积冰对飞行安全的影响研究

积冰对飞行安全的影响研究

李川

（中国民用航空飞行学院（绵阳分院）四川成都610000）

摘要

飞机冰堆积是当飞机在冰的天气条件下飞行时，大气中的过冷水在组件表面结冰和堆积冰的物理过程。这个问题在飞机运行中是比较常见的，对飞行安全来说也是一个重要的隐患，主要的隐患。对飞机积冰的研究，可以让人们更深刻了解积冰的产生和原理，通过这些了解和研究更准确的掌握其规律来规避飞行风险及危害，设计出飞机防冰除冰装置。为飞行安全提供理论性的专业数据.

关键词飞机积冰；条件；积冰危害

引言

近年来，随着国际民航旅客量大幅增加，航空事业也急剧发展，在航空公司运行过程中，要保持飞行的安全与高效以此创造更高价值的飞行。而近几年出现的各种事故中引发了人们对航空安全的关注度，因此保证航空安全的话题继续被人们所关注。本文意在探讨飞机积冰的带来的安全问题。航空事业的进步使得飞机性能在一步步加强，使得飞机上的各种除冰设施日益完善。但是现代高速飞机在飞行的各个阶段都会可能遇到积冰天气飞行的时候，可能导致事故的发生。

1飞机积冰的基本条件

根据高度作为高度的函数，地球周围的大气层可分为四个不同的层：对流层，平流层，中间层和热层。在对流层，温度会随着高度变化而变化。平均下降率约为6.5摄氏度/公里。所有复杂的天气变化都出现在对流层。不同温度的出现，水的行为状态也各不相同。当空气冷却时，如果空气达到过饱和，多余的水蒸气就会凝结，如果空气中有足够的凝结，水蒸气就会凝结在上面，形成无数的小水滴，形成云。如果温度进一步下降，水滴可能会变成冰晶或过冷水滴。这种温度在0℃以下仍未冻结的过冷水滴多出现在0℃～-20℃的云和降水中。当飞机在含有过冷水滴的云中飞行时，如果机身表面的温度低于0℃，过冷液滴就会在飞机表面的某些部分结冰和积聚。飞行实践表明，绝大多数的冰层都是云中的过冷水滴，而由冰晶引起的冰层却很少。因此，只要是天气条件达到满足的条件和范围，即可产生飞机积冰。

云的过冷水滴与飞机表面碰撞大概是这样：空气中的微粒扰飞机流过时，沿流线运动，这些流线在飞机机翼和其他部分表面的前部突然变弯曲，弯曲形状与机翼和其他部分的形状相同。如果空气中有很微小的水滴，我们可以不考虑水滴的质量及其惯性，那么它们也会顺着流线运动，因此，除了机翼前缘外，无论什么地方都不会触及机翼。但是如果在空气中含有较大的水滴，那么在急转弯处和在速度很大时使这些水滴沿着它的粘力就不是以流线运动，由于惯性水滴总是力图成直线运动。所以冲击在飞机迎面的前部比在这上面冻结。水滴越大，它运动的轨道越成直线，越容易从空气中分出来粘结到飞机上。所以冰通常聚集在飞机的迎面部分上。

2飞机积冰的危害及对飞行的影响

在冬天飞行，飞机结冰是影响飞机安全运行的一重要因素。了解积冰给飞行带来的影响数据，这是一个非常重要的课题。积冰对飞机的安全飞行影响很大，主要表现为动力学性能的降低。表明升力降低，阻力增大，发动机推力减小，飞行燃油消耗增加，静压系统的仪表受到阻碍，严重影响了飞机的安全性。性能和机动性，测试表明，当机翼的前缘有1.3厘米的冰时，飞机的升力减少了50％，阻力增加了50％。综上所述，飞机结冰带来的安全隐患是毋庸置疑的，它会严重影响飞行状态和飞机的正常运行。

2.1升力面积冰及其影响

飞机的升力面主要指机翼和尾翼两部分。如果结冰的话一般冰会堆积在机翼和尾翼的前沿部分。实验证明，积冰会使得机翼尾翼的阻力增加，升力降低，失速攻角减小，失速速度增加，油耗率增加，机动性和稳定性下降。

2.1.1机翼和前缘装置积冰

飞行中机翼积冰时最危险的。机翼前缘和翼面上冰的增长，使流过机翼的气流产生扰动和涡流，并改变了翼型的气动外形，因此迎面阻力增大，气流分离过早；特别在机翼迎角很大时，会导致升力系数和临界迎角剧烈减小。风洞试验和飞行试验证实，即使厚度和粗糙度小于一张普通纸，霜冻、雪和薄冰也可以减少升力30%，增加阻力40%。冰的积累越大，升力降低80%，阻力增加80%。

1993年3月5日，一架马其顿航空公司的Fogg100型飞机在起飞后爬升到1200英尺，失速。飞行员没办法控制飞机。飞机向左倾斜，迅速倒地，机上97人，81人死亡。经过事后调查发现当时气温为0℃，湿度很高，正在下雪。但飞机在飞行之前在准备工作中并没有进行除冰的相关处理，事故是机翼上有积冰导致的，由此可见，机翼积冰的危险性是很高的。

2.1.2尾翼积冰

水平安定面和垂直安定面积冰，不象机翼结冰那样，强烈地影响到升力的减小。但是飞机尾翼积冰，同样会使空气动力性能变坏，使飞机的重量略增加，并且由于垂直安定面积冰，飞机的稳定性，特别是方向稳定性降低。在积冰区内长时间飞行后，由于大量积冰，产生尾翼震动，致使结构危险应力，严重可能导致结构的破裂。当冰被平尾覆盖时，临界迎角减小，操纵效率降低，并且产生非操纵的头部扭矩。特别容易造成飞机提前失速。

在1977年1月的一个阴冷的日子里，一架四发的VickersViscount飞机从云中穿出向stockholm-Bromma机场进近，当飞行员放下30～32°襟翼时，飞机就会有异常的俯仰摆动，飞行员接着放襟翼至40°时，飞机一头就栽了下去，没有任何倾斜不偏不倚的以110°俯角坠毁在下滑道正下方，专家分析，本次事故的原因即是平尾积冰导致平尾提前失速。

2.2发动机积冰及其影响

发动机结冰造成的事故在结冰造成的事故中占很大比例。自1990年以来，至少有100架飞机因发动机结冰而停在空中，其中大部分发生在22,000英尺以上的高度。这个高度是发动机的冻结高度。并伴有强对流的天气，尤其是雷暴天气，大气中的水汽凝结成很小的冰晶，我们把这种冰称为“干积冰”或“晶状冰”。水晶冰不会附着在冰冷的飞机机身上，因为它会在光滑的表面反弹，但会融化并附着在发动机等相对较热的表面上。冻结会导致发动机在发动机工作期间在空气中停止工作、喘振、熄火，从而使发动机的速度在一段时间内降低到慢车工作状态(见表1)。结晶冰是涡扇发动机的严重威胁，可在发动机核心区形成非常厚的冰。

表1发动机积冰的主要故障类型

故障类型描述结果

发动机喘振/失速冰吸到发动机里引起喘振；由于失速导致，燃烧室燃烧时间减少、压气机通过气流减少推力迅速减少

发动机排气温度升高

熄火冰吸入到燃烧室导致熄火推力迅速减少

所有发动机参数值降低

发动机损坏发动机叶片被吸入的冰撞击损坏开始没有直接影响，时间长了损坏的叶片会引起发动机震动和失速

2.3风挡积冰及其影响

飞机挡风玻璃如果结冰，那么会使得其透明度大大减低。由于视觉受到严重影响，很难用肉眼判断周围的外部环境，特别是飞机落地，会因为判断误差，严重给安全飞行带来隐患。

2.4测温、测压感受器积冰及其影响

当测温、测压感受器积冰时，它会扭曲一些重要的驱动仪器，如速度表，高度计，迎角指示器，M号指示器和提升速度计。使飞行员的飞行出现复杂情况，甚至会影响飞行员的准确判断。

2.5天线积冰及其影响

假如飞机上的天线装置出现结冰现象，可能会导致机械的损坏和断裂。陆空通信设备和一些电子设备对飞机的实际影响，中断了与地面的接触。严重会导致设备失灵。

3小结

近年来航空事业的快速发展，对防止飞机结冰飞行事故的研究有了明显的进展,飞机速度加强了，各方面的性能都有所提高，天花板高。同时，飞机本身的除冰设施在不断的进步。对飞机在起飞前结冰的不利影响的认识及消冰方法也有了进一步提高，在一定程度上减少了飞机结冰的情况。然而，由于运输量的增多，以及全球天气条件的变坏，还有低速飞机的普及，飞机仍旧有很多情况下会有结冰现象。所以仍然需要对此问题继续加强关注与研究。

4结语

（青年基金项目；中国民用航空飞行学院青年基金项目，编号Q2013-089）

参考文献

[1]平尾结冰失速与安全飞行.飞行安全文选3,1999

[2]机翼结冰造成飞行事故.飞行安全文选5.民航飞行学院图书馆,1999

[3]帕坦卡.传热与流体流动的数值计算，张政译[M].北京：科学出版社，1984年