飛機(jī)的結(jié)冰與防(除)冰

胡鑫

摘 要:在現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)的飛行中,飛機(jī)常常會(huì)遇到結(jié)冰的情況,而這些結(jié)冰通常發(fā)生在飛機(jī)的迎風(fēng)部位如風(fēng)擋、機(jī)尾翼前緣、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、空速管等部位,結(jié)冰后飛機(jī)阻力增加,升力減小,并增大了失速速度,這使飛行安全裕度大幅度減小。

關(guān)鍵詞:飛機(jī)結(jié)冰防冰

中圖分類號(hào):V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(a)-0073-01

據(jù)美國聯(lián)邦航空局綜合分析,每年因結(jié)冰而導(dǎo)致的事故有近30起,而且結(jié)冰后飛行不僅氣動(dòng)性能惡化,同時(shí)還使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降,儀表讀數(shù)不準(zhǔn),風(fēng)擋視界不清,極易導(dǎo)致事故。所以,飛機(jī)結(jié)冰是飛行中一個(gè)不容忽視的問題

1 結(jié)冰機(jī)理

所謂飛機(jī)積冰就是飛行中,飛機(jī)的某些部分有時(shí)出現(xiàn)由于水滴凍結(jié)或水汽凝華聚積形成的冰層的現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)遇上冰晶云時(shí)產(chǎn)生干結(jié)冰,遇上水蒸汽產(chǎn)生凝華結(jié)冰,遇上過冷水滴則產(chǎn)生滴狀結(jié)冰,其中滴狀結(jié)冰是三種結(jié)冰形式中最常見的一種。

飛機(jī)積冰可通過其現(xiàn)象分為四種:明冰、毛冰、霧凇、霜,其中明冰和毛冰對(duì)飛行影響較大,非常有害,易導(dǎo)致飛行事故,而霧淞和霜對(duì)飛行影響不大,稍加注意便可避免事故,其各自結(jié)冰特點(diǎn)如下。

明冰光滑透明,結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),通常在0～–10℃的過冷雨或大水滴組成的云中飛行時(shí)形成,有降雨時(shí),聚積速度尤其快,且非常牢固,對(duì)飛行危害非常大。

毛冰也叫瓷冰,表面粗糙不平,但凍結(jié)比較堅(jiān)固,多形成于-5～-20℃的云中,由于其表面粗糙不平,會(huì)破壞飛機(jī)的流線形,同時(shí)凍結(jié)牢固,對(duì)飛行危害也非常大。

霧淞由粒狀冰晶組成,很易除掉。如果無除冰設(shè)備的飛機(jī)在云中長時(shí)間飛行,也可能受其影響;霜是晴空飛行的出現(xiàn)的一種積冰,在風(fēng)擋上出現(xiàn)會(huì)影響視野。以上兩種積冰的飛行危害不大。

2 積冰對(duì)飛行性能的影響

在飛行中一旦發(fā)生積冰,飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能就會(huì)變差,流線型也受到破壞,使正面阻力增大,升力和推力減小,影響飛機(jī)的穩(wěn)定性,使操縱困難,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成飛機(jī)失事。因此積冰對(duì)飛行危害非常大。而積冰對(duì)飛行性能的影響根據(jù)其積冰部位不同,可分為升力面積冰、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道積冰、螺旋槳積冰、風(fēng)擋天線空速管積冰,另外飛機(jī)在地面時(shí)也可能積冰,不同的積冰對(duì)飛行性能影響不同,其分別的影響如下:

2.1 升力面積冰

飛機(jī)升力面主要是指機(jī)翼和尾翼,當(dāng)它們積冰時(shí)能使飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性和飛行特征顯著破壞。由于積冰,流線形部位的形狀發(fā)生變化,使翼型失真,導(dǎo)致摩擦阻力和壓差阻力都增大。1977年在斯德哥爾摩布羅馬機(jī)場,一架四發(fā)渦輪螺旋槳飛機(jī)由于尾翼積冰,當(dāng)襟翼下放到40度時(shí),飛機(jī)進(jìn)入垂直俯沖,造成失事。這就是由于尾翼積冰,使尾翼在下洗角增大、負(fù)迎角增大的情況下,又由于積冰使尾翼臨界迎角減小,最后導(dǎo)致40度襟翼時(shí)尾翼失速造成事故。事實(shí)證明,積冰不但使失速提前而且更加劇烈。當(dāng)機(jī)翼和尾翼的臨界迎角由于積冰而減小時(shí),低速飛行,特別是著陸,非常危險(xiǎn),極易出現(xiàn)尾翼失速使飛機(jī)失控,同時(shí)積冰還易造成操縱面操縱性降低或卡死,造成事故。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及動(dòng)力裝置積冰

進(jìn)氣道積冰可以導(dǎo)致內(nèi)表面氣動(dòng)特性惡化,使進(jìn)氣速度場分布不均勻和使氣流發(fā)生局部分離,引起壓氣機(jī)葉片振動(dòng),如果有冰塊脫落進(jìn)入壓氣機(jī),還會(huì)造成壓氣機(jī)機(jī)械損傷。

葉片上的積冰會(huì)因離心力作用而脫落,可能引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡和動(dòng)力裝置劇烈振動(dòng),進(jìn)一步發(fā)展還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承的破壞,造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞或熄火。

總之,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及動(dòng)力裝置積冰,輕則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,重則能造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。所以在云中飛行時(shí),為防止發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰,當(dāng)溫度低于5℃時(shí),應(yīng)及時(shí)打開發(fā)動(dòng)機(jī)防冰裝置。

2.3 螺旋槳積冰

螺旋槳積冰由于高速旋轉(zhuǎn)而能捕獲更多的過冷水滴,所以比其它部分積冰更嚴(yán)重。槳葉梢部由于動(dòng)力增溫一般不會(huì)積冰,但根部積冰相當(dāng)快,螺旋槳積冰使效率降低,還可能由于積冰不均勻產(chǎn)生不規(guī)則振動(dòng),同時(shí)冰塊脫落還會(huì)損壞飛機(jī)的其它部件。

2.4 風(fēng)擋、天線、空速管等積冰

風(fēng)擋積冰能使風(fēng)擋透明度大大降低,嚴(yán)重影響飛行員的視野,特別是在起飛和著陸階段,容易引發(fā)飛行事故。

天線上積冰有可能使通訊中斷,甚至發(fā)生短路,使無線電設(shè)備失靈。

皮托管積冰,會(huì)對(duì)速度表、高度表、迎角指示器、M數(shù)指示器、升降速度表等重要儀表產(chǎn)生影響,甚至失效,使飛機(jī)不由自主地進(jìn)入危險(xiǎn)飛行狀態(tài)。

2.5 地面積冰

飛機(jī)在地面停放和滑行時(shí),也會(huì)積冰。當(dāng)積冰飛機(jī)起飛時(shí),氣流會(huì)從機(jī)翼上表面過早明顯地分離,飛機(jī)在爬升開始時(shí),都用較大的迎角飛行,而積冰飛機(jī)以較大迎角飛行是相當(dāng)危險(xiǎn)的,極易造成失事,積冰飛的升力系數(shù)比正常飛機(jī)小15%--20%,而增大迎角會(huì)造成提前到達(dá)臨界迎角,造成氣流分離,使升力下降。

3 飛機(jī)防(除)冰方式

面對(duì)飛機(jī)各種結(jié)冰情況和對(duì)飛行安全的影響,人們采取了多種多樣的防(除)冰方式,發(fā)展到現(xiàn)在分為兩類:一類稱為防冰系統(tǒng),即不允許在飛機(jī)部件上產(chǎn)生結(jié)冰的系統(tǒng);另一類為除冰系統(tǒng),這類系統(tǒng)允許飛機(jī)部件結(jié)少量的冰,然后周期地把冰除去,根據(jù)所采用能源方式不同,有機(jī)械除冰系統(tǒng)、液體防冰系統(tǒng)、氣熱防冰系統(tǒng)、電熱防冰系統(tǒng)。它們各有不同的特點(diǎn)和工作原理,下面將分別進(jìn)行介紹。

3.1 機(jī)械除冰系統(tǒng)

所謂機(jī)械除冰系統(tǒng),就是用機(jī)械方式把冰破碎,早期的方法就是在防冰表面放置許多膠管,當(dāng)表面結(jié)冰時(shí),膠管充氣膨脹,使冰破碎,然后利用氣流把冰吹除除交替膨脹膠管外,還可用振動(dòng)方法除冰,如用超聲波使蒙皮高頻振動(dòng)除冰。

3.2 液體防冰系統(tǒng)

液體防冰系統(tǒng)通過不斷向防冰表面噴灑防冰液,防冰液形成一層薄薄的膜,由于防冰液與水混合后,冰點(diǎn)很低,使水不致在表面結(jié)冰。

3.3 電熱防冰系統(tǒng)

電熱防冰系統(tǒng)是通過電阻升溫防止表面結(jié)冰,最常見的是風(fēng)擋、螺旋槳、空速管電熱防冰。電熱防冰由于動(dòng)力損失小,加熱均勻,被廣泛采用在現(xiàn)代大型民航客機(jī)上。

3.4 氣熱防冰系統(tǒng)

現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)大翼防冰和進(jìn)氣道防冰,多采用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引出熱空氣來防冰。當(dāng)大翼防冰采用這種系統(tǒng)時(shí),防冰熱空氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)后,進(jìn)入機(jī)、尾翼前緣的防冰管道內(nèi),一定壓力的熱空氣從管道小孔高速噴出形成局部低壓,將腔內(nèi)空氣吸入、混合后由翼尖排出,B737－300上采用了氣熱防冰系統(tǒng)為其大翼和發(fā)動(dòng)機(jī)防冰,

無論駕駛那種機(jī)型,飛機(jī)的結(jié)冰都是飛行中不可忽視的問題,在飛行中,只有了解積冰原理,熟悉飛機(jī)防冰系統(tǒng)的飛行員才能充分避免因積冰而引發(fā)事故,所以應(yīng)充分了解飛機(jī)結(jié)冰的原理,熟練使用防冰系統(tǒng),防止事故,達(dá)到安全飛行的目的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 飛機(jī)防冰系統(tǒng).航空專業(yè)教材編審組出版.

[4] B737－300飛行手冊(cè).波音公司.