基于水平距離形式的結(jié)冰包線研究

白曉慶 朱家樂 李盼

摘? 要：FAR25部附錄C定義的結(jié)冰包線將云層液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和環(huán)境溫度作為變量，將云層水平距離視為常量。然而在大多數(shù)情況下，飛機(jī)在飛行中遭遇的云層的水平距離比標(biāo)準(zhǔn)水平距離更短或更長，所以更為實(shí)用的結(jié)冰包線是基于液態(tài)水含量-水平距離形式的。該文介紹了FAR25部附錄C的形成背景及使用方法，并基于FAR25部附錄C的結(jié)冰包線，給出了不同連續(xù)最大結(jié)冰條件水平距離的液態(tài)水含量，同時(shí)繪制了環(huán)境溫度一定時(shí)和中位體積直徑一定時(shí)基于水平距離形式的結(jié)冰包線，為確定不同云層水平距離所對應(yīng)的液態(tài)水含量提供了一定的便利和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰包線? 水平距離? 液態(tài)水含量? 液態(tài)水含量系數(shù)

中圖分類號：V21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0069-05

FAR25部附錄C定義的結(jié)冰包線將云層液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和環(huán)境溫度作為變量[1]，將云層水平距離視為常量。在FAR25部附錄C中定義的連續(xù)最大結(jié)冰條件液態(tài)水含量-平均有效水滴的關(guān)系圖只適用于水平距離為17.4海里的冰云，間斷最大結(jié)冰條件液態(tài)水含量-平均有效水滴的關(guān)系圖只適用于2.6海里的冰云。

對于申請?jiān)诮Y(jié)冰氣象條件下飛行的運(yùn)輸類飛機(jī)，必須在測定的自然結(jié)冰條件下進(jìn)行飛行試驗(yàn)[2]。大多數(shù)情況下，在飛行中遭遇的冰云的水平距離會(huì)更短或更長。為了將飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)與附錄C的包線相比較，應(yīng)當(dāng)將飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均到與附錄C的包線相同的距離上，這種方法并不總是有效的，尤其是在遭遇的冰云水平距離比標(biāo)準(zhǔn)水平距離短的時(shí)候。使用FAR25部附錄C中的連續(xù)最大/間斷最大結(jié)冰條件液態(tài)水含量系數(shù)與云層水平距離曲線來調(diào)整平均遭遇的液態(tài)水含量，以得到在17.4海里或2.6海里的距離上的等效值是不合適的，應(yīng)當(dāng)使用連續(xù)最大/間斷最大結(jié)冰條件液態(tài)水含量系數(shù)與云層水平距離曲線來調(diào)整FAR25部附錄C的液態(tài)水含量曲線，以與飛行試驗(yàn)中得到的實(shí)際平均距離相匹配。

對冰云的平均有效水滴直徑的測量統(tǒng)計(jì)分析表明，平均有效水滴直徑比通常認(rèn)為的變化范圍要小得多。因此，與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的時(shí)候，水平距離可能是更有用的變量。

該文介紹了FAR25部附錄C的形成背景和使用方法，并基于FAR25部附錄C的結(jié)冰包線，給出了不同連續(xù)最大結(jié)冰條件水平距離的液態(tài)水含量，同時(shí)繪制了環(huán)境溫度一定時(shí)和中位體積直徑一定時(shí)基于水平距離形成結(jié)冰包線，為確定不同云層水平距離所對應(yīng)的液態(tài)水含量提供了一定的便利和指導(dǎo)。

1? FAR25部附錄C的形成背景

FAR25部附錄C從1964年開始使用，目的是選擇用于飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的結(jié)冰條件參數(shù)值。附錄C中給出的連續(xù)最大結(jié)冰條件，它們是運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的層云結(jié)冰條件。附錄C中給出的間斷最大結(jié)冰條件，代表對流云、積云的結(jié)冰條件。通常，連續(xù)最大結(jié)冰條件用于機(jī)體的結(jié)冰防護(hù)，如機(jī)翼、尾翼。間斷最大結(jié)冰條件適用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和導(dǎo)向葉片的結(jié)冰防護(hù)[3]。附錄C的結(jié)冰條件更側(cè)重于對飛機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并不包含全部的結(jié)冰特性。

按統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，F(xiàn)AR25部附錄C中的圖1和圖4涵蓋了在給定的冰云的水平距離、溫度、典型水滴直徑下，冰云中可能存在液態(tài)水含量概率的99%。對于圖1層云的標(biāo)準(zhǔn)水平距離為17.4海里，圖4中積云的標(biāo)準(zhǔn)水平距離是2.6海里，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水平距離選定主要是因?yàn)镹ACA在20世紀(jì)40年代進(jìn)行結(jié)冰研究的旋轉(zhuǎn)柱狀傳感器的覆蓋范圍分別為8.7海里和2.6海里，并沒有其他含義。在50年代初期，NACA和美國國家氣象局的研究人員對上面的結(jié)冰條件進(jìn)行了評估并形成了目前附錄C的基礎(chǔ)。

在結(jié)冰條件的運(yùn)用中，通常使用中位體積直徑或近似的變量——平均有效直徑來代表實(shí)際水滴大小的分布。中位體積直徑隨著每種不同大小的水滴數(shù)量的變化而變化，對于層云一般平均尺寸為15μm，積云為19μm。在冰形計(jì)算中，中位體積直徑已被用于替代實(shí)際分布式的水滴直徑[4]。

2? FAR25部附錄C的使用

目前，國內(nèi)外沒有一個(gè)綜合性指南來指導(dǎo)如何使用FAR25部附錄C，設(shè)計(jì)人員通常選用推薦的同飛行高度相應(yīng)的中位體積直徑和溫度從附錄C的圖1和圖4中獲得最大的液態(tài)水含量。

2.1 暴露距離的選擇

從FAR25部附錄C中的圖1和圖4中獲得的云層液態(tài)水含量值僅對標(biāo)準(zhǔn)水平距離17.4海里或2.6海里有效。這是由NACA研究人員推薦的用于結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“合適”距離。

如果需考慮更長或更短暴露距離，則需按照附錄C圖3和圖6的液態(tài)水含量系數(shù)與云層水平距離曲線來對液態(tài)水含量進(jìn)行修正，這主要因?yàn)楦L的距離將導(dǎo)致在暴露距離中更低的最大液態(tài)水含量值。例如：飛機(jī)穿越100海里的結(jié)冰層云，通過查圖3就可得到相應(yīng)的液態(tài)水含量系數(shù)為0.46，如給定的中位體積直徑和溫度分別是0.15μm和-10℃，那么在100海里水平距離范圍內(nèi)最大平均的液態(tài)水含量為0.46×0.6g/m3=0.28g/m3。

暴露距離的選擇取決于申請人。一個(gè)常用的方法是在一個(gè)較長的可能暴露距離100海里或200海里估計(jì)未防護(hù)表面的冰積聚。這種情況下從FAR25部附錄C中的圖1獲得的液態(tài)水含量應(yīng)按照圖3選定的暴露距離對應(yīng)的液態(tài)水含量系數(shù)進(jìn)行修正減小。另外一種方法是估計(jì)45min等待條件下未防護(hù)表面上的冰積聚。這種情況下，通常假設(shè)整個(gè)等待飛行在水平距離為17.4海里的冰云中進(jìn)行，而不需要進(jìn)行任何修正，可直接使用圖1中的液態(tài)水含量。

2.2 中位體積直徑的選擇

目前的方法是選擇40μm的絕對水滴直徑（不是中位體積直徑）應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對翼型水滴撞擊區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，這種情況下不考慮暴露距離。傳統(tǒng)方法也使用20μm的中位體積直徑對標(biāo)準(zhǔn)水平距離或更長的水平距離下的冰積聚進(jìn)行計(jì)算。盡管20μm的中位體積直徑被廣泛用于冰積聚率和冰積聚數(shù)量的計(jì)算，但FAA建議應(yīng)考慮整個(gè)中位體積直徑的范圍[5]，這意味著飛機(jī)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮水平距離至少17.4海里、中位體積直徑直到40μm的情況。

3? FAR25部附錄C基于距離形式的轉(zhuǎn)化

3.1 附錄C的形式轉(zhuǎn)化

為了簡化，該文只對連續(xù)最大結(jié)冰條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，間斷最大結(jié)冰條件轉(zhuǎn)化方法相同。根據(jù)FAR25部附錄C的圖3，可獲得暴露云層水平距離的液態(tài)水含量系數(shù)，然后與17.4海里標(biāo)準(zhǔn)水平距離條件下的液態(tài)水含量相乘，得到不同水平距離、不同環(huán)境溫度和不同的中位體積直徑所對應(yīng)的液體水含量。典型狀態(tài)下不同云層水平距離的液態(tài)水含量見表1。

為了更清晰、更方便地查找不同水平距離下連續(xù)最大結(jié)冰條件的液態(tài)水含量，該文將其上表數(shù)據(jù)插值繪出，見圖1、圖2。圖1中的各圖是環(huán)境溫度一定時(shí)連續(xù)最大結(jié)冰條件基于水平距離形式的轉(zhuǎn)換。圖2中的各圖是中位體積直徑一定時(shí)連續(xù)最大結(jié)冰條件基于水平距離形式的轉(zhuǎn)換。

3.2 附錄C轉(zhuǎn)化為基于距離形式的結(jié)冰包線

對于水平距離的形式，申請人可以使用液態(tài)水含量系數(shù)與云層水平距離曲線將附錄C中的圖1和4轉(zhuǎn)換成一個(gè)等效的液態(tài)水含量。圖3顯示了將FAR25部附錄C的結(jié)冰包線轉(zhuǎn)換為基于距離的形式，中位體積直徑為15μm，溫度為0℃、-10℃、-20℃和-30℃。圖3采用了對數(shù)水平距離刻度來同時(shí)適應(yīng)較短的間斷最大包線和較長的連續(xù)最大包線。

4? 結(jié)語

（1）FAR25部附錄C定義的結(jié)冰包線將云層液態(tài)水含量、云層水滴平均有效直徑和環(huán)境溫度作為變量，將云層水平距離視為常量。然而對冰云的平均有效水滴直徑的測量統(tǒng)計(jì)分析表明，平均有效水滴直徑比通常認(rèn)為的變化范圍要小得多，水平距離可能是更為有用的變量。

（2）比標(biāo)準(zhǔn)水平距離更長或更短的暴露距離，可根據(jù)FAR25部附錄C獲得暴露云層水平距離的液態(tài)水含量系數(shù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)水平距離條件下的液態(tài)水含量相乘，得到不同水平距離、不同環(huán)境溫度和不同的中位體積直徑所對應(yīng)的液體水含量。

參考文獻(xiàn)

[1] FAA.Airworthiness Standards： Transport Category Airplanes[Z].14CFR Part 25：519-526.

[2] FAA.Compliance of Transport Category Airplanes with Certification Requirements for Flight in Icing Conditions[Z].AC25-28，2014.

[3] 裘燮綱，韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].北京：航空專業(yè)教材編審組，1985.

[4] FAA.Icing Design Envelopes （14CFR Parts 25 and 29，Appendix C）Converted to a Distance-Based Format[Z].DOT/FAA/AR-00/30，2002.

[5] FAA.Aircraft ice protection[Z].AC25-73A，2006.