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结冰, 威胁飞机安全的杀手 (科普.原创)

 

    2012年3月3日,一架编号为104的国产ARJ21飞机从西安阎良机场悄然起飞,途经甘肃嘉峪关机场稍作停留补给后,很快抵达乌鲁木齐的地窝堡机场。ARJ21是我国第一架拥有完全自主知识产权的新型支线飞机,寄托着无数国人对中国民航业腾飞的希望。自从2008年完成首飞以来,ARJ21飞机已经开展了旷日持久的试验和试飞工作,现在已进入适航取证的冲刺阶段。此次乌鲁木齐之行,104号ARJ21承担着一项艰巨的任务,那就是要进行干空气防冰、自然结冰,以及结冰对飞机操稳性能影响等一系列试飞科目。换句话说,倘若ARJ21的防结冰与除冰系统测试不合格,民航当局将不允许其出售给民航公司运营使用。

那么,结冰问题对飞机真的很重要吗?让我们先来看一组数据。

 1991年12月,北欧航空公司一架麦道-81飞机,在结冰天气条件下停放了一夜,机翼表面靠近机身处的薄冰破碎后被吸入发动机,造成发动机故障。

1992年3月,合众国航空公司一架福克28飞机在雪暴中起飞失事,联邦航空局认为是结冰造成的。

1993年3月,马其顿航空公司一架福克100飞机,起飞后爬升失速坠地。经过调查,当时温度低、湿度大、下着中雪,飞机起飞前未除冰。

1994年10月,美利坚鹰航空公司一架ATR72飞机,在结冰气象条件下等待批准下降高度37分钟。向机场进近时,机翼除冰设备后面形成冰脊造成飞机急速滚转坠毁。

1995年12月,巴纳特航空公司一架安-24飞机,起飞后爬升到大约500英尺时,失去高度并坠毁。当时机场下着雪并有强风,专家们分析,有可能是机翼结冰造。

……

上述案例中,飞机轻则受到损害,重则机毁人亡。看来,对于飞机安全,结冰问题的确很重要,后果真的很严重。

 飞机何以结冰?

一说到结冰,一般人很自然会联想到寒冷刺骨的冬季。不错,在严寒的冬天里,飞机在机场过夜,一旦遇到有雨、雪或者大雾的天气,飞机表面结冰是难免的。然而,值得注意的是,飞机结冰并不局限于地面,不局限于冬天,也不局限于雨、雪、雾等恶劣天气。只要飞机飞到一定高度,周围空气湿度足够大,温度足够低,飞机表面就有可能结冰。别忘了,在地球大气的对流层内,海拔高度每增加1公里,温度约降低6℃。

从物态变化的角度来讲,结冰实际上是一种水汽或者液态水受冷而转变为固态的物理现象。飞行中,飞机的结冰主要是由云中过冷水滴碰到飞机机体后结冰形成,也可由大气中水汽直接在机体表面凝华而成。这里所说的过冷水滴指的是一种高空云层中普遍存在的不稳定的,稍受震动便立马冻结成冰的水颗粒,这种微小的水颗粒分布于许多云团中。当飞机在这样的云团中穿行时,一旦机体表面温度低于0℃,过冷水滴就会在机体表面某些部位冻结,并聚积成冰。

研究显示,飞行过程中,飞机的结冰与所穿越云团的温度、湿度、云团状态、降水、时令等状况息息相关。一般来说,飞机结冰通常发生于0~-20℃温度范围内,但强结冰多发生于-2℃~-10℃;当云中的空气湿度达到温度露点差(一种用来衡量空气湿度的指标;数值越小,表明湿度越大)在0~5℃之间时,更容易发生结冰。当飞机穿越积雨云或浓积云的上方时,机体表面通常会出现强结冰;而穿越层云或层积云时,通常发生弱积冰或中积冰。一年四季中,飞机结冰主要出现在冬半年,且飞行高度在海拔3000米左右的结冰概率最大。

根据结构、种类和形状,飞机结冰可分为明冰、毛冰、雾凇和霜等四种。明冰通常来自飞机表面的强结冰,类似于日常生活中冬天湖面上的冰层,光滑且透明,冻结十分坚固。它除了改变飞机的气动特性外,结冰较厚时,还可使飞机重心发生改变,产生附加的俯仰力矩,破坏飞机的稳定性;破碎后的明冰还可能打坏发动机。明冰是对飞机飞行安全威胁最大的一种。毛冰表面粗糙不平,冻结也比较牢固,容易在温度为-5~-15℃的云团中形成,对飞机气动特性的改变也很明显,有时其影响甚至超过明冰。当飞机由低于0℃的区域进入较暖的区域时,水汽会在机体表面凝华,从而形成雾凇或霜;雾凇和霜的表面粗糙,不透明,结构松脆,较容易排除;雾凇和霜多出现在风挡等部位,严重时会影响飞行员的视线,干扰飞机的正常起飞和着陆。

 结冰对飞机的危害

飞机的突出部位通常是较容易结冰的,比如,机翼/尾翼的前缘、发动机螺旋桨叶片、发动机进气口、空速管、飞机风挡、天线等。除此之外,翼面上也较容易结冰,油箱内的水杂质有时也会形成细小的冰粒。

概括起来,结冰对飞机的危害主要有以下几个方面。

首先,会破坏飞机的空气动力性能。

机翼和尾翼结冰,可使飞机的升力下降,阻力增加,续航性能变差,并可引起飞机抖动,使飞机操纵变得困难。研究表明,即使冰或雪或霜造成轻微污染也能损害翼面,相当于中粒砂纸的冰粗糙度有时也可导致操纵品质降低到危险程度;结冰还会使平飞最小速度增加,使平飞最大速度减小,即飞机平飞速度的范围减小。另外,结冰对起飞性能的影响(尤其是对小飞机)也是非常严重的、甚至是灾难性的;它可使得飞机的起飞过程变得艰难,可能导致飞机离地后坠毁、或者用尽跑道都不能离地升空等现象。

第二,降低动力装置效率,甚至使发动机产生故障。

当飞机处于空气湿度较大的区域如雾、云或降水中,如果外部温度低于0℃,则会在发动机进气口上出现积冰。这样就会使进气量减少,进气气流发生畸变,造成飞机动力损失,甚至发动机停车。还有更严重的情况,当飞机起飞抬前轮时,机翼产生升力后变弯曲,机翼前缘冰层常会破裂散开,喷气发动机若将这些碎冰的吸入其内部,轻则使燃烧室熄火,重则打坏发动机风扇或压缩机叶片。另外,对长途飞行的喷气式飞机来说,燃油积冰也是一个重要问题。长途高空飞行,机翼油箱里燃油的温度可能降至与外界大气温度一致,即-30℃。油箱里的水在燃油系统里传输的过程中很可能变成小冰粒,这样就会阻塞滤油器、油泵和油路控制部件,进而引发发动机内燃油系统的故障。

第三,影响仪表和通讯,妨碍飞行员目视飞行

飞机的空速管、天线等仪表、设备部件通常裸露在飞机的外表面,较容易结冰。空速管结冰后,会导致速度表显示错误,影响飞行员对飞机状态的判断;而天线结冰,会影响通讯,甚至造成通讯中断。另外,飞机风挡上一旦结冰,会影响到飞行员的视野,干扰飞行的正常飞行,乃至飞机的正常起降。

 飞机结冰,如何防范

经过一次次惨痛的教训以及深入的研究,人们对飞机结冰不利影响的认识有了显著提高,并形成了诸多防范飞机结冰危害以及消冰、除冰的有效措施、经验和方法。

起飞前,对飞机进行结冰检查,必要时进行消冰、除冰,这一程序现在已经成为相关航空部门的“必修课”。在地面结冰条件下,飞行机组必须认真地对飞机进行航前检查;目视或用手去摸,以确定飞机表面是否冰冻。这里,重点检查的部位是翼面、操纵面、起落架组件、发动机进气罩、风挡等。检查的内容包括:查看飞机除冰设备是否处于良好状态,判断飞机是否需要执行除冰、防冰程序。一旦发现机身上已有冰霜,必须彻底清扫干净后才能起飞,否则在空中飞机将“雪上加霜”。目前,地面飞机除冰最有效的方法是热水除冰喷洒法,即通过喷洒车将83-93℃的热水喷撒到飞机的表面以除去冰雪。这里需要说明的是,热水中通常添加有10%的乙二醇,目的是减小飞机除冰设备里残留水的冻结。热水除冰结束后,为了防止水再次结冰,还必须马上在飞机表面涂上防冰液。一切就绪后,飞机方能起飞。

尽量绕开结冰区,也是一些资深飞行员防范飞机结冰惯用的做法。飞行前,机长通常会将机组人员召集在一起,研究航线的天气情况,对航线天气变化做到心中有数。在空中飞行中遇到结冰时,可优先考虑使用除冰设备。若除冰失效,但结冰不强,对飞行影响无大碍,飞行时间又不长,则飞机可继续前行;但结冰较强,影响操纵时,飞机应迅速脱离结冰区,常见的做法是:改变飞行高度或改变航向。实际飞行中,大多数飞行员会采取改变飞行高度的方法,因为在平流层内,大气温度随高度的降低而升高,当飞机的飞行高度降低到1000米,冰可自行融化。

在早期的一些飞机中,像充气靴,电加热和引入喷气发动机热气的热除冰等手段被经常使用。所谓充气靴除冰,就是在机翼前缘等部位安装一些气动膨胀管,当给膨胀管内反复充气时,膨胀管的变形就可以使得机翼前缘的冰层破碎、脱落。电热冰防护的原理非常简单,它利用埋设在风挡、空速管等部位的电热丝,通过加电时电热丝的电热能将冰雪融化。这些传统的消冰方法至今仍是有效的,在许多飞机上仍广泛使用。值得一提的是,近年来,航空学家们提出了智能防冰系统的新思想。智能防冰系统的基本概念是依靠飞机上安装的传感器,实时、直接地测量飞机上的冰对飞机性能的影响,进而通过计算机综合这些信息来完成飞机的安全操纵。智能防冰系统是基于冰管理系统来增加安全性的。所谓冰管理系统就是将结冰数据、数据评估和作出合适响应的决定集合在一起的计算和软件中心,它能够自行除冰,或实时提醒飞行员何时、如何除冰。

最后需要说明的是,防冰和除冰装置不是万能的,飞行员还需时刻注意使用防冰和除冰装置后飞机性能的变化。一旦发现飞机遇到强结冰而除冰设备又不能奏效时,一定要沉着冷静,保持平飞,尽量避免急转弯、急剧上升和小半径盘旋飞行等剧烈动作,及时联系备降场,就近降落。着陆时千万要小心,不要急着把油门完全收尽,也不要匆忙地将襟翼(一种缩短飞机起飞滑跑距离的操纵面)完全放下,而是要让飞机在尽可能平稳,动作幅度尽可能小的状态下徐徐降落。



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