結冰對飛機飛行安全的影響與防護技術分析

孔繁文

摘 要：隨著我國航空事業(yè)不斷發(fā)展，近些年飛機結冰問題造成事故頻問題也愈加嚴重，嚴重影響飛機飛行的安全性。這就需要重視結冰對飛機飛行安全的影響，并采用相關防護技術，降低飛機飛行的結冰率或減少結冰對飛機飛行安全的影響?；诖耍恼轮攸c探究飛機飛行結冰的機理和對飛機飛行的安全影響，進而提出了飛機飛行結冰防護技術。

關鍵詞：結冰；飛機飛行；安全影響；防護技術

中圖分類號：V328 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0069-02

Abstract： With the development of aviation industry in China， the problem of aircraft icing has become more and more serious in recent years， which seriously affects the safety of aircraft flight. Therefore， it is necessary to pay attention to the impact of icing on aircraft flight safety， and adopt relevant protection technology to reduce the rate of icing or reduce the impact of icing on aircraft flight safety. Based on this， this paper focuses on the mechanism of aircraft flight icing and the safety impact on aircraft flight， and then puts forward the aircraft icing protection technology.

Keywords： icing； aircraft flight； safety impact； protection technology

引言

飛機表面結冰是飛機飛行中非常普遍存在的安全隱患，嚴重會造成飛機飛行墜毀問題。飛機表面結冰會造成氣流氣壓紊亂，而飛機飛行需要氣流與氣壓保持的平衡性，失衡會造成飛機失速。特別是在民用飛機當中，如737/787型號飛機等，如果結冰可能造成機毀人亡，造成的后果不敢想象。再者，我國由于國土面積大、氣候條件不同，如果氣象條件惡劣在很大程度上會導致飛機結冰。我國民航事業(yè)發(fā)展非常迅速，航班次數增加，這就提高了飛機冰凍概率，所以加強飛機結冰問題的研究勢在必行。

1 飛機結冰及其安全影響

結合飛機的不同飛行狀態(tài)，可以將飛機結冰劃分為地面結冰和飛行結冰，飛行結冰概率往往會達到90%以上。顧名思義，地面結冰就是飛機地面停放、起飛滑跑階段，由于降水和溫度較低的自然因素，導致飛機結冰，而地面結冰往往后續(xù)處理得當，事故發(fā)生幾率較低。技術人員需要定期對地面停留飛機進行安全檢查，如果結冰會采用地面除冰措施。如果飛機結冰沒有得到處理，在起飛階段就會大大提高安全隱患，如2004年包頭飛往上海的航班就是因為沒有事先除冰從而造成的墜毀，根據后續(xù)的持續(xù)調查，最終找到了墜毀原因，是飛機結霜且沒有進行除冰處理。飛行結冰就是在飛行過程中產生的結冰情況，由于飛機與快速氣流接觸會遇冷而產生結冰問題。這就需要機組成員第一時間找出飛機的異常相應，結合天氣情況、結冰情況等因素，采用相應的手段進行結冰處理，特別是在經過云層的時期，無論是哪種云，都是水汽的集合體，很容易造成結冰問題，由于這個環(huán)節(jié)時間較短、操作復雜，更容易造成飛行事故問題。如2006年某型號運輸機在多次穿越結冰區(qū)產生產品失速墜毀問題。

2 飛機結冰機理分析

2.1 結冰條件分析

我們仰望天空看到的云就是水蒸氣達到飽滿后所形成的水汽體，其成分是小水滴或小冰晶，水滴在0℃以下時，就會和冰核凝結成小冰晶。如果云中的冰核不足，就無法形成冰晶而是溫度低的小水滴，也就是冷水滴。如果氣溫在-15℃以上時，云中有效冰核數量就很少，如果溫度在-40℃以下時，冷水滴不需要冰核不需要冰核即可形成冰水融合體，與飛機相遇會直接以冰的形態(tài)落實機表上。

2.2 凍結過程

飛機結冰主要是包括三種原因：（1）空氣冷水滴過多，與飛機迎面接觸產生碰撞，從而導致結冰；（2）空氣冰晶與飛機相遇直接附著表面成冰；（3）如果飛機表面溫度低于0℃，在

水蒸氣較多的環(huán)境中就會結冰。飛行結冰是由于飛機表體沾染冷水滴，再加上飛行速度較快降低溫度，從而造成家結冰?？諝庵械睦渌斡捎诖嬖趹T性，不會繞開阻礙面會直接碰撞?；谖锢碓砜芍?，速度較快的位置氣壓低，飛機在飛行中會受到空氣壓強影響，一部分冷水滴就會附著（壓）在機表上，另一部分返回空氣中，從而產生結冰問題。

2.3 結冰種類

不同氣象條件和飛行條件會造成不同的結冰類型。大致可以劃分為明冰、霜冰、混合冰、干積冰、積霜。其中，積霜與干積冰是在飛機飛行過程中很少發(fā)生，在飛機停放階段可能出現結冰問題，也就是一種自然結冰，這種結冰形態(tài)往往通過人力即可解決，這就需要將積霜黑客干積冰清除后才可以起飛，由于其對飛機飛行階段影響不大，所以不做多贅述。

機表上所形成的霜冰不平整、質地稀松，通常情況下結冰形狀和我們日常生活中所看到的霜非常相似。在溫度為-10℃以下的云層中，這時云層中的水分含量低，更多是一種霜水結合體，粘附性非常強，與飛機相接觸后會迅速凍結，由于是一種霜水融合體，流動性較差，冰層也更加粗糙，對飛機整體氣流傳動影響非常大。此外，在飛機溫度從非常高的空中快速下降會受到溫暖的空氣，并且水蒸氣密度增加，這時冷熱相遇就會導致未飽和的水蒸氣凝結成冰，如在冰冷的鋼管上滴水會瞬間成冰。雖然冰霜厚度小，但是會對機體周圍的氣流產生影響，危險相對來說不大。

明冰就是在飛機表面上形成透明光滑、堅硬的冰層，與我們日常生活中見到冰層相近。飛機飛行中穿越了含水量較大、溫度較低的云層時，溫度較低、水滴較多、凍結速度也會變慢，之后慢慢形成可見冰，也就是常態(tài)冰。這種冰更加牢固，聚集厚度大，即使在除冰時也無法快速處理干凈，再加上機表冰層形狀各異，嚴重影響了飛機的氣動外形，擾亂了機表流場，這對飛機安全飛行會嚴重極大的影響。多種結冰事故都是由明冰造成的。

混合冰兼顧了明冰和霜冰的特點，通常在-15～-5℃的云層中，存在大小不一、水冰不融的冷水滴，兼顧了大小水滴的特點。并且云中可能含有冰晶，由于冷水滴與冰晶結合凍結，最終出現了表面粗糙且不透明的混合冰?；旌媳砻娲植诓黄?、形狀各異，會影響結冰位置的氣流場，再加上混合冰也非常堅固，因此對飛機安全飛行會造成極大的影響，相比明冰來說是有過之而無不及。

3 防冰、除冰的方法

由于飛機結冰會對飛機飛行造成非常大的影響，這就需要采用相關手段避免結冰，需要結合不同部位對結冰的敏感度。如今較為成熟的防除冰方法是防冰和除冰。（1）防冰。顧名思義就是避免飛機結冰，特別是積冰敏感的零部，需要采用預防結冰的方法，保證該位置在任何條件下都不會出現結冰問題。（2）除冰。飛機飛行中，特別是在寒冷天氣中，不結冰是不可能的，所以可以在一些不敏感部位存積部分冰，并在后期進行清除。防除冰手段較多，可以劃分為液體防冰、物理除冰、起熱防除冰、電熱防除冰等。其主要表現在：

3.1 物理除冰

物理除冰主要是通過蒙皮振動從而讓機表冰層松動、震烈，從而將積冰在機表面上脫離，由于飛機表體結冰短時間內是薄薄一層，因此較脆，振碎脫落是除冰的一種渠道。通常情況下，可以在防護區(qū)下鋪設膠皮管間斷充氣、放氣實現蒙皮振動，由于皮管彈性縮放即會產生不規(guī)則振動情況。當然超聲波振動方法也是不錯的選擇；靜電所產生的高能量脈沖讓蒙皮彈性變形實現快速鼓動。以上這些方法都可以起到除冰作用，但是會影響飛機氣動性，所以當今很少采用。

3.2 液體防冰

地面和飛行過程中都可以采用液體防冰方法。地面防冰需要地勤人員在飛機沒有起飛之前或沒有運行前，在機身噴涂防冰液，讓機表形成一層防冰膜，即使冷水滴與防冰膜接觸也難以形成積冰。飛行液體防冰是指在飛機指定部位噴涂防冰液，利用飛機的氣流慣性、螺旋槳離心作用，將防冰液均勻的涂抹在機表上，可以降低冷水滴的冰點（也就是即使飛行溫度在0℃以下也會呈現出液體狀態(tài)，不會結冰）。常見的防冰液有乙烯乙二醇、乙醇、甲醇等，這些液體都有一個特點就是凝固點低。液體防冰會讓飛機上的水一直呈現為流體狀，即使停止供液在一段時間內也可以避免產生結冰現象。本文建議要以地面防冰技術為主。這是因為飛行防冰中， 液體消耗量大、增加飛機負重。

3.3 氣熱防除冰

氣熱防除冰也就是通過加熱從而起到防除冰效果的一項技術。噴氣式發(fā)動機飛機多是采用汽油加熱器作為熱氣源，所以會增加一定的能源損耗。氣熱防冰依據加熱效果可以劃分為濕防冰、干防冰兩種形式。其中，干防冰是對保護區(qū)域進行連續(xù)加熱，這樣保護區(qū)生結冰現象或積冰現象幾率幾乎為零；濕防冰是通過持續(xù)加熱讓保護區(qū)域無法形成結冰條件，也就是將水量蒸發(fā)。通過二者對比可以發(fā)現，干防冰所需熱量大，多用于敏感區(qū)域或容易結冰區(qū)域，例如掛架和發(fā)動機前緣等位置；濕防冰所需熱量較少，容易在除冰之后產生冰瘤，防護面整體上呈濕潤狀態(tài)，因此應用在不敏感、少結冰的位置，包括風擋、機翼、尾翼等部位。氣熱防除冰技術從壓氣機處引氣，實施起來較為困難，如果結冰問題嚴重，需要大量能源提供熱量，造成發(fā)動機能量不足。如737/787型號飛機機翼和尾翼采用氣熱防除冰技術中，為了避免引氣過多造成發(fā)動機功率下降問題，通?？梢赃x擇機翼、尾翼交替除冰的方法。

3.4 電熱防除冰

該項技術是將電能轉化為熱能， 通過對電能加熱防護區(qū)域，從而實現防除冰目的。對于不允許積冰或耗電較小的部件，可以采用連續(xù)供電加熱，包括風擋、空速管等部位；對于少量積冰或耗能較大的位置，可以采用周期供電加熱的方法，包括機翼和尾翼等。電熱防冰技術由于操作簡單、動力損失小、加熱均勻、防除冰效率快等優(yōu)勢，因此使用較為廣泛，特別是電熱系統(tǒng)除冰，由于可以實現數值模擬、精準控制，所以是飛機防除冰發(fā)展的一大趨勢。

4 結束語

飛機飛行防除冰技術對飛機安全飛行有著重要意義。本文提出了結冰對飛機飛行的安全危害，闡述了飛機結冰機理，并介紹了幾種飛機防除冰的方法，旨在降低飛機飛行中的結冰危害。

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