某型運輸機高寒環(huán)境地面除冰程序方法研究與驗證

楊甲龍 陳友法 匡恩喜

摘要：圍繞某型運輸機高寒地區(qū)試飛任務，對飛機在高寒環(huán)境下的地面除冰關鍵程序方法進行了預先研究，包括除冰時機的確定、防/除冰液的選配、除冰關鍵表面的識別、除冰噴灑順序及路線的確定、除冰作業(yè)及防冰保持時間的計算等，并經試飛過程多次驗證優(yōu)化，確保了該程序方法的合理和可操作，保障了飛行安全和任務完成，可規(guī)范指導飛機地面除冰工作。

關鍵詞：運輸機;高寒;地面除冰;程序方法;活性霜;保持時間

0 引言

某型運輸機前往海拉爾地區(qū)進行高寒試飛評估工作，評估過程中可能遇到霜、雪天氣，如果這些霜、雪附著在飛機的機翼、機身和尾翼上表面，飛行前必須進行除冰和防冰操作，才能確保高寒試飛工作的正常開展。但該型飛機為新研飛機，沒有進行過地面除冰工作。因此，在去高寒地區(qū)試飛前必須考慮飛機結冰和地面除冰問題，研究確定合適的防除冰時機，篩選合適的防/冰液，驗證除冰步驟和程序是否滿足要求，統(tǒng)計除冰液的防冰保持時間能否滿足起飛要求。

1 地面防/除冰技術調研

地面除冰的原理不同于飛機上自帶的防除冰裝置。飛機上的除防冰裝置是依靠飛機自身的引氣、電能或機械膨脹原理來消除積冰，確保航行安全的。地面除冰的原理過程是將除冰液與水的混合物按一定濃度配置在一起，加熱到一定溫度，然后借助地面除冰保障設備將除冰混合液噴灑到機體表面，依靠除冰液去融化機體表面的霜、雪和積冰，當機體表面的積冰全部融化后，則除冰完成。但由于此時機體表面是大量融化的水與除冰液的混合物，該混合物的濃度比除冰液的原配比濃度更低，容易產生二次結冰，再次結冰的時長定義為除冰液保持時間。通常情況下，除冰后如果起飛等待時間過長或遭遇了惡劣雨雪天氣，還要進行防冰作業(yè)[1]。

某型運輸機屬于新研飛機，沒有進行過除/防冰作業(yè)，也無相關方面的技術和經驗積累，國內軍機及軍標在這方面都是空白，僅能從民航標準、航空公司運營資料上獲悉相關內容。適航咨詢通告AC-121-50《地面結冰條件下的運行》和民航標準MH/T 3011.19-2006《民用航空器除冰、防冰液的使用》給出了民航機場除冰作業(yè)程序和除冰液的使用原則，但是對于具體的技術細節(jié)，還需根據(jù)特定機型進行針對性研究分析才能確定。因此，對于除/防冰時機、除/防冰液型號的選擇以及除/防冰液的保持時間這三個關鍵技術點進行了前期調研。

1.1 除/防冰時機分析調研

《AC-121-50地面結冰條件下的運行》沒有給出具體的除/防冰時機，但是提出了地面結冰條件：一般情況下地面結冰是指外界大氣溫度在5℃以下，存在可見的潮氣（如雨、雪、雨夾雪、冰晶、有霧且能見度低于1.5km等）或者在跑道上出現(xiàn)積水、雪水、冰或雪的氣象條件，或者外界大氣溫度在10℃以下，外界溫度達到或者低于露點的氣象條件。沒有給出具體的除/防冰時機。

按照此條款進行文字解讀，海拉爾地區(qū)年平均氣溫為-1℃～-2℃，冬季最冷月平均低溫為-30.83℃，假設要進行飛行試驗，則每天都需要進行除/防冰作業(yè)。但是調查發(fā)現(xiàn)，海拉爾機場起飛的民航客機并不是每個飛行架次都需要進行除/防冰作業(yè)。為此專門去海拉爾機場除冰部門進行調研咨詢，除冰部門給出的解釋是，除冰時機需根據(jù)天氣情況結合飛機的實際情況進行判斷，跟天氣溫度相關，但不絕對。例如，當日氣溫為-20℃，但是天氣情況良好，空氣濕度較低，凌晨時飛機表面雖然結了一層浮霜，但是到8、9點航班起飛前，飛機關鍵表面上的冰霜已融化干凈，不需要除冰作業(yè)。

因此總結為：除/防冰作業(yè)的根本目的是恢復飛機原有的氣動性能，所以除冰作業(yè)關鍵點時機判定的關鍵在于霜、冰、雪或冰雪混合物會不會影響飛機的氣動性能，如果影響了就必須實施除冰作業(yè)，如果不影響則不必進行除冰作業(yè)。

1.2 除/防冰液型號的選型調研

按照美國機動車工程師學會（SAE）規(guī)定，除/防冰液分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型，以乙二醇為主要成分，添加一定的增稠劑和抑制劑。其中，Ⅰ型為牛頓流體，粘度較小;Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型屬于非牛頓流體，粘度較大，能較好地附著在靜止飛機的表面，但又能在起飛時從飛機表面吹脫[2]。Ⅰ型除冰液粘度低，防冰時間較短，容易造成二次結冰，因此民航飛機在惡劣天氣條件下推薦使用粘度高、防冰時間長的Ⅱ型和Ⅳ型液（Ⅲ型液因吹除速度低僅適用于螺旋槳飛機）。從Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型除冰液的性能參數(shù)來看，都可以在海拉爾地區(qū)的環(huán)境條件下使用，但是具體應該使用哪型還未明確。

根據(jù)GB/T20857-2007《航空器非牛頓型除、防冰液ISOⅡ型》的要求，Ⅱ和Ⅳ型液通常應用于起飛速度超過185.3～203.8km/h的飛機。該型運輸機的起飛速度正好接近這個范圍，如果是空載起飛，起飛速度還低于這個范圍。起飛速度過小，不能依靠起飛氣流吹散附著在機翼表面的除冰液，一樣會影響機翼的升力性能，對飛行安全造成有害影響。為此咨詢海拉爾機場除冰部門民航飛機使用哪一型除冰液，答復使用的都是Ⅰ型防冰液，沒有使用過Ⅱ、Ⅳ型液，但會根據(jù)天氣和溫度情況配置Ⅰ型防冰液與水的體積比。

既然選擇Ⅱ、Ⅳ型液可能存在安全風險，因此該型運輸機的除冰作業(yè)也選用Ⅰ型防冰液，與海拉爾機場除冰部門的選擇保持一致。

1.3 保持時間計算方法調研

在MH/T 3011.19-2006《民用航空器除冰、防冰液的使用》及國航的除冰程序中，保持時間的計算是從最后一次使用除/防冰液開始，至噴灑于航空器上的除/防冰液失效時結束。如果按照飛機整個噴完除冰液后才開始計算防冰保持時間，對表面積較大的飛機來說，整個噴灑耗時可能比除冰液的保持時間還長。極端情況下第一槍噴出的除冰液已經失效或結冰了，從這個時候再算保持時間就失去了意義。

針對此問題，海拉爾機場除冰部門給出的答復是：一般情況下保持時間是按照整個飛機噴完除冰后開始計時的，但是特殊情況下可以選擇高安全裕度方法計時：采用一步法（除防冰同時進行）時，保持時間從第一槍噴液開始計算;采用二步法（先除冰，再防冰）時，保持時間從第二步防冰的第一槍噴液開始計算。

因此，對于該型運輸機來說，當Ⅰ型防冰液的混合比確定后，保持時間也確定了。關鍵應計算整架飛機的除冰液噴涂時間，以確保飛機除冰后至起飛完成的耗時在保持時間段內。

2 制定除冰程序

2.1 確定飛機關鍵表面和噴灑表面

關鍵表面是指航空器外部某些表面一旦附著冰凍污染物，就會影響航空器的氣動性能或影響航空器的安全飛行特性，關鍵表面一般由航空器設計制造廠家確定。該型運輸機的關鍵表面為飛機正面迎風相關的外表面和操縱舵面以及關鍵傳感器。雖然關鍵表面是影響飛機氣動性能或安全性能的表面，理論上只要有冰凍污染物覆蓋就應進行除冰，但有些關鍵表面是不能噴灑除冰液的，如發(fā)動機、APU進氣口和各類傳感器。

因此，確定某型運輸機的可噴灑表面為：機身上表面（包括機頭后部上表面、前后翼身整流罩、中央翼、后機身上表面），左右前緣縫翼，左右機翼固定盒段上下表面，左右擾流板，左右后緣襟翼，左右副翼，垂直尾翼前緣及固定盒段兩側，方向舵兩側，水平尾翼前緣，水平尾翼固定盒段上下表面，升降舵兩側。

2.2 確定防冰液混合比和保持時間

根據(jù)調研和分析結果，選定I型液（FCY-1A對應SAE TYPEⅠ）作為除冰液，根據(jù)《MH/T 3011.19-2006 民用航空器除冰、防冰液的使用》的原則，配置好的液體冰點必須比環(huán)境溫度低10℃。根據(jù)生產廠家給的濃度、折射率、冰點和最低使用溫度表，試驗飛行期間海拉爾機場的環(huán)境溫度為-37℃～-27℃，選用75%濃度的I型液，其冰點為-60℃，最低使用溫度為-40℃，可滿足要求，詳見表1。根據(jù)保持時間指南，I型液在活性霜天氣條件下的保持時間為45分鐘，詳見表2。

2.3 確定飛機上的噴灑順序

按照除冰液從高至低、從前至后的噴灑原則，制定了某型運輸機的噴灑順序。

1） 機身：從機身頂部中心線開始噴灑，然后向外。繞過機頭上表面，防止除冰液流到駕駛艙前風擋和機頭各傳感器上。

2） 機翼：從機翼根部噴向翼尖，從機翼前緣噴向后緣。

3） 尾翼：平尾從根部噴向翼尖、從前緣噴向后緣;垂尾從頂部噴至底部，沿航向從前部噴至后部。

2.4 除冰車的數(shù)量及噴灑路線

1） 確定除冰車數(shù)量

為了保證飛機能夠在保持時間內正常起飛，除冰作業(yè)所用時間應越少越好。減少除冰作業(yè)時間，通常的做法是增加除冰車的數(shù)量，可以安排2輛、3輛甚至4輛車同時作業(yè)，但是除冰車數(shù)量增加后除冰作業(yè)的協(xié)調難度也相應增加，需要對除冰安全線路進行優(yōu)化。根據(jù)海拉爾民航機場除冰作業(yè)部門提供的空客A320、波音737-800機型的噴灑面積及熟練操作人員的除冰時間，對比該型運輸機的噴灑面積，推算出了除冰作業(yè)時間，計劃采用2輛除冰車同時進行除冰作業(yè)，如表3所示。

2） 確定噴灑線路

參考民航的除冰車運行軌跡以及安全原則，確定了2輛除冰車同時除冰的噴灑路線：由飛機正前方左右兩側慢慢接近飛機，沿前機身開時噴灑，噴灑到機身與機翼頂部時，再沿左右機翼向外噴灑至翼尖，繞過翼尖開始噴灑后機身、垂尾和平尾，噴灑結束，除冰車撤離飛機。

3 除冰實施與驗證

3.1 配置除冰液

某型運輸機除冰作業(yè)采用的是某公司生產的I型除冰液，塑料桶裝，規(guī)格是1桶200L，重量為225kg;所用除冰車（見圖1）的除冰液容量為4500L;按照每平方米1L的除冰液使用量，一次除冰作業(yè)大約消耗500L。一次配置2000L可以使用4次，除冰液的存儲期可以保持2個月。

除冰作業(yè)需要配置75%濃度（體積）的I型除冰液2000L，首先向除冰車內注入7.5桶除冰液，再將除冰液桶作為量杯，向除冰車內灌裝2.5桶自來水。啟動除冰車，內循環(huán)3～5min，使除冰液與自來水充分攪拌均勻。然后取混合后的液樣，在折射率檢測儀（見圖2）上檢查混合液的折射率是否與廠家提供的混合液折射率相符。按表1要求，75%濃度混合液的折射率應1.404。

3.2 除冰實施

某型運輸機在海拉爾機場試飛前，首先進行一次除冰噴灑試驗并中速滑行一次。主要目的：

1） 演練除冰車噴灑路線，摸索最佳除冰點和路線。

2） 計算整機除冰作業(yè)時間。

3） 中速滑行時速度控制在177km/h，驗證能否順利吹掉機翼和各舵面上殘余的除冰液，以確保飛機的氣動性能不受影響。

首次除冰實施操作表明，除冰程序合理，但除冰線路需要優(yōu)化，邊行駛邊除冰的方式不適用，除冰液使用量大于預期。在隨后的幾次飛行前除冰作業(yè)中進行了優(yōu)化改進和驗證。

3.3 除冰時間及出動時間統(tǒng)計

本次高寒環(huán)境試驗期間共試飛7次，除冰作業(yè)4次，對每次除冰時間及除冰后的起飛時間進行統(tǒng)計，得出2輛除冰車同時除冰的平均時間為7min，除冰后起飛時間平均為19.25min，平均總耗時26.25min，驗證了該型運輸機的除冰作業(yè)時間和除冰后的起飛時間在I型除冰液的保持時間45min內，如表4所示。

3.4 噴灑路線優(yōu)化及固定噴灑點

1） 噴灑路線優(yōu)化

飛機停放周圍的地面上有殘留的冰雪，除冰車如果行駛速度較快或與飛機沒有保持足夠的安全距離，有可能與飛機發(fā)生碰撞。為避免除冰車與飛機相撞，首先，規(guī)定除冰車接近或繞飛機時的行駛速度不大于5km/h，且除冰車應在距飛機約20m處點試剎車，以確認除冰車制動性能良好;其次，為保證除冰線路合理，減少作業(yè)時間和安全隱患，制定了沿機頭至尾翼的不用來回倒車的除冰車噴灑路線。

2） 固定噴灑點

由于客客A320或波音737等單通道飛機是下單翼布局，機翼面高度低，因此在執(zhí)行除冰作業(yè)時，除冰車可以一邊行駛一邊除冰。某型運輸機是上單翼布局，機翼面高達5m，實際除冰過程中，除冰車作業(yè)吊籃力臂伸出行程較長，行駛過程中吊籃晃動非常大，除冰人員在其中作業(yè)極其危險。因此，采用固定點除冰噴灑方案，即除冰車行駛到特定位置后，再伸出吊籃執(zhí)行定點區(qū)域的除冰噴灑作業(yè)。共設置4個除冰點，前2個除冰點位于左右發(fā)動機的正前方，覆蓋前機身和左右機翼，后2個除冰點位于發(fā)動機后、后機身中間位置，覆蓋后機身和尾翼。除冰噴灑路線和除冰點如圖3所示。

4 總結

針對某型運輸機海拉爾地區(qū)高寒試飛任務，提前對地面除冰方法進行了研究。調研了海拉爾機場除冰作業(yè)部門，明確了除/防冰作業(yè)時機的判定條件是霜、冰、雪或其混合物是否影響飛機的氣動性能;通過分析對比Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型防/除冰液的參數(shù)和海拉爾機場實際使用情況，選定了I型防/除冰液為此次使用的防/除冰液，噴灑和中速滑行等驗證表明Ⅰ型液適用;給出了該型飛機的地面除冰程序，確定了除冰液的配置過程和方法，統(tǒng)計了除冰作業(yè)時間，根據(jù)實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問題，對噴灑路線和除冰點進行了優(yōu)化。保證了飛機在高寒環(huán)境下的安全運行，積累了地面除冰作業(yè)經驗，為規(guī)范結冰條件下飛機的防/除冰運行奠定了基礎。

參考文獻

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