嚴酷結(jié)冰氣象條件下臨界冰形的確定方法

趙鐵英

摘要：嚴酷結(jié)冰氣象條件是指FAR25部第140號修正案（Amdt.25-140）給出的結(jié)冰氣象條件，美國聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局（CAAC）均建議并計劃對航空器實施該類結(jié)冰氣象條件下的適航性要求。本文重點介紹了該修正案中提出的結(jié)冰氣象條件中各相關(guān)氣象參數(shù)的要求和規(guī)定，并對部分參數(shù)進行了初步研究。同時還探討了在嚴酷結(jié)冰氣象條件下飛機機翼前緣臨界冰形的確定方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰氣象條件，臨界冰形;過冷大水滴

中圖分類號：V212.1 文獻標識碼：A

飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，在飛機的迎風表面會形成冰積聚，即飛機發(fā)生結(jié)冰。飛機的表面結(jié)冰會破壞飛機的氣動外形，降低飛機的升阻比，威脅飛機的飛行安全。

以往（FAR25部第140修正案（Amdt.25-140修正案頒布之前）開展民用航空器結(jié)冰研究時采用的結(jié)冰氣象條件通常是中國民用航空規(guī)章第25部R4版中附錄C規(guī)定的“連續(xù)最大結(jié)冰”和“間斷最大結(jié)冰”結(jié)冰條件，涉及到的最大平均水滴直徑在50μm以下。Amdt.25-140修正案對民用飛機結(jié)冰的氣象條件提出了更加嚴酷的條件[1]，要求將在飛機表面形成結(jié)冰的云層中的液態(tài)水滴直徑尺寸最大增大到1000μm，并計劃在未來的25部適航規(guī)章中增加25.1420條和附錄O（主要是過冷大水滴）等相應(yīng)的適航性要求。這些適航性要求對從事飛機結(jié)冰研究的技術(shù)人員而言是新的要求，也是較為嚴峻的考驗。因此，應(yīng)盡早開展相關(guān)的研究，掌握滿足相關(guān)適航性要求的設(shè)計和符合性驗證方法，促進國內(nèi)民用航空器防除適航性設(shè)計和驗證技術(shù)的快速發(fā)展。

1 常規(guī)結(jié)冰氣象條件

在美國聯(lián)邦航空局（FAA）正式頒布Amdt.25-140《飛機和發(fā)動機合格審定要求：過冷大水滴、混合相、冰晶結(jié)冰氣象條件》修正案之前，關(guān)于運輸類飛機結(jié)冰氣象條件的規(guī)定，依據(jù)的均是FAR25部的附錄C第I部分“大氣結(jié)冰條件”。在該附錄中對需要進行結(jié)冰影響符合性驗證的飛機，影響其結(jié)冰速率、結(jié)冰量及結(jié)冰形狀的氣象條件主要是指云層液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三類氣象條件變量[2]。

1.1 連續(xù)最大結(jié)冰

大氣結(jié)冰狀態(tài)的連續(xù)最大強度（連續(xù)最大結(jié)冰）由云層（主要為層云結(jié)構(gòu)）液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三個變量決定。在該結(jié)冰氣象條件適用范圍是：氣壓高度從海平面到6700m高度處;最大云層垂直厚度為1980m;云層覆蓋的水平標準距離為32.22km（大于該距離可用系數(shù)進行修正）。具體到前面提到的三個變量，其取值范圍為液態(tài)水含量為0.0～0.8g/m³;平均有效水滴直徑為15～40μm;結(jié)冰溫度范圍為-30～0℃。

1.2 間斷最大結(jié)冰

大氣結(jié)冰狀態(tài)的間斷最大強度（間斷最大結(jié)冰）由云層（主要為積云結(jié)構(gòu)）液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和周圍空氣溫度三個變量決定。在該結(jié)冰氣象條件適用范圍是：氣壓高度1200～6700m;由于積云的結(jié)構(gòu)特點，最大間斷強度結(jié)冰條件未規(guī)定最大云層垂直厚度;云層覆蓋的水平標準距離為4.82km（大于該距離可用系數(shù)進行修正）。具體到前面提到的三個變量，其取值范圍為液態(tài)水含量為0～3.0g/m³;平均有效水滴直徑為15～50μm;結(jié)冰溫度范圍為-40°F（-40℃）～26°F（-3.33℃）。

1.3 最大起飛結(jié)冰

起飛時最嚴重的結(jié)冰條件（最大起飛結(jié)冰）為云中水含量0.35g/m³，平均水滴直徑20μm，地面環(huán)境溫度-9℃。最大起飛條件從地面延伸到起飛表面上457m的高度。

1.4 各種參數(shù)對結(jié)冰情況的影響

上述結(jié)冰氣象條件影響的主要是結(jié)冰速率，對結(jié)冰量和結(jié)冰形狀進行研究時還需要增力口結(jié)冰時間、迎角和飛行速度等參數(shù)[3]。上述參數(shù)對飛機結(jié)冰冰形的影響及關(guān)系如下：（1）當云層的液態(tài)水含量與時間的乘積為常數(shù)時，結(jié)冰的冰形和厚度不變;（2）當水滴直徑、液態(tài)水含量、環(huán)境溫度和迎角固定時，結(jié)冰的冰形隨時間的延長而增厚;（3）當上述參數(shù)固定，而速度和時間的乘積為常數(shù)時，結(jié)冰厚度不變，但形狀不同;（4）當水滴直徑、液態(tài)水含量、環(huán)境溫度和時間固定，而改變迎角時，會得到完全不同的冰形，機翼翼型駐點也會發(fā)生明顯的改變。

2 嚴酷結(jié)冰氣象條件

在FAA的Amdt25-140修正案頒布之前，最嚴酷的結(jié)冰氣象條件為FAR25部附錄C中規(guī)定的“間斷最大結(jié)冰”，其最大的液態(tài)水含量可達到3.0g/m³，最大水滴直徑可大50μm。但這樣的氣象條件已經(jīng)無法完全涵蓋已知的結(jié)冰氣象條件的范圍。在Amdt25-140修正案中給出的附錄O中對目前為止最嚴酷的結(jié)冰氣象條件進行了規(guī)定，最嚴酷的結(jié)冰氣象條件即過冷大水滴結(jié)冰條件包括發(fā)生于層云中或?qū)釉葡碌膬雒旰蛢鲇?，其最大的水滴直徑的極限可達1000μm以上。

2.1 凍毛毛雨結(jié)冰氣象條件

凍毛毛雨結(jié)冰氣象條件的最大水滴直徑處于100～500μm范圍內(nèi);壓力高度范圍為0～7600m（基于平均海平面的高度）;云層的最大垂直范圍為3660m;水平范圍為32.22km;液態(tài)水含量最大為0.44g/m³;環(huán)境溫度范圍為-25～0℃，如圖1～圖3所示。

2.2 凍雨結(jié)冰氣象條件

凍雨結(jié)冰氣象條件的最大水滴直徑處于大于500μm;壓力高度范圍為0～3660m（基于平均海平面的高度）;云層的最大垂直范圍為2130m;水平范圍仍為3222km;液態(tài)水含量最大為0.31g/m³，環(huán)境溫度范圍為-3～0℃，如圖4～圖6所示。

2.3 水平范圍的確定

對于水平范圍非標準距離32.22km的凍毛毛雨和凍雨的液態(tài)水含量，用下列方法確定：用圖1或圖4的液態(tài)水含量值乘以圖7的系數(shù)。系數(shù)用下列方程確定：

S=1.266-0.213log10（H/1.852）式中：S為液體水含量比例因子（無量綱）;H為水平范圍，單位為kn。

3 嚴酷結(jié)冰氣象條件下臨界冰形的確定

對適航審定結(jié)冰情況的飛機，如果其最大起飛總重量低于600001b（11b=0.454kg）或有直接力反饋飛行操縱系統(tǒng)，則需按嚴酷氣象條件進行結(jié)冰符合性驗證，其他情況則可仍按25部附錄C的結(jié)冰氣象條件驗證結(jié)冰條件下的條款符合性。開展結(jié)冰對飛機的每個飛行階段的性能和操縱品質(zhì)的影響的分析和評估，需采用最臨界的冰積聚情況，即采用臨界冰形來表明飛機在B分部相應(yīng)條款在結(jié)冰條件下的符合性。

3.1 起飛形態(tài)下的臨界冰形的確定

按25.1420（a）（2）或（3）審定的飛機需考慮起飛形態(tài)下的臨界冰形，起飛形態(tài)下的結(jié)冰分為兩個階段，一是起飛結(jié)冰，另一個為起飛最后階段結(jié)冰，具體的確定要求如下：

（1）起飛結(jié)冰

起飛結(jié)冰發(fā)生在從起飛距離末端（即飛機速度達到安全起飛速度，飛機距離起飛表面10.7m高度那一點）到高于起飛表面122m之間的飛行階段，并假定起飛結(jié)冰為按附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰條件下始于起飛末端的冰積聚。必須假定在飛機達到高于起飛表面122m前不會采取動作啟動防冰系統(tǒng)[4]。

（2）起飛最后階段結(jié)冰

起飛最后階段結(jié)冰為從高于在起飛表面122m到高于起飛表面457m或完成從起飛構(gòu)型到航路構(gòu)型轉(zhuǎn)變的高度或飛機達到最終起飛速度V_FTO時的高度，這三個高度中取大者。假定冰積聚開始于起飛距離末端，結(jié)冰條件按附錄Opart Ⅰ的定義。必須假定在飛機達到高于起飛表面122m前不會采取動作啟動防冰系統(tǒng)。

3.2 航路形態(tài)下的臨界冰形的確定

按最新的適航性要求，航路形態(tài)下的臨界冰形可按兩種情況確定：

（1）按25.1420（a）（1）審定的飛機，該類飛機有能力探測到正處于附錄O part Ⅰ的結(jié)冰氣象條件下飛行時，應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件，只要求在撤離過程中飛機能安全飛行。在確定該航路冰形時的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件。

（2）按25.1420（a）（2）審定的飛機，該類飛機有能力探測到飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件超出了附錄O part Ⅰ中規(guī)定的那類結(jié)冰氣象條件時，應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件，只要求在撤離過程中飛機能安全飛行。在確定該航路冰形時的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄O part Ⅰ中給定的結(jié)冰氣象條件。

上述兩種情況下確定的結(jié)冰只是航路結(jié)冰的一部分，還應(yīng)加上在附錄O partⅡ（b）（5）中定義的探測前結(jié)冰，以及飛機在兩種云團之間過渡的冰積聚。

3.3 待機形態(tài)下的臨界冰形的確定

按最新的適航性要求，待機形態(tài)下的臨界冰形可按兩種情況確定：

（1）按25.1420（a）（1）審定的飛機，該類飛機有能力探測到正處于附錄O part Ⅰ的結(jié)冰氣象條件下飛行時，應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件，只要求在撤離過程中飛機能安全飛行[5]。在撤離過程中的冰積聚的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件即可。

（2）按25.1420（a）（2）審定的飛機，該類飛機有能力探測到飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件超出了附錄O part Ⅰ中規(guī)定的那類結(jié)冰氣象條件時，應(yīng)立即撤離該結(jié)冰氣象條件，在撤離過程中只要求飛機能安全飛行。相應(yīng)的撤離過程中的結(jié)冰氣象條件可選擇附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件。若探測的結(jié)果是飛行環(huán)境的結(jié)冰氣象條件未超出附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰氣象條件，則飛機需在該結(jié)冰條件下飛行相應(yīng)的時間，以保證可以結(jié)出足夠的冰。在確定該待機過程冰形的結(jié)冰氣象條件時可選擇附錄O part Ⅰ中給定的結(jié)冰氣象條件。

在附錄O part ⅠI（b）（2）中規(guī)定“待機結(jié)冰要求的總暴露時間不需要超過45min”;在附錄O partⅡ（c）（4）中規(guī)定“待機飛行階段為，按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰條件，在一個水平范圍32.22km的云團內(nèi)飛行45min”。關(guān)于飛機未防護表面結(jié)冰驗證時間的問題，國外適航權(quán)威機構(gòu)的觀點是兩種：一是未防護表面的最大結(jié)冰厚度不超過76.2mm，二是結(jié)冰氣象條件下飛行45min。目前FAA、歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局（CAAC）等適航當局均傾向于前者，即以飛機的未防護表面最大結(jié)冰厚度達到76.2mm為標準，達到則認為滿足試驗要求，結(jié)束試驗。這種觀點對于嚴酷結(jié)冰氣象條件尤為適用，因為這樣的結(jié)冰氣象條件下飛機未防護表面在很短的時間內(nèi)就會結(jié)出滿足要求的結(jié)冰厚度，因此無需再等待45min。

上述兩種情況下確定的結(jié)冰只是待機結(jié)冰的主要部分，還應(yīng)加上在附錄O partⅡ（b）（5）中定義的探測前結(jié)冰，以及飛機在兩種云團之間過渡的冰積聚。

3.4 進場形態(tài)下的臨界冰形的確定

按相應(yīng)的適航性要求，進場形態(tài)下的臨界冰形的確定應(yīng)按附錄O partⅡ的（b）（2）段定義，或按附錄O partⅡ的（b）（3）（Ⅰ）或（Ⅱ）段要求確定的最嚴酷/最臨界的待機結(jié)冰情況。

（1）對按FAR25.1420（a）（1）審定的飛機，以巡航構(gòu)型，從附錄C的part Ⅰ定義的連續(xù)最大結(jié)冰條件的最大垂直結(jié)冰范圍高度（1981m）開始，下滑至高于著陸表面610m高度的冰積聚，加上轉(zhuǎn)換為進場構(gòu)型的冰積聚;再加上按附錄O partⅡ的（b）（5）段定義的探測前結(jié)冰以及飛機在兩種云團（云團為著陸表面之上610m高處，水平范圍32.22km）之間過渡的冰積聚。

（2）對按FAR25.1420（a）（2）審定的飛機，以巡航構(gòu)型，從附錄O part Ⅰ定義的最大垂直結(jié)冰范圍高度（凍毛毛雨的起始高度為3658m，凍雨的起始高度為2134m）開始，下滑至高于著陸表面610m高度的冰積聚，加上轉(zhuǎn)換為進場構(gòu)型的冰積聚。同時該類飛機還需再增加在著陸表面之上610m高度，按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰氣象條件下，水平飛行15min的冰積聚;再加上附錄O partⅡ的（b）（5）段定義的探測前結(jié)冰以及飛機在兩種云團（云團處于著陸表面之上610m處，水平范圍32.22km;一云團為附錄O part Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況）之間過渡的冰積聚。

3.5 著陸形態(tài)下的臨界冰形的確定

按相應(yīng)的適航性要求，著陸形態(tài)下的臨界冰形的確定應(yīng)按附錄O partⅡ的（b）（2）段定義，或按附錄O partⅡ的（b）（4）（Ⅰ）或（Ⅱ）段要求確定的最嚴酷/最臨界的待機結(jié)冰情況。

（1）對按FAR25.1420（a）（1）審定的飛機，以巡航構(gòu)型，在附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況下，從附錄C定義的最大垂直結(jié)冰范圍（1981m），下滑到高于著陸表面6100m的冰積聚，加在610m高度由巡航構(gòu)型過渡到進場構(gòu)型和以進場構(gòu)型在著陸表面以上610m高度飛行15min的冰積聚，再加從著陸表面以上610m下降到著陸表面以上61m高度處（含從進場構(gòu)型過渡到著陸構(gòu)型）的冰積聚;再加上附錄O partⅡ的（b）（5）段定義的探測前結(jié)冰以及飛機在兩種云團（云團處于著陸表面之上61m處，水平范圍32.22km;一云團為為附錄Opart Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況）之間過渡的冰積聚。

（2）對按FAR25.1420（a）（2）審定的飛機，在附錄OpartⅡ的（c）（5）（Ⅰ）定義的待機冰積聚條件下，加上按附錄O part Ⅰ定義的結(jié)冰條件下從高于著陸表面610m下滑到高于著陸表面61m，再加上在61m處轉(zhuǎn)換為著陸構(gòu)型過程的冰積聚，以及隨后按FAR25.119的最小爬升梯度的要求復飛，從高于著陸表面61m直到高于著陸表面610m，并在該高度以進場構(gòu)型飛行15min，然后以著陸構(gòu)型下滑到著陸表面（接地）為止，上述過程中的總的冰積聚;再加上附錄OpartⅡ的（b）（5）段定義的探測前結(jié)冰以及飛機在兩種云團（云團處于著陸表面之上61m處，水平范圍32.22km;一云團為為附錄O part Ⅰ規(guī)定的最臨界結(jié)冰條件。另一云團為附錄C的連續(xù)最大結(jié)冰情況）之間過渡的冰積聚。

3.6 探測前的冰積聚冰形形態(tài)的確定

探測前結(jié)冰是按附錄C part Ⅰ或附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰氣象條件下，在探測結(jié)冰氣象條件飛行情況（要求按FAR25.1420（a）（1）和（2）退出）之前的冰積聚。它是以前就存在的冰積聚，它可開始于結(jié)冰條件（批準飛機飛行）飛行，在進入結(jié)冰條件之后和要求退出之前，加冰情探測期間的冰積聚，再增加2min時間間隔的冰積聚（用于機組考慮采取措施，退出結(jié)冰情況，包括與空管的協(xié)調(diào)等消耗的時間）。對按FAR25.1420（a）（1）審定的飛機，對以前冰積聚的考慮必須基于附錄C的結(jié)冰條件。對按FAR25.1420（a）（2）審定的飛機，對以前冰積聚的考慮必須基于附錄C的更嚴酷結(jié)冰條件，或按附錄O part Ⅰ規(guī)定的結(jié)冰條件，但其前提是飛機能安全運行。

4 結(jié)束語

嚴酷結(jié)冰氣象條件的定義是基于FAA發(fā)布的Amdt.25-140中給出的即將補充到FAR25部中的附錄O“過冷大水滴結(jié)冰條件”part Ⅰ中規(guī)定的兩類“嚴酷”結(jié)冰氣象條件，該類結(jié)冰氣象條件較之前的結(jié)冰氣象條件最顯著的變化是“水滴直徑”范圍增加近20余倍。在對“嚴酷”結(jié)冰氣象條件進行詳細介紹的基礎(chǔ)上，對起飛、航路、待機、進場和著陸等飛行階段的最臨界結(jié)冰冰形的確定要求進行了詳細的說明。可為飛機結(jié)冰適航審定試驗提供參考。

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