關(guān)于飛機結(jié)冰的多重安全邊界問題

桂業(yè)偉， 周志宏, 2,*， 李穎暉， 徐浩軍

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000 2.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065 3.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038

關(guān)于飛機結(jié)冰的多重安全邊界問題

桂業(yè)偉1， 周志宏1, 2,*， 李穎暉3， 徐浩軍3

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000 2.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065 3.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038

邊界保護是保障飛機安全性的重要方面，對目前國內(nèi)外飛機結(jié)冰安全邊界問題的研究現(xiàn)狀及進展進行了綜述，對飛機結(jié)冰致災(zāi)物理鏈路的影響因素及規(guī)律進行了分析，指出目前從飛行力學(xué)角度出發(fā)的安全邊界尚未全面考慮飛機結(jié)冰致災(zāi)復(fù)雜物理現(xiàn)象的相關(guān)因素，并提出了飛機結(jié)冰多重安全邊界的概念，將飛機結(jié)冰的安全邊界分為氣象邊界、冰形邊界和飛行安全邊界。結(jié)合相應(yīng)的物理規(guī)律和實際應(yīng)用，按照飛機結(jié)冰導(dǎo)致性能惡化的影響程度、飛行操縱影響程度等對邊界又進行了多重屬性劃分。進一步梳理了多重安全邊界研究需解決的主要關(guān)鍵問題，提出了下一步的相關(guān)研究方向，可為飛機設(shè)計、適航認(rèn)證、飛行操縱、航路規(guī)劃、分級優(yōu)化保護等方面的應(yīng)用提供支撐和參考。

飛機； 結(jié)冰； 邊界； 冰形； 結(jié)冰氣象條件； 多重； 結(jié)冰防護

飛機結(jié)冰是過冷水滴撞擊機體表面并發(fā)生相變的一種復(fù)雜現(xiàn)象，結(jié)冰會改變飛機的表面形狀并引起空氣流動變化，導(dǎo)致空氣動力學(xué)和飛行力學(xué)性能惡化，危害飛行安全[1-2]。人們對飛機積冰的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，發(fā)展了一系列比較可靠的防護技術(shù)措施和規(guī)范[3-5]，但飛機結(jié)冰仍然是影響飛行安全甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故的重要隱患之一，據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)飛行安全部統(tǒng)計，1990—2000年間由于天氣原因引起的事故共3 230次，其中結(jié)冰引起事故達(dá)到388次(占12%)[6]。2003—2008年間，又有380起與結(jié)冰有關(guān)的事故報告。中國近年來也發(fā)生了多起與飛機結(jié)冰相關(guān)的嚴(yán)重事故，其中包頭2004年和安徽2006年分別發(fā)生的民機和軍機空難，均傷亡慘重。

圖1 飛機結(jié)冰致災(zāi)演化鏈路
Fig.1 Link leading to disaster with icing

在當(dāng)前航空技術(shù)日趨成熟、防除冰技術(shù)日益發(fā)展的背景下，飛機結(jié)冰導(dǎo)致的飛行災(zāi)害仍時有發(fā)生，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：從飛機結(jié)冰致災(zāi)演化鏈路中各環(huán)節(jié)所提出的結(jié)冰防護需求不一定能全面覆蓋實際條件下的結(jié)冰致災(zāi)范圍。圖1為飛機結(jié)冰致災(zāi)鏈路圖，飛機在結(jié)冰環(huán)境中飛行時可能遭遇結(jié)冰，結(jié)冰導(dǎo)致的表面形狀改變會直接影響飛機的氣動特性，進一步影響到飛機的飛行特性，當(dāng)破壞性影響達(dá)到一定程度時，將會導(dǎo)致飛行災(zāi)難。飛機結(jié)冰防護系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)是結(jié)冰致災(zāi)演化鏈路中各環(huán)節(jié)的邊界對應(yīng)的防護需求，目前對各邊界的影響因素及其規(guī)律把握精確度上的不足，一方面可能導(dǎo)致設(shè)計的防護范圍不能完全涵蓋致災(zāi)區(qū)域，帶來安全隱患；另一方面，防護范圍在某些情況下又冗余太大，影響飛機的飛行性能和經(jīng)濟性能。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展及飛機安全性指標(biāo)的不斷提高，需要在現(xiàn)有認(rèn)知上有新的突破，才能更深入把握飛機結(jié)冰致災(zāi)的科學(xué)本質(zhì)，更好地把握飛機結(jié)冰致災(zāi)鏈路中各個邊界，科學(xué)地提出未來飛機研制對結(jié)冰防護的更全面需求。本文綜合分析了當(dāng)前飛機結(jié)冰安全邊界研究的現(xiàn)狀與進展，根據(jù)飛機結(jié)冰安全防護的特點和需求，提出飛機結(jié)冰安全邊界存在多重屬性這一論點，并對飛機結(jié)冰邊界研究中的關(guān)鍵問題及對應(yīng)的策略進行了分析和展望。

1 飛機結(jié)冰邊界的研究現(xiàn)狀

目前，飛機都有自動或人工的飛行邊界保護系統(tǒng)，用于保障飛機的飛行安全，原理如下：基于考慮環(huán)境、駕駛員因素的飛機穩(wěn)定性分析，確定氣動和結(jié)構(gòu)等因素影響下飛機安全飛行的高度與速度等參數(shù)的范圍，通過控制率設(shè)計、增加限制器等措施使飛機在邊界范圍內(nèi)安全飛行。

由于防除冰的代價很大，飛機往往只在部分結(jié)冰敏感區(qū)域(如機翼和尾翼前緣、發(fā)動機唇口、外置機載傳感器等)配備有防除冰設(shè)施。因此，即使防除冰系統(tǒng)開啟，也不可避免會出現(xiàn)帶冰飛行的情況。飛機帶冰飛行時，機翼、尾翼等部件上的結(jié)冰會導(dǎo)致飛行性能降低[7-10]，飛行參數(shù)的安全范圍將會縮小，如果按照正常飛行安全邊界保護操縱飛機，將可能導(dǎo)致飛行風(fēng)險，1997年Comair航空公司空難就是典型事例[11]。世界民用航空器制造商非常重視民用航空器系統(tǒng)安全性設(shè)計中有關(guān)結(jié)冰條件下飛機安全性裕度要求和飛行安全保障措施，F(xiàn)AR-25部、FAR-33部、中國民用航空規(guī)章CCAR25部[12-13]等相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)中也均提出了明確要求。

ATR-72等飛機考慮了結(jié)冰對飛機飛行性能的影響，對結(jié)冰后飛行邊界控制保護系統(tǒng)進行了改進[14-15]，方法如下：基于飛機設(shè)計過程中考慮的最嚴(yán)重結(jié)冰情況(臨界冰形)，制定對應(yīng)的邊界保護限制，遭遇到結(jié)冰就啟用該保護系統(tǒng)。這種方法應(yīng)用過程存在一定的局限，如果真實飛行遭遇比臨界冰形更嚴(yán)重的結(jié)冰情況時，飛機可能在比保護系統(tǒng)更小的飛行參數(shù)范圍就失去控制，1994年的ATR-72事故中，迎角為5° 時就發(fā)生了滾轉(zhuǎn)反常，超出了原先設(shè)置的結(jié)冰后的飛行邊界值，并導(dǎo)致了飛行事故[16-17]；另外，當(dāng)結(jié)冰嚴(yán)重程度低于臨界冰形時，系統(tǒng)會過度限制飛行員的操縱，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致飛機喪失逃出危險環(huán)境的機會。

因此，有必要引入結(jié)冰后飛機自適應(yīng)飛行邊界的概念，動態(tài)實時分析對應(yīng)的飛行安全邊界，高效、可靠地保護飛行安全。1998年，美國伊利諾斯州大學(xué)(University of Illinois)的Bragg教授提出了設(shè)計飛機智能防冰系統(tǒng)(Smart Icing System, SIS)的設(shè)想[18-19]?；靖拍钍菍崟r監(jiān)測結(jié)冰對飛機性能、穩(wěn)定性及操縱性的影響程度，辨識飛機結(jié)冰信息，根據(jù)具體情況激活和管理結(jié)冰保護系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用飛行控制系統(tǒng)修改飛行包線來避免可能出現(xiàn)的飛行失控，最終通過調(diào)整飛機控制律以確保飛機結(jié)冰后的安全飛行[20-22]。2001年和2002年，在NASA Glenn研究中心的支持下，啟動了智能防冰計劃，開展了空氣動力學(xué)、控制與傳感、安全性等學(xué)科組合的系統(tǒng)研究，并進行了飛行驗證試驗[23-29]。國內(nèi)在飛機結(jié)冰邊界保護方面的研究起步相對較晚，空軍工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等機構(gòu)的相關(guān)學(xué)者先后開展了結(jié)冰后飛機控制方法的一些研究，圍繞結(jié)冰后飛行包線的實時變化、失速迎角告警信息的實時反饋、結(jié)冰參量模型、飛機縱向氣動參數(shù)的辨識等問題開展了一些初步探索[30-33]。

飛行邊界的確定方法是安全邊界研究的關(guān)鍵內(nèi)容，其中穩(wěn)定性研究是飛行邊界確定方法的重要基礎(chǔ)。早期主要針對配平狀態(tài)下的小擾動線性化系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典控制理論研究飛機的穩(wěn)定性[34-36]；20世紀(jì)90年代中后期，相關(guān)學(xué)者開展了基于平衡面的飛機全局穩(wěn)定性研究，考慮飛機氣動參數(shù)的非線性，建立飛機非線性動力學(xué)方程，研究系統(tǒng)平衡點由穩(wěn)定至不穩(wěn)定的變化規(guī)律[37]；國內(nèi)學(xué)者也從飛機全局穩(wěn)定性、俯仰力矩曲線對飛行穩(wěn)定性的影響、飛機穩(wěn)定飛行狀態(tài)往大迎角范圍的延伸等方面開展了飛機系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的研究[38-41]。穩(wěn)定平衡點處的抗擾動能力更能反映系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，而目前的穩(wěn)定性研究方法往往只能獲知飛機在平衡點處是否穩(wěn)定的判據(jù)，對穩(wěn)定域及動態(tài)穩(wěn)定性的研究鮮有報道，目前已有學(xué)者開始了這方面的初步探索，采用數(shù)值仿真手段分析飛機系統(tǒng)在不同平衡點處由迎角、側(cè)滑角和偏航角速度組成的穩(wěn)定域[42-45]，但這種方法需要在平衡點附近進行大量試探性的仿真計算，工作量極大，效率低下。

飛機結(jié)冰在線辨識理論、方法與技術(shù)是獲得實時冰形的關(guān)鍵，精確的冰形信息輸入是自適應(yīng)飛行安全邊界控制技術(shù)應(yīng)用于飛行實踐，高效、可靠的保障結(jié)冰后安全飛行的前提。冰形是一個極其復(fù)雜的物理量，直接探測或間接辨識的難度太大，研究者們基于典型氣象參數(shù)、飛行狀態(tài)對應(yīng)結(jié)冰對氣動性能的影響，給出了描述結(jié)冰嚴(yán)重程度因子關(guān)于氣象、飛行參數(shù)的函數(shù)形式[46-51]，美國Bragg教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊[52-54]建立了一種根據(jù)氣動參數(shù)辨識結(jié)冰嚴(yán)重程度因子的方法，國內(nèi)中國空氣動力研究與發(fā)展中心、復(fù)旦大學(xué)[55-57]等機構(gòu)也采用類似的方法。這種方法目前還存在一些問題：首先，獲得結(jié)冰嚴(yán)重程度需要針對大量的狀態(tài)，通過數(shù)值仿真或風(fēng)洞試驗獲得具體的冰形，工作量巨大；其次，這一過程沒有考慮到結(jié)冰的一些隨機性因素，誤差較大；再次，冰形對不同狀態(tài)下氣動性能的影響有所差異，現(xiàn)階段還缺乏科學(xué)提煉綜合影響程度的方法,有研究者采用基于結(jié)冰后氣動導(dǎo)數(shù)與操縱導(dǎo)數(shù)變化范圍的參數(shù)來描述結(jié)冰的影響[11]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測冰形對翼型氣動性能的影響[17],這些方法目前都很難提供較高的精度；最后，這種方法在工程應(yīng)用時，依賴于氣象參數(shù)的精確輸入，而目前很難精確在線辨識到飛行環(huán)境中的平均水滴粒徑(Median Volume Diameter，MVD)等氣象參數(shù)。

目前結(jié)冰在線辨識技術(shù)還沒有取得突破，無法實時獲得飛機的精確冰形，在冰形輸入存在誤差的前提下，將可能的冰形進行典型化級別劃分，開展針對性的預(yù)設(shè)對策研究，實現(xiàn)飛行安全邊界的分層次、典型化逼近，是現(xiàn)階段一種可行的工程實用途徑。

飛機結(jié)冰致災(zāi)過程非常復(fù)雜，目前的邊界保護研究主要著重于結(jié)冰后的飛行安全邊界保護，尚未考慮飛機結(jié)冰致災(zāi)控制鏈路中的諸多影響因素，應(yīng)用范圍有一定的局限，有必要對飛機結(jié)冰的安全邊界進行拓展，體現(xiàn)冰形、氣象等致災(zāi)因素的影響，為飛機結(jié)冰安全保護及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用提供理論支撐和參考。

2 飛機結(jié)冰的多重安全邊界

飛機失控的原因在于飛行參數(shù)超過了安全飛行的邊界范圍；結(jié)冰后飛行參數(shù)之所以會越界的原因在于，結(jié)冰導(dǎo)致飛行性能降低，使得安全飛行參數(shù)范圍發(fā)生改變，繼續(xù)按照正常的邊界保護進行操作的話，飛行參數(shù)可能越界，另一種情況是結(jié)冰足夠嚴(yán)重，超過了飛機能承受的極限安全范圍，飛行參數(shù)已經(jīng)沒有了安全區(qū)域，無論如何操作飛行參數(shù)都會越界并導(dǎo)致災(zāi)難性后果；冰形主要受液態(tài)水含量、水滴粒徑、溫度等氣象參數(shù)的影響，是隨時間積累而實時變化的量，而結(jié)冰時間也與云層的長度、寬度等氣象參數(shù)直接相關(guān)，冰形超過飛機能承受的極限安全范圍的原因在于飛機遭遇了超過安全范圍的氣象條件。因此，按照結(jié)冰致災(zāi)的物理鏈路，在飛行、冰形、氣象等層面，均會存在一個安全區(qū)域，并存在相應(yīng)的邊界。

結(jié)冰致災(zāi)是一個多因素作用下的復(fù)雜物理問題，“安全”或“不安全”并不是固定不變的，一定條件下可能相互轉(zhuǎn)化，可引入結(jié)冰的影響程度、操縱應(yīng)對的影響程度等對邊界進一步進行細(xì)分。

2.1 按照致災(zāi)鏈路劃分

根據(jù)飛機結(jié)冰致災(zāi)的物理因果鏈路，結(jié)冰安全邊界分為氣象邊界、冰形邊界、飛行安全邊界等三類問題。

2.1.1 氣象邊界

氣象條件是影響飛機結(jié)冰的基本因素，飛機結(jié)冰是過冷水滴撞擊到機體表面并發(fā)生相變的物理過程。粒徑會影響水滴運行軌跡、撞擊區(qū)域及飛機表面過冷水收集率；液態(tài)水含量影響過冷水收集量；溫度影響水滴撞擊表面后的相變過程；云層范圍是結(jié)冰時間的關(guān)鍵影響因素，這個參數(shù)能夠反映結(jié)冰的累積過程。

結(jié)冰會破壞飛機的飛行性能，嚴(yán)重到一定程度時，甚至將導(dǎo)致不可挽回的災(zāi)難性事故。在飛機構(gòu)型及飛行參數(shù)確定條件下，云層的長度、寬度、厚度、液態(tài)水含量、水滴粒徑、溫度等影響結(jié)冰的關(guān)鍵參數(shù)會有一個相應(yīng)的安全范圍，當(dāng)飛機遭遇的結(jié)冰氣象條件超出這個范圍時，可能遭遇災(zāi)難性的后果。這個安全范圍的極限值可稱之為氣象邊界，氣象邊界不是某一個特定的狀態(tài)，而是由云層范圍、水滴粒徑等參數(shù)組成的多個狀態(tài)的集合。

2.1.2 冰形邊界

隨著冰形嚴(yán)重程度的加劇，飛行參數(shù)的安全區(qū)域會持續(xù)變小，飛行參數(shù)尚有安全區(qū)域時，冰形屬于飛機能承受的安全冰形；當(dāng)飛行參數(shù)安全范圍縮小到極限時，此時的冰形嚴(yán)重程度稱之為飛機能承受的冰形極限程度，冰形稱之為極限冰形，極限冰形對應(yīng)的冰形參數(shù)的集合即為冰形邊界；冰形嚴(yán)重程度繼續(xù)加劇，越過冰形邊界后，飛行參數(shù)會完全失去安全范圍。

圖2 角狀冰幾何特征
Fig.2 Characteristic parameters of horn ice

圖3 流線型冰幾何特征
Fig.3 Characteristic parameters of streamline ice

結(jié)冰破壞飛機的氣動特性的原因在于冰形會改變飛機的外形，研究結(jié)冰影響飛行安全規(guī)律的難點在于，結(jié)冰形狀復(fù)雜多樣且不規(guī)則，冰形嚴(yán)重程度難以量化評估。建立冰形參數(shù)化描述方法，采用參數(shù)定量描述冰形的嚴(yán)重程度是研究冰形邊界的一種有效途徑?，F(xiàn)階段，在工程實踐中，主要靠視覺定性判斷不同冰形的嚴(yán)重程度[58-59]，NASA的Ruff和Anderson提出了一種冰形參數(shù)化的思路[60-61]，如圖2和圖3所示，分別用不同特征參數(shù)描述典型的角狀冰、流線冰, 其中Ts為駐點厚度，Tm為最大厚度，Hu和Hl分別為上、下冰角的長度，Au和Al分別為上、下冰角的角度，Su和Sl分別為結(jié)冰的上極限和下極限，Wm為最大寬度，Wi為冰上下極限點寬度。這種是一種略顯粗放的處理方法，提煉的特征量僅體現(xiàn)基本的冰形宏觀特征，沒有分析冰對氣動、飛行性能的影響，且各特征量之間本身并不獨立，存在相互關(guān)聯(lián)之處。還需進一步開展冰形參數(shù)化方法的深入研究，并建立冰形嚴(yán)重程度的量化評估方法[62]，為開展結(jié)冰影響飛機飛行性能規(guī)律等方面的研究提供理論支撐。

2.1.3 飛行安全邊界

飛機飛行會有保證安全的高度-速度飛行包線(圖4)，飛行包線范圍的確定主要有以下依據(jù)：

圖4 高度-速度飛行包線和限制
Fig.4 Flight envelope and limit of height and speed

1) 最大平飛速度 由飛機剩余推力、飛機結(jié)構(gòu)強度(動壓)、操穩(wěn)品質(zhì)決定。通常在低高度飛行時，由飛機結(jié)構(gòu)強度(動壓)確定，高空飛行時由操穩(wěn)品質(zhì)決定(如方向穩(wěn)定性喪失的限制)，總體上還要受到飛機剩余推力的限制。

2) 最小平飛速度 通常由飛機剩余推力(發(fā)動機穩(wěn)定工作性能限制)、飛機大迎角特性(失速限制)、操穩(wěn)品質(zhì)(舵效嚴(yán)重喪失)決定。

3) 升限或最大允許飛行高度 受到飛機剩余推力、發(fā)動機穩(wěn)定工作性能和操穩(wěn)品質(zhì)等的限制。其中最主要的是飛機剩余推力和發(fā)動機穩(wěn)定性的限制。

4) 最小高度 通常是由于地形回避和凈空條件的限制。

飛機飛行過程中，速度、迎角、角加速度等飛行參數(shù)會有一個安全的范圍，這個范圍的極限值可稱之為飛行安全邊界。飛行安全邊界會隨冰形的改變而發(fā)生變化，且由于飛行參數(shù)眾多，不同參數(shù)之間還存在耦合影響效應(yīng)，如何精確確定不同冰形條件下的飛行安全邊界是邊界研究中的關(guān)鍵點和難題。

2.2 按照結(jié)冰導(dǎo)致飛機性能惡化的嚴(yán)重程度劃分

飛機結(jié)冰后的氣象邊界、冰形邊界、飛行安全邊界，分別描述結(jié)冰致災(zāi)物理鏈路中不同物理量的安全極限值，這種極限值方法將結(jié)冰嚴(yán)重程度分成“安全”和“不安全”兩個等級。目前結(jié)冰在線探測和辨識技術(shù)精度較低，采用邊界線精確劃分的方法在邊界理論應(yīng)用過程中可能帶來較大的風(fēng)險，將冰形進行典型化級別劃分，將安全-不安全之間的邊界線擴展為一個模糊區(qū)，實現(xiàn)飛行安全邊界的分層次、典型化逼近，是現(xiàn)階段一種可行的工程實用途徑。

圖5 結(jié)冰分級及邊界
Fig.5 Grades and boundaries of icing

結(jié)冰對飛機性能的破壞作用是隨結(jié)冰嚴(yán)重程度逐漸加重，直至完全“不安全”的過程，可在基本兩級分法的基礎(chǔ)上，對結(jié)冰嚴(yán)重程度等級進行進一步細(xì)分，如圖5所示。首先，飛機結(jié)冰除了與氣象條件相關(guān)外，還與飛行參數(shù)相關(guān)，即使處于結(jié)冰環(huán)境中，一定條件下飛機也可能完全不結(jié)冰；結(jié)冰開始后，當(dāng)結(jié)冰量很小，基本不會造成飛機的氣動特性和飛行性能的損失時，飛機的飛行參數(shù)的安全區(qū)域基本沒有縮小，相應(yīng)的冰形稱之為不敏感冰形；結(jié)冰程度加重會導(dǎo)致飛機氣動、飛行特性惡化，飛行參數(shù)的安全區(qū)域明顯縮小，此時的冰形稱之為敏感冰形；飛機結(jié)冰程度繼續(xù)加重，當(dāng)飛行參數(shù)的安全范圍縮小到極限，已經(jīng)無法保持飛行穩(wěn)定安全時，對應(yīng)的冰形稱之為結(jié)冰安全極限冰形，也就是上述的冰形邊界。

這種四級分法只是傳統(tǒng)的“安全”、“不安全”極端兩級分法基礎(chǔ)上的一種細(xì)分方法，也可考慮結(jié)冰速率、飛機本身的防除能力等因素進行結(jié)冰程度的進一步精細(xì)劃分。結(jié)冰區(qū)域不同，結(jié)冰等級劃分方法也會有所差異，空速管、發(fā)動機唇口、機翼等不同部件的結(jié)冰等級劃分方法也會不同。

2.3 按照操縱應(yīng)對影響程度劃分

根據(jù)飛行安全邊界確定方法，一定冰形條件下，飛行參數(shù)僅有“安全”和“不安全”兩個閾值。而真實飛行過程中，操縱應(yīng)對會使飛行參數(shù)的安全范圍發(fā)生改變，使得飛行參數(shù)會存在一定的模糊區(qū)，在這個范圍內(nèi)“安全”和“不安全”可以相互轉(zhuǎn)化；另外，不同飛行參數(shù)組合變化時，一個參數(shù)改變會直接影響另一個參數(shù)的安全范圍[62-65]，例如，迎角這個參數(shù)的安全邊界會受到迎角加速度的影響，飛行參數(shù)的這種耦合作用也會使某些飛行參數(shù)在“安全”和“不安全”之間存在一定的模糊區(qū)。

首先，考慮所有的操縱效應(yīng)，以及不同飛行參數(shù)的相互影響效應(yīng)，這些因素都不影響飛行安全的參數(shù)范圍稱之為無需應(yīng)對邊界，這個飛行參數(shù)范圍可以在邊界保護系統(tǒng)內(nèi)隨意操縱；其次，操縱效應(yīng)以及不同飛行參數(shù)的相互影響，此部分不是絕對安全的操縱范圍，但通過適當(dāng)?shù)牟倏v應(yīng)對方式的組合，可以緩解一部分飛機氣動和飛行性能的惡化，飛行安全邊界參數(shù)可以適當(dāng)擴大，飛機可以在更大的參數(shù)范圍內(nèi)安全穩(wěn)定的飛行，相應(yīng)的邊界稱之為操縱優(yōu)化邊界；最后，在誤差傳遞足夠小情況下，即使采用最優(yōu)的參數(shù)組合操縱方式，也無法保證足夠的參數(shù)范圍使飛機穩(wěn)定安全飛行，這種超出飛機本身應(yīng)對能力的參數(shù)邊界稱之為無條件失效邊界。

3 多重安全邊界的科學(xué)意義及在工程中的應(yīng)用

將飛機結(jié)冰邊界分為氣象邊界、冰形邊界、飛行安全邊界等不同物理意義的三重安全邊界，且對其各層邊界的多重屬性開展深入研究，有助于揭示飛機結(jié)冰及其影響飛行安全的機理，獲得科學(xué)認(rèn)知上的突破，具有實際的工程意義，這些邊界在飛機結(jié)冰致災(zāi)相關(guān)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用方式具體體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 按照致災(zāi)鏈路劃分

3.1.1 氣象邊界

氣象邊界的確定必須結(jié)合現(xiàn)有適航條例的相關(guān)規(guī)定，分析結(jié)冰(強度及增長速率等)與氣象參數(shù)(云層范圍、液態(tài)水含量、水滴粒徑等)、飛行參數(shù)(飛行時間、速度、迎角等)的關(guān)系及發(fā)展規(guī)律，評估結(jié)冰的嚴(yán)重程度及其對飛機性能的影響，確定結(jié)冰達(dá)到飛機能承受的最嚴(yán)重情況下的氣象參數(shù)范圍。氣象邊界是進入一定結(jié)冰氣象云層中，飛機不同飛行狀態(tài)下結(jié)冰的發(fā)展趨勢及其帶來的災(zāi)害的科學(xué)預(yù)判，可以為結(jié)冰氣象條件下的航線規(guī)劃及操縱策略的提前制定提供技術(shù)支撐。

若飛機將要進入或已經(jīng)進入的云層其結(jié)冰氣象條件超出邊界范圍，按照既定的飛行軌跡，飛機設(shè)計的結(jié)冰防護系統(tǒng)不足以保證飛機飛行安全，則可以根據(jù)氣象邊界理論的指導(dǎo)，及時改變飛行軌跡，指導(dǎo)飛機盡快脫離危險。例如，一個200 km 的結(jié)冰云層，其厚度為800 m，按照既有飛行軌跡，在對應(yīng)的云霧參數(shù)、飛行參數(shù)范圍可能超過了氣象安全極限邊界，如果通過調(diào)整飛機的飛行高度等方式改變飛行軌跡，則有可能能夠安全飛出結(jié)冰云層；如果可能遭遇極端結(jié)冰氣象條件，即使改變飛行軌跡以及操作應(yīng)對方式、開啟防除冰系統(tǒng)，也無法阻止災(zāi)難產(chǎn)生，這種情況下，只能發(fā)展遠(yuǎn)距離探測預(yù)警技術(shù)，基于氣象安全邊界采取提前規(guī)避的方式來防止結(jié)冰致災(zāi)的發(fā)生。

另外，飛行過程中快速、精確的確定飛行安全邊界依賴于精確的冰形，現(xiàn)階段的探測技術(shù)很難精確地探測到飛機的結(jié)冰冰形[66-69]，結(jié)合氣象邊界提前預(yù)估冰形隨時間的變化，并用于指導(dǎo)應(yīng)對策略的制定，也是對飛行邊界在應(yīng)用層面的技術(shù)支撐。

3.1.2 冰形邊界

冰形邊界為飛機能承受的最嚴(yán)重程度的結(jié)冰情況，冰形邊界及其應(yīng)用研究包括冰形參數(shù)化描述、影響程度量化評估等內(nèi)容，相關(guān)技術(shù)的突破可以為飛機防除冰系統(tǒng)的設(shè)計、飛機容冰能力的評估、結(jié)冰后的操縱應(yīng)對、適航方案的制定等提供理論和技術(shù)支持。

目前飛機結(jié)冰設(shè)計和適航方案以飛機是否能夠承受“臨界冰形”的危害為判據(jù)。“臨界冰形”指的是飛機在適航條例中規(guī)定的氣象參數(shù)條件下，所能遭遇到的最嚴(yán)重冰形[12]。但是，目前對冰形的嚴(yán)重程度判定缺乏理論依據(jù)，這將導(dǎo)致飛機設(shè)計過程和適航方案中選用的“臨界冰形”可能不是真正影響最嚴(yán)重的冰形，飛機防除冰方面的設(shè)計有可能未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。冰形邊界研究體系在冰形嚴(yán)重程度量化評估相關(guān)理論和方法方面的突破，可以為飛機設(shè)計以及適航方案制定過程中“臨界冰形”的選取提供技術(shù)支撐。

同時，基于這一體系中的相關(guān)理論和技術(shù)，也可分析飛機本身能承受的極限冰形，用于對飛機容冰能力的量化評估。若飛機能承受的極限冰形比可能遭遇到的“臨界冰形”更嚴(yán)重，則飛機符合適航設(shè)計規(guī)范，反之則不符合。

3.1.3 飛行安全邊界

飛機防除冰系統(tǒng)的有效防護范圍只包括部分結(jié)冰敏感區(qū)域，飛機不可避免會遭遇帶冰飛行的情況。飛行安全邊界表征了飛機在結(jié)冰狀態(tài)下的飛行參數(shù)的安全范圍，可以用于指導(dǎo)結(jié)冰條件下的飛行操縱。

機體表面的覆冰會改變飛機的氣動特性及飛行性能，從而改變飛機的飛行邊界。目前飛機設(shè)計的結(jié)冰后飛行邊界往往以最嚴(yán)重的“臨界冰形”為依據(jù)，并制定飛行參數(shù)范圍，這種靜態(tài)邊界理論和方法大部分情況下會保護過度，限制了飛機的真實安全飛行性能，最嚴(yán)重的情況甚至可能喪失原本可以逃離危險區(qū)的機會；極端情況下，飛機可能遭遇比設(shè)計過程中考慮的“臨界冰形”更嚴(yán)重的結(jié)冰情況，這種靜態(tài)邊界保護系統(tǒng)又可能保護不足，導(dǎo)致飛行事故。

飛機的自適應(yīng)飛行安全邊界可以根據(jù)飛機的實時冰形，調(diào)整飛行參數(shù)的安全范圍，避免保護過度和保護不足這兩種情況，有效提高飛機帶冰飛行的安全性、飛行性能。

3.2 按照結(jié)冰導(dǎo)致飛機性能惡化的嚴(yán)重程度劃分

飛機遭遇結(jié)冰時，結(jié)冰情況的不同對飛機安全的影響也是不同的，而目前對結(jié)冰基本沒有分類、分級方法，飛機結(jié)冰防護采取一刀切的方式，往往是只要探測器提示有結(jié)冰，系統(tǒng)就將防除冰系統(tǒng)開啟，且防除冰系統(tǒng)功率不可選擇。防除冰系統(tǒng)按照適航條例范圍規(guī)定的最嚴(yán)重氣象條件設(shè)計，能耗很大，當(dāng)熱氣防除冰系統(tǒng)開啟時，即使是大型運輸機這類大功率飛機，也可能占用發(fā)動機高達(dá)1/3的引氣量，在輕度結(jié)冰情況下，這種過度保護會嚴(yán)重影響飛機的經(jīng)濟性和飛行性能。

按照結(jié)冰位置及其導(dǎo)致性能惡化的嚴(yán)重程度對飛機結(jié)冰程度進行合理的分類分級，基于結(jié)冰等級開展結(jié)冰邊界保護，可解決現(xiàn)階段飛機結(jié)冰防護效率優(yōu)化的問題。根據(jù)各級結(jié)冰的具體特點，采取分區(qū)、分級等相應(yīng)的防護措施，將有效的能量進行優(yōu)化配置，可提高飛機結(jié)冰防護的精細(xì)化程度，避免過度保護以及保護力度不夠的問題，有利于突出重點，合理利用資源，提髙飛機結(jié)冰防護的整體防護水平，高效、可靠地保障飛機在結(jié)冰條件下的飛行安全。

3.3 按照操縱應(yīng)對影響程度劃分

飛機結(jié)冰條件下飛行時，由于操縱效應(yīng)以及不同飛行參數(shù)的相互影響，會導(dǎo)致邊界附近會有一個介于“安全”與“不安全”之間的模糊區(qū)，按照操縱應(yīng)對影響程度對飛行安全邊界進行進一步細(xì)分，可以為在這一模糊區(qū)的操縱策略提供指導(dǎo)，在這種更加精細(xì)的邊界理論指導(dǎo)下，適當(dāng)?shù)牟倏v組合方式可能能夠緩解一部分飛機氣動和飛行性能的惡化，使得飛機的飛行安全邊界參數(shù)可以適當(dāng)擴大，提高相應(yīng)參數(shù)的安全范圍；同時，由于模糊區(qū)與操縱應(yīng)對等因素相關(guān)，并非絕對安全的區(qū)域，盡管模糊區(qū)的邊界保護可以提高參數(shù)的安全范圍，結(jié)冰環(huán)境下操縱的優(yōu)化選擇應(yīng)該是盡快遠(yuǎn)離模糊區(qū)。

4 飛機結(jié)冰邊界研究中的關(guān)鍵問題及可能的解決策略

通過系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，獲得結(jié)冰致災(zāi)各鏈路的邊界，可以取得飛機結(jié)冰及其致災(zāi)機理認(rèn)知上的突破，為飛機防除冰系統(tǒng)設(shè)計、操縱應(yīng)對、適航方案制定、航路規(guī)劃等提供理論依據(jù)。但是，現(xiàn)階段各邊界的精確確定還缺乏相應(yīng)的成熟方法，有一系列關(guān)鍵問題急需取得突破。

4.1 飛行安全邊界的確定方法

結(jié)冰破壞了飛機原有的氣動外形，結(jié)冰后的流動表現(xiàn)出強烈的非定常、非線性和隨機性，進而產(chǎn)生異常的氣動力和力矩，飛機的操縱性、穩(wěn)定性等飛行力學(xué)特性被破壞，姿態(tài)和飛行狀態(tài)的變化又反作用于流場。結(jié)冰條件下非定?？諝鈩恿W(xué)和非線性飛行力學(xué)的耦合作用，及其與飛行安全之間復(fù)雜作用過程和規(guī)律的把握，以及對應(yīng)的飛行安全邊界確定方法是邊界研究中必須解決的一個關(guān)鍵問題。

建立空氣動力學(xué)、飛行力學(xué)相結(jié)合的飛行安全邊界動態(tài)分析理論和方法，是突破這一挑戰(zhàn)性問題的可行途徑，也是飛機結(jié)冰多重安全邊界問題需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，方案如下：采用高精度CFD仿真算法，研究結(jié)冰導(dǎo)致的非定常動態(tài)響應(yīng)力學(xué)效應(yīng)特點，分析結(jié)冰導(dǎo)致的復(fù)雜非定常流動特性，獲得非定常特征量隨時間尺度的變化規(guī)律以及結(jié)冰外形、旋渦運動、周圍流場間的相互作用關(guān)系；進一步基于穩(wěn)定流形的穩(wěn)定域分析方法，獲得結(jié)冰后飛機穩(wěn)定邊界上的不穩(wěn)定平衡點，以及該平衡點的穩(wěn)定流形，這些不穩(wěn)定平衡點的穩(wěn)定流形包圍形成了飛機飛行狀態(tài)下的安全邊界；另外，應(yīng)用穩(wěn)定性理論，構(gòu)造適用于結(jié)冰飛機非線性穩(wěn)定域求解的Lyapunov能量函數(shù)，并盡量減少其保守性，也可獲得飛機結(jié)冰后的飛行安全邊界[70-73]。

4.2 冰形邊界和氣象邊界的確定方法

覆冰會改變飛機的氣動外形，導(dǎo)致飛行安全邊界發(fā)生變化，嚴(yán)重的情況甚至導(dǎo)致飛機完全失去安全飛行范圍。按照結(jié)冰影響鏈路開展研究，首先必須基于氣象、飛行參數(shù)得到結(jié)冰冰形；然后分析結(jié)冰對飛行安全邊界的影響，當(dāng)飛行安全邊界縮小到極限時，則可對應(yīng)得到冰形邊界和氣象邊界。不同氣象、飛行條件下，冰形及其對氣動特性的影響存在非線性、不連續(xù)性，且氣象、飛行參數(shù)組合所對應(yīng)的冰形具有海量的狀態(tài)，用解析方法進行數(shù)值求解獲得冰形邊界和氣象邊界，不僅計算量極大，且存在很大的不確定性。如何解決氣象-冰形-氣動鏈路中的非線性、不連續(xù)性等問題，建立冰形邊界和氣象邊界的確定方法，是飛機結(jié)冰多重安全邊界的一大挑戰(zhàn)和難題。

發(fā)展從飛行安全邊界拓展到其他屬性邊界研究的反分析理論和方法，可能是解決這一難題的可行方法。具體方案如下：基于空氣動力學(xué)、飛行力學(xué)相結(jié)合的飛行安全邊界動態(tài)分析理論和方法獲得飛機結(jié)冰條件下的飛行安全邊界，提煉冰形的特征量，發(fā)展冰形參數(shù)化描述方法，建立冰形-氣動-飛行的數(shù)理模型，結(jié)合飛行安全邊界，采用反分析的理論和方法得到冰形邊界；發(fā)展飛機結(jié)冰特性精確分析的數(shù)值仿真和實驗理論和方法，結(jié)合冰形參數(shù)化理論及反分析方法，獲得相應(yīng)的氣象邊界。

4.3 多重安全邊界研究及應(yīng)用過程中的其他關(guān)鍵問題

各重邊界的確定以及邊界的應(yīng)用過程還存在一些其他附屬的關(guān)鍵問題需要解決，如精確可靠地獲得不同狀態(tài)下的飛機結(jié)冰冰形問題、安全邊界應(yīng)用過程中對氣象和冰形參數(shù)的實時定量監(jiān)測問題等。

1) 如何精確可靠地獲得不同狀態(tài)下的飛機結(jié)冰特性

結(jié)冰特性是開展飛機結(jié)冰安全邊界研究的基礎(chǔ)，飛機結(jié)冰特性的精確獲取是飛行安全邊界、冰形邊界及氣象邊界等各種類型邊界研究的前提。結(jié)冰與飛機的構(gòu)型、氣象參數(shù)、飛行條件、防除冰效應(yīng)等因素密切相關(guān)，而現(xiàn)階段對飛機結(jié)冰機理的研究還不夠深入，如何精確地獲取多因素綜合作用下的飛機結(jié)冰特性，是目前結(jié)冰邊界研究中面臨的一大挑戰(zhàn)，飛機結(jié)冰特性的精度和可靠性問題是支撐飛機邊界研究成果有效性的關(guān)鍵問題。

發(fā)展考慮防除冰效應(yīng)的飛機結(jié)冰特性精確分析的數(shù)值仿真和實驗理論和方法，是解決這一難題的可行途徑?，F(xiàn)階段，飛機結(jié)冰特性的獲取有數(shù)值仿真和冰風(fēng)洞試驗兩種主要研究手段[74]。一方面，采用結(jié)冰試驗臺試驗結(jié)合理論分析的方法，開展飛機結(jié)冰過程的過冷水滴動力學(xué)效應(yīng)、結(jié)冰過程中的液膜流動、非平衡相變特征、復(fù)雜冰結(jié)構(gòu)等結(jié)冰機理研究，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)理模型，建立高精度的飛機結(jié)冰數(shù)值模擬方法，以之為研究工具，獲得對應(yīng)狀態(tài)下的飛機結(jié)冰特性；另一方面，發(fā)展結(jié)冰風(fēng)洞中噴霧系統(tǒng)控制和測量、水滴粒徑和過冷度控制和評估、液態(tài)水含量均勻度控制等試驗技術(shù)，并對結(jié)冰風(fēng)洞試驗中的結(jié)冰相似準(zhǔn)則等基礎(chǔ)理論開展全面研究，采用結(jié)冰風(fēng)洞試驗的手段對飛機結(jié)冰特性數(shù)值分析結(jié)果進行進一步的驗證與分析。

2) 結(jié)冰安全邊界應(yīng)用過程如何實時定量的監(jiān)測氣象、冰形參數(shù)

結(jié)冰實時監(jiān)控測量和及時反饋是基于多重安全邊界的飛機操縱應(yīng)對的基本依據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性對結(jié)冰安全邊界的應(yīng)用有決定性影響。目前的飛機結(jié)冰在線監(jiān)測分析理論還很不完善，結(jié)冰檢測儀器主要是起到“指示器”的預(yù)警作用，不能定量給出結(jié)冰的具體位置和冰形，以及所處結(jié)冰環(huán)境的精確氣象參數(shù)。實時定量的監(jiān)測氣象、冰形參數(shù)是結(jié)冰安全邊界真正服務(wù)于工程實際，充分、有效地發(fā)揮多重安全邊界對結(jié)冰后操縱應(yīng)對理論指導(dǎo)作用的關(guān)鍵。

發(fā)展冰形、氣象的實時定量監(jiān)測，以及遠(yuǎn)程氣象參數(shù)探測的理論、方法和技術(shù)，并取得相關(guān)方面的突破，可能是解決這一難題的可行思路和方向。具體方案如下：首先，在常規(guī)結(jié)冰探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)小型化的結(jié)冰傳感器，并進一步提高傳感器的量程、靈敏度以及抗干擾能力，發(fā)展基于多點定量測量結(jié)合結(jié)冰在線仿真模型驗算，定量獲得結(jié)冰冰形的在線監(jiān)測方法，為結(jié)冰邊界、飛行安全邊界的應(yīng)用提供輸入條件；其次，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)和結(jié)冰數(shù)值仿真技術(shù)，發(fā)展結(jié)冰氣象遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，這種實時性和預(yù)警前瞻性的探測方法可以為氣象邊界的應(yīng)用提供支撐。

5 結(jié)束語

對飛機結(jié)冰安全邊界保護研究進行綜述與分析；提出飛機結(jié)冰多重安全邊界保護的概念；闡述了飛機結(jié)冰各重邊界在飛機設(shè)計、適航認(rèn)證、飛行操縱、航路規(guī)劃、分級優(yōu)化保護等方面的應(yīng)用方式；提出了和多重安全邊界相關(guān)的幾個關(guān)鍵問題。相關(guān)方面的突破可以為科學(xué)預(yù)防、控制與消除飛機結(jié)冰災(zāi)害提供支撐與參考。

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(責(zé)任編輯： 李明敏)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161110.1418.008.html

Multiplesafetyboundariesprotectiononaircrafticing

GUIYewei1,ZHOUZhihong1,2,*,LIYinghui3,XUHaojun3

1.StateKeyLaboratoryofAerodynamics,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China2.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China3.AeronauticsandAstronauticsEngineeringCollege,AirforceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China

Boundaryprotectionisveryimportanttoguaranteethesafetyofaircraft.Currentresearchonboundaryprotectionbasedonflightdynamicsdoesnottakeintoconsiderationofallthefactorsofaircraftdisasterbyice.Inthispaper,thecurrentresearchstatusandprogressofaircrafticingsafetyarereviewed.Theinfluencingfactorsofdisasterbyiceandthelawsareanalyzed.Theconceptofmultiplesafetyboundariesoficedaircraftispresented.Safetyboundaryinaircrafticingisdividedintothreetypesboundaryofweather,boundaryoficeshapeandboundaryofflightperformance.Accordingtodifferentfactorssuchasthedegreeofdeteriorationofflightperformanceandtheimpactofflightcontrol,eachboundaryisfurtherdividedintoanumberofboundaries.Somekeyproblemsofresearchonmultiplesafetyboundaryprotectioninaircrafticingarefurtheranalyzedtoobtainsomedirectionsforfurtherrelevantresearch.Thisstudycanprovidesomereferencefortheapplicationsofaircraftdesign,airworthinesscertification,flightcontrol,routeplanning,andoptimizationofprotectionrating.

aircraft;icing;boundary;iceshape;icingmeteorologicalconditions;multiple;icingprotection

2016-08-29；Revised2016-08-31；Accepted2016-10-26；Publishedonline2016-11-101418

s：NationalBasicResearchProgramofChina(2015CB755800)；NationalNaturalScienceFoundationofChina(11172314)

.E-mailzhouzhihong029@163.com

2016-08-29；退修日期2016-08-31；錄用日期2016-10-26； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2016-11-101418

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161110.1418.008.html

國家“973”計劃 (2015CB755800); 國家自然科學(xué)基金 (11172314)

.E-mailzhouzhihong029@163.com

桂業(yè)偉， 周志宏， 李穎暉， 等． 關(guān)于飛機結(jié)冰的多重安全邊界問題J． 航空學(xué)報,2017,38(2):520723.GUIYW,ZHOUZH,LIYH,etal.MultiplesafetyboundariesprotectiononaircrafticingJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(2):520723.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0280

V21

A

1000-6893(2017)02-520723-12