(xiàng)等。

FAR 25第25.1309條“設(shè)備、系統(tǒng)和安裝”進(jìn)一步擴(kuò)展了 25.1301的要求，需要證明每個(gè)元件必須在可預(yù)見(jiàn)的操作條件下執(zhí)行其預(yù)期功能。所以在設(shè)計(jì)與驗(yàn)證結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)符合性時(shí)必須分析每個(gè)功能對(duì)飛機(jī)安全性的影響。在FAA發(fā)布的咨詢通告AC 25.1309-1A 《系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》[5]中規(guī)定了安裝在飛機(jī)上的設(shè)備和系統(tǒng)可接受的安全水平，定義了與每個(gè)類別相關(guān)的飛機(jī)級(jí)別的危險(xiǎn)性。例如：災(zāi)難性：可能會(huì)導(dǎo)致飛行故障和著陸故障情況發(fā)生；輕微性：不會(huì)顯著降低飛機(jī)安全。例如咨詢通告AC 25-28《運(yùn)輸類飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行的符合性認(rèn)證要求》[6]中對(duì)相關(guān)結(jié)冰探測(cè)和防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了安全評(píng)估：如果飛機(jī)遇到未經(jīng)認(rèn)證的FAR 25附錄O條件，發(fā)生災(zāi)難性事件的概率為1%。遭遇附錄O條件的概率是10-2/飛行小時(shí)。

1.1.2 結(jié)冰條件和結(jié)冰探測(cè)方法

FAR 25的附錄C定義了一系列飛機(jī)必須能夠在其內(nèi)安全飛行的結(jié)冰環(huán)境條件以便進(jìn)行飛行結(jié)冰認(rèn)證，要求發(fā)展能探測(cè)到附錄C包含的連續(xù)最大結(jié)冰條件和間斷最大結(jié)冰條件的探測(cè)結(jié)冰方法。在 25.1419（e）條 “結(jié)冰防護(hù)”中定義了3種提供飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)可接受的方法（具體方法見(jiàn) 25.1419（e））。應(yīng)當(dāng)注意在開發(fā)特定探測(cè)技術(shù)以指示何時(shí)在飛機(jī)臨界表面上存在積冰時(shí)，需要同時(shí)考慮操作包線和氣象條件的影響。還要注意在對(duì)25.1419（e）（2）和（e）（3）的合格認(rèn)證中，如果依靠飛行機(jī)組或結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)來(lái)探測(cè)附錄C條件，需要考慮結(jié)冰探測(cè)器的延遲性，必須證明在延遲期間飛機(jī)可以留有足夠的控制能力和失速警告裕度[7]。

FAR 25的附錄O定義了一系列過(guò)冷大水滴（SLD）的環(huán)境結(jié)冰條件，即飛機(jī)必須能夠安全地在SLD分類下的凍雨或冰凍毛毛雨結(jié)冰條件下飛行。 25.1420“過(guò)冷大水滴結(jié)冰條件”定義了3種飛機(jī)進(jìn)入SLD條件的可接受方法：（a）（1）和（a）（2）規(guī)定需要一種探測(cè)并能區(qū)分出SLD的方法；對(duì)（a）（3）符合性驗(yàn)證時(shí)，需要探測(cè)附錄O和附錄C定義的所有結(jié)冰條件，但是如果已經(jīng)證明了飛機(jī)能在SLD條件中安全飛行，則不需要區(qū)分這兩種條件。換句話說(shuō)，為了對(duì)新的FAA和EASA法規(guī)進(jìn)行認(rèn)證，必須證明無(wú)論選擇 25.1419或25.1420中的哪項(xiàng)進(jìn)行認(rèn)證，都要探測(cè)到附錄O中定義的所有結(jié)冰條件，但這并不是意味著要區(qū)分附錄O與附錄C的結(jié)冰條件，僅當(dāng)選擇第25.1420（a）（1）或（a）（2）條認(rèn)證時(shí)，才需要區(qū)分。需要注意的是：FAA此項(xiàng)條款適用的是最大起飛重量小于60 000 lb或有回力飛行操縱器件的飛機(jī)。而對(duì)EASA的CS 25《大型飛機(jī)合格審定規(guī)范和可接受符合方法》[8]中相對(duì)應(yīng)的規(guī)章中，沒(méi)有適用限制。

在對(duì)附錄O進(jìn)行符合性驗(yàn)證時(shí)，AC 25-28表示可以在飛機(jī)防護(hù)區(qū)域后方安置一套結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)以確定何時(shí)遭遇附錄O條件。不要求飛行機(jī)組在探測(cè)表面上判斷具體積冰厚度，但是在任何運(yùn)行模式期間，在不使用手持式手電筒的情況下，飛行機(jī)組的主要視野內(nèi)積冰應(yīng)該是可見(jiàn)的。如果將觀察機(jī)翼上的積冰作為結(jié)冰探測(cè)的主要方法，或者結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)失效需要將此方法作為備用結(jié)冰探測(cè)方法時(shí)，25.1403“機(jī)翼探冰燈”規(guī)定：“必須提供一種照明方式以確定在臨界機(jī)翼部分上產(chǎn)生了冰積聚”。AC 25.1419-1A《運(yùn)輸類飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行的認(rèn)證》[9]對(duì)探冰燈提供了符合性驗(yàn)證方法：如在夜間進(jìn)行符合性驗(yàn)證，則應(yīng)該在云層中和云層外進(jìn)行評(píng)估以證明沒(méi)有發(fā)生過(guò)多的眩光或反射。

2 結(jié)冰探測(cè)器安裝位置

結(jié)冰探測(cè)器的安裝位置是影響結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行其預(yù)期功能的重要因素，所以選定合適的安裝位置對(duì)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。當(dāng)確定用于結(jié)冰探測(cè)的探測(cè)表面的位置時(shí)，申請(qǐng)人應(yīng)考慮水滴撞擊和熱特性的影響。

2.1 水滴撞擊分析

對(duì)于任何結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)，最重要的因素之一是水滴撞擊。如果探測(cè)表面不在水滴撞擊的區(qū)域中，則結(jié)冰探測(cè)器在各種結(jié)冰條件下的性能就會(huì)受到損害。

分析水滴軌跡和撞擊特性需要利用流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，探測(cè)表面要考慮的重要參數(shù)為：非插入式結(jié)冰探測(cè)器的局部收集系數(shù)（β）和撞擊極限；插入式結(jié)冰探測(cè)器的陰影高度。陰影高度是從飛機(jī)蒙皮表面到最近的水滴的距離。分析表明，不同型號(hào)飛機(jī)合適的結(jié)冰探測(cè)器安裝位置是不同的[10]。陰影高度分析將有助于確定探測(cè)表面在飛機(jī)表面上方的延伸距離以及在飛機(jī)表面的位置。已經(jīng)證明使用歐拉法（濃度的場(chǎng)值預(yù)測(cè)）和拉格朗日方法（遵循單個(gè)顆粒的路徑）分析水滴撞擊是有幫助的[11]。歐拉法具有容易預(yù)測(cè)重要局部的LWC濃度的優(yōu)點(diǎn)，而拉格朗日方法將局部濃度作為導(dǎo)出參數(shù)，用于估計(jì)液體水和冰晶的濃度因子。

雖然大多數(shù)探測(cè)表面能夠獲取比機(jī)翼表面更高的水滴收集系數(shù)，但這不能證明在機(jī)翼表面產(chǎn)生嚴(yán)重積冰之前，探測(cè)表面上能出現(xiàn)積冰，所以還需要評(píng)估凍結(jié)系數(shù)。

2.2 凍結(jié)系數(shù)分析

飛行中探測(cè)表面發(fā)生結(jié)冰取決于表面（結(jié)冰探測(cè)器探測(cè)元件、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)入口、雨刮器等）上的熱傳遞。傳熱平衡以及最終得到的凍結(jié)系數(shù)η取決于各種參數(shù)，包括水滴的幾何形狀、空速、溫度、LWC和MVD（平均體積直徑）。

飛機(jī)的任何表面或與其連接的任何部件不可能在整個(gè)FAR 25附錄C條件下出現(xiàn)冰積聚。隨著空速增加產(chǎn)生氣動(dòng)熱，限制了過(guò)冷水在給定表面上凍結(jié)的能力，這通常被稱為L(zhǎng)udlam極限。如圖1，有兩個(gè)極限：Ludlam極限（η= 1）：這類條件為所有撞擊到表面上的過(guò)冷水凍結(jié)；和臨界溫度（η=0）：對(duì)于給定的飛行/大氣條件，溫度高于過(guò)冷水，在表面上不會(huì)凍結(jié)。在Ludlam極限和臨界溫度之間只有一部分過(guò)冷水滴會(huì)凍結(jié)，沒(méi)有凍結(jié)的液態(tài)水會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

為確保結(jié)冰探測(cè)的準(zhǔn)確，要在整個(gè)大氣和飛行包線條件下，在飛機(jī)的探測(cè)和臨界表面上評(píng)估臨界溫度。這種評(píng)估通常通過(guò)分析、風(fēng)洞試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)進(jìn)行。如果使用視覺(jué)提示作為參考，AC 25-28和AC 25.1419-2都規(guī)定型號(hào)合格證（Type Certification，TC）申請(qǐng)人必須表明“探測(cè)表面與受保護(hù)表面同時(shí)或在后者之前發(fā)生冰積聚。”由于AC 25.1419-2和AC 25-28的附加要求，視覺(jué)提示必須在駕駛員和副駕駛座椅都可見(jiàn)，這嚴(yán)格限制了視覺(jué)提示的位置并且可能需要使用兩個(gè)探測(cè)表面。鑒于多數(shù)飛機(jī)前擋風(fēng)玻璃的空氣動(dòng)力學(xué)和水滴撞擊特性，還應(yīng)注意在飛機(jī)臨界表面上結(jié)冰時(shí)確保局部流場(chǎng)特性不會(huì)妨礙在探測(cè)表面上的冰積聚。

3 結(jié)冰探測(cè)器性能要求

結(jié)冰探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間也可以稱為積冰時(shí)間，主要由飛機(jī)臨界表面上積聚危險(xiǎn)結(jié)冰量所需的時(shí)間決定。Jackson, D[10]經(jīng)過(guò)研究，給出了在過(guò)冷液體水條件下結(jié)冰探測(cè)可允許的響應(yīng)時(shí)間，見(jiàn)公式（1）：

式中：t—最大結(jié)冰厚度，m；τ—響應(yīng)（暴露）時(shí)間，s； ρ—冰密度，g/m3；β —局部收集系數(shù)；LWC——液態(tài)水含量，g/m3；V——真實(shí)空速，m/s；η——局部?jī)鼋Y(jié)系數(shù)。

公式（1）參數(shù)需要與FAR 25附錄C和附錄O結(jié)冰包線聯(lián)系，由于凍結(jié)系數(shù)評(píng)估的復(fù)雜性，可以保守的假設(shè)其值為1.0。但是如果結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)在滿足必要的響應(yīng)時(shí)間時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，就需要對(duì)臨界表面或探測(cè)表面進(jìn)行額外的凍結(jié)系數(shù)的評(píng)估。

結(jié)冰探測(cè)器的最小探測(cè)臨界值將決定是否探測(cè)得到某結(jié)冰條件。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)例如SAE AS 5498[12]《主結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的審定和整合》要求附錄C的最小結(jié)冰探測(cè)厚度約為0.5mm。這不僅是結(jié)冰探測(cè)器探測(cè)表面的厚度標(biāo)準(zhǔn)，也可以是飛機(jī)監(jiān)測(cè)表面的最大厚度。結(jié)冰條件最小臨界值很難獲得，但可以根據(jù)LWC來(lái)判斷。雖然SAE AS 5498沒(méi)有給出探測(cè)結(jié)冰條件方法的最小臨界值，但給出了LWC測(cè)量精度為±0.1g/m3或±30%，并以較大者為準(zhǔn)。如果有技術(shù)實(shí)際上滿足了該要求，則其最小探測(cè)臨界值理論上可以在0～0.2g/m3的范圍內(nèi)。這個(gè)理論范圍是否實(shí)用仍具有爭(zhēng)議，但將最小臨界值朝更低的方向推進(jìn)是必然的。無(wú)論是使用探測(cè)積冰或結(jié)冰條件的技術(shù)，用于計(jì)算附錄C的響應(yīng)時(shí)間都應(yīng)滿足以上標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)冰探測(cè)器探測(cè)附錄O結(jié)冰條件的響應(yīng)時(shí)間與附錄C的原理相同。因此，公式（1）可用于計(jì)算附錄O云的整個(gè)LWC條件下的預(yù)期響應(yīng)時(shí)間。這雖然在FAA和EASA規(guī)章或咨詢通告中沒(méi)有明確規(guī)定，但適航當(dāng)局認(rèn)為無(wú)論飛機(jī)是否認(rèn)證25.1420（a）（1）還是（a）（2），都要提供一種方法探測(cè)所有附錄C和附錄O的條件。這在AC 25-28作出的假設(shè)中闡述的非常清楚：“機(jī)身和推進(jìn)器的結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)（IPS）在未警報(bào)遭遇結(jié)冰之前已經(jīng)被激活?！痹谶@里未警報(bào)遭遇結(jié)冰條件是指飛行員不知道飛機(jī)處在超出認(rèn)證范圍的SLD條件內(nèi)，即不用區(qū)分附錄C和附錄O。

如果結(jié)冰探測(cè)器旨在區(qū)分附錄O和附錄C，則警報(bào)時(shí)間量將基于水滴的LWC，其中水滴尺寸可以是大于100μm（凍雨）、大于500μm（凍雨）或由飛機(jī)制造商選擇認(rèn)證的任何臨界值，但并非要考慮整個(gè)附錄中的水滴，只要考慮超過(guò)需要認(rèn)證的LWC即可。可使用等式（1）和水滴尺寸大于臨界值的LWC計(jì)算預(yù)期響應(yīng)時(shí)間。通常區(qū)分SLD條件響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，并且將隨著水滴分布的函數(shù)而變化。SLD飛濺也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。迄今為止關(guān)于該主題的研究，還不清楚是否在探測(cè)表面上發(fā)生分裂和飛濺的程度是大還是小。當(dāng)然這也是與飛機(jī)之間技術(shù)不同有關(guān)。因此大水滴也會(huì)出現(xiàn)低濃度的情況。

4 總結(jié)

近幾年FAA與EASA關(guān)于結(jié)冰方面制定或更新了相關(guān)適航規(guī)章和規(guī)范，對(duì)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的要求也在不斷完善和嚴(yán)格。針對(duì)國(guó)內(nèi)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)認(rèn)證工作的迫切需要，本文整理了國(guó)外現(xiàn)有的結(jié)冰探測(cè)適航規(guī)章和咨詢通告，闡述了結(jié)冰探測(cè)技術(shù)符合性相關(guān)要求，對(duì)結(jié)冰探測(cè)器安裝位置選定、性能工作情況進(jìn)行了研究分析，為結(jié)冰探測(cè)技術(shù)開發(fā)和運(yùn)輸類飛機(jī)取得國(guó)外結(jié)冰適航認(rèn)證合格提供參考。

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