涡桨飞机结冰失速问题研究

钱锟+孔维梁

结冰失速问题是威胁飞行安全的一个常见问题，几乎每年都会发生因飞机结冰导致的飞行事故，其危害是致命的。自1943年至2005年，全球因结冰原因造成的飞行事故共有126起，从1969年到2005年，与飞机结冰有关的事故就已经造成了500多人死亡。而涡桨飞机由于螺旋桨滑流的特殊作用、巡航高度较低等特点，相对于喷气式飞机更容易发生结冰失速事故。

死亡报告

—美国2.12水牛城空难调查

2009年2月12日，美国大陆航空公司的3407航班在纽约州北部布法罗市郊区坠毁，失事的飞机为庞巴迪公司的“冲-8Q400”型74座支线客机，这架飞机刚出厂不久，而且拥有很好的安全纪录，驾驶员是累计飞行3000小时以上的老飞行员。

这架飞机从新泽西的纽瓦克机场起飞后一直飞行正常，到达水牛城附近距地面3000多米高度时已经做好了降落准备，在飞机距地面还有600多米时，飞行员按程序放下了起落架并打开减速板。然而，飞机竟然在5秒内急剧下降了大约243米，从海拔548米高度直降到304米处，同时飞机出现一系列颠簸和翻滚：先向上倾斜31°，然后又向下倾斜45°，向左倾斜46°，随后马上向右倾斜105°，最后以近乎垂直的角度直坠一所民居，造成机上49人及地面1人死亡。从飞机在放下起落架和襟翼后出现剧烈翻滚、下坠的情况来看，飞机的一侧机翼应处于失速状态。

事故调查表明，飞机在起飞前没有任何机械故障，2台发动机在飞机失事前也正常运转。在事故现场找到的黑匣子里记录了机组与地面塔台完整的通话记录。飞行员在5000米高度时就报告说外界模糊不清，随后下降到3000米时，机组人员又反映挡风玻璃和机翼前缘发现大量的冰块，并报告飞机除冰系统已经开始启动，显然这是飞机在近进过程中处于结冰状态的直接证据。20秒后机组人员调整飞机襟翼（阻力板）并减速准备着陆，但飞机随之就出现一系列颠簸和翻滚，显然这是由于飞机一侧的机翼失速造成的。机组人员试图调整飞机时，通话记录很快就结束了（飞机已经坠毁），种种迹象都说明很可能是结冰导致了飞机失速，而失速最终导致飞机在近进过程中坠毁。

飞机坠毁时水牛城天气状况较差：美国东部和中部地区2月12日遭遇强风，造成数十万用户断电，航空交通也受阻。纽约市部分地区出现雨雪冰雹天气，风速达到每小时27千米，导致部分机场运行受阻。这种天气很容易造成飞机表面结冰。而根据现场的初步调查表明，飞机在问题出现前其自动驾驶功能处于启动状态，也就是说在冰冻环境下飞行员并没有根据国家运输安全委员会（NTSB）的建议采用手动驾驶飞机，而是错误地启动了自动驾驶功能。这使结冰对飞机飞行的影响没有被及早发现而令情况更加恶化，最后导致了飞机的失控。

尽管飞机除冰系统已经开始启动，但据称“冲-8Q400”客机的除冰性能非常一般，很难对抗在恶劣天气下机体的表面结冰现象。在此15年前，美国印第安纳州也曾发生了一起1架“冲-8Q400”客机因结冰坠毁的事件。这次“冲-8Q400”在事故中出现的种种迹象与涡桨飞机的结冰失速特点十分符合。因此，即使这次事故还有其他诱因，结冰也应是主要原因之一。

飞行员的重大认识误区

—结冰失速和普通失速问题的应对措施是截然不同的

调查人员关心的是，当失速发生时，当值驾驶员为什么没有能够驾驶飞机从失速中改出？按道理，累计飞行3000小时以上的当值飞行员肯定是在模拟器上接受过如何从失速中改出的训练，那么是不是当值飞行员的应急处置方法不符合改出失速的操作规范呢？坠毁飞机黑匣子里记录的完整飞行数据给出了事情的真相：飞行员在发现飞机失控后，马上意识到飞机已经失速（虽然失速之前驾驶杆没有振动以提示飞行员飞机失速），并按照美国联邦航空局（FAA）规定的正常失速改出程序要求操纵飞机，当值飞行员首先增加了发动机推力，并拉杆希望保持飞机的飞行高度，其目的是将失速导致的高度损失最小化，以寻求中断着陆，并复飞，为此，他还特意收起了起落架和减速板。在正常情况下，在执行了这套规定的失速改出程序后，飞机会加速并减小迎角，从而改出失速状态。但不幸的是那天飞机结冰了，这样做只会导致更严重的失速。结果是飞机的迎角不但没有减小反而继续增大，直至完全失速并几乎垂直落向地面坠毁。

那么调查人员不禁要问，当时当值飞行员有没有可能挽救这架飞机呢？答案是肯定的，其关键点就在于飞行员在失速出现伊始及时推杆—而不是拉杆来降低迎角，其前提条件是飞行员知晓飞机机翼存在结冰问题，并掌握应对飞机结冰失速问题的正确应对措施和改出方法。不幸的是，212事故当值飞行员虽然知晓飞机存在机翼结冰问题（他主动打开了除冰系统，证明他意识到了结冰问题），但是他完全不知道应对飞机结冰失速的正确应对措施和改出方法，最终酿成了悲剧。

值得注意到的是：此事故并不是个例，结冰导致的失速在涡桨支线客机上时有发生，它是威胁涡桨支线客机飞行安全的一个严重安全隐患。目前世界上支线航空发展迅速，这个问题应得到足够的重视。

结冰失速是威胁涡桨飞机飞行安全的最主要因素之一，许多涡桨飞机机组都经历过结冰失速的状况，据统计，自1987年以来，结冰失速问题在国外共导致了4起涡桨飞机机毁人亡的恶性事故，共导致184人丧生。除了最近发生的美国212水牛城事故外，其他3起事故是1987年发生在意大利克雷佐的ATR42飞机事故；1994年发生在罗斯朗的ATR72飞机事故；还有1997年发生在美国密歇根州门罗的巴西利亚航空公司EMB120飞机事故。通过事后调查飞机黑匣子记录的飞行数据，在这4起事故中，所有当值4位飞行员都没有在失速出现伊始及时推杆（而不是拉杆）来降低迎角，根据黑匣子记录的飞行数据显示，4位飞行员都是按照FAA规定的正常失速改出程序要求操纵飞机，加速、并拉杆来减小迎角，但不幸的是在这4起事故中飞机都结冰了，拉杆只会导致更严重的失速，也让恢复对飞机的控制变得更加困难。可见，由于不了解涡桨飞机结冰失速问题而导致误操作是世界各国飞行员（甚至是经验老道的飞行员）的通病，历史上多次血的教训表明这会引发灾难性的结果！endprint

令人不安的事实

—正常失速改出程序并不适用于结冰失速，结冰失速问题仍然是最重大安全隐患

根据事故调查，在国外最近4起由结冰失速引起的恶性事故中，飞行员的应急处置方法虽然都不约而同地符合改出失速的正常操作规范，但很不幸都不是应对涡桨飞机结冰失速问题的正确改出方法！那么，在这4起结冰失速恶性事故中飞行员们的误操作到底是个例，还是通病？得到这个问题的答案非常关键，因为它事关是否可以避免悲剧在将来重演。

为了找到这一关键问题的答案，NASA最近出资进行了一项模拟研究，NASA在飞行模拟器中再现了罗斯朗事故中涡桨飞机的失控状况，并邀请一些经验丰富的支线客机飞行员在相同条件下来进行模拟改出失速的操纵试验，结果是得到了一个令人不安的事实：只有不到一半的飞行员可以把飞机从失速中改出。事后，NASA在研究报告中指出：支线客机飞行员们虽然接受过常规的改出失速和滚转飞行状态的训练，但是他们并不知道如何从结冰导致的失速和滚转飞行状态中改出。

美国联邦航空局（FAA）飞机适航审定中心结冰课题专家约翰.P.东指出，大多数民用飞机飞行员都在模拟器上接受过如何从失速中改出的训练，尽管他们在训练中被灌输的正常失速改出程序是FAA的操作标准规定的，但是这些操作程序并不适用于机翼结冰导致的失速状况。

正常失速改出程序要求飞行员在失速征兆（例如驾驶杆开始抖动）一出现时就马上增加推力，并保持飞机的俯仰姿态，其目的是将失速导致的高度损失最小化。在执行了这套正常的失速改出程序后，理论上飞机会加速并减小迎角，从而改出失速状态。原因是，当在驾驶杆开始抖动提醒飞行员飞机出现失速征兆时，飞机的失速还不严重，正常的失速改出程序足以保证飞机改出失速状态，可实际上飞机一旦结冰，其飞行性能已经发生了改变，当飞行员意识到飞机失速时，这时失速状况已经非常严重，正常的失速改出程序不足以保证飞机改出失速状态，这样（拉杆）做只会导致更严重的失速。

另外与正常失速不同的是，实际中结冰导致的失速在事前几乎是没有任何征兆或者预警的。在结冰状态下，驾驶杆根本不会抖动提醒飞行员飞机出现失速问题，即使是经验丰富的飞行员也常常无法察觉飞机进入失速状态，甚至无法察觉飞机进入结冰状态！这一点已经被多国的航空安全部门证实，例如在巴瑟斯特的“萨伯340”涡桨支线客机事故调查过程中，澳大利亚交通安全局证实了在澳大利亚国内5起其他由于结冰导致的严重飞行事故中，飞机在进入失速前也都没有明显的征兆或者预警，驾驶杆根本没有抖动提醒飞行员飞机出现失速问题。可见，对于各国飞行员而言，深入了解涡桨飞机结冰失速问题，并掌握对于涡桨飞机结冰失速的正确应对措施和改出方法是多么的重要！

深入认识结冰失速问题

—结冰导致机翼气动性能下降

飞机结冰后（主要是翼面），粗糙且不规则的外形使得流场被破坏，导致飞机失速迎角的减少，相应的失速临界速度也会提高。如果飞行员无意中使飞机达到了这个已减小的失速临界迎角，接着将会发生的是突然的自动滚转、抖振或其他的非定常气动现象，当然这一切都是在没有预警的情况下发生的，驾驶杆并不会振动以提示飞行员飞机失速了。

英国BAE系统公司ATP飞机的正常失速临界速度为203千米/时，而从1991年在ATP飞机上进行的一项结冰飞行试验结果来看，ATP飞机结冰后，其失速在260千米/时的速度下就发生了，远高于正常的失速临界速度203千米/时。工程人员对这次飞行试验的空气动力学计算的结果是：结冰后的机翼在升力系数为0.9时就发生了失速，而在没有结冰的正常情况下，其机翼的失速升力系数为1.6。可以说此时的机翼与正常情况下的机翼已经是2个不同的机翼了，若还按照正常的操作程序操纵飞机当然会产生问题。

从以往的飞行事故调查结果来看，不仅严重结冰会导致飞机突然失控滚转，轻微的甚至难以察觉到的结冰也会导致这样的突然滚转。美国国家大气研究中心（NCAR）与怀俄明大学合作展开的一项飞机结冰研究表明：厚度小于1.6毫米的积冰可以使机翼升力降低达25%。这一点点的积冰虽然很难被飞行员察觉到，但是它却使得飞机的失速速度提高了有20%之多。

结冰失速问题的危险性

—结冰失速的突然性和不可预测性

还必须认识到，在结冰环境中飞机的失速是在没有一点明显的视觉、触觉提示，或是其他任何征兆的情况下发生的。NASA格伦研究中心和NCAR展开的结冰试飞研究结果已经证明，飞机在失速前是不会给飞行员任何预警的。NCAR的试飞员指出：结冰试飞中飞机的操纵特性和模拟器失速改出训练完全不一样，再加上结冰的飞机在驾驶杆振动前就失速，因此，结冰常常导致飞机坠毁也就不足为奇了。

多数飞机上的失速警告系统（SWS）是按照干燥、无附着物的机翼设计的，也就是说这些系统在机翼结冰的情况下无法起到失速告警的作用。为了解决这一问题，技术人员尝试着在最新的安全飞行迎角/失速警告系统（SFAA/SWS）中加入了“结冰模式”，在“正常模式”下，驾驶杆振动警告、迎角测量系统和低速探测系统都按照标准的飞机失速速度设定；而在“结冰模式”下，考虑到飞机失速速度的增加，所有数据都由正常失速速度加上9.3千米/时进行设定。一般情况下，SFAA/SWS系统的“正常模式”和“结冰模式”需要飞行员手动切换，但是，一旦飞行员启动了发动机除冰系统，SFAA/SWS系统也会自动从“正常模式”切换到“结冰模式”进行工作。

飞机积冰的形状、厚度、结构以及在飞机上形成的位置千差万别。每种冰型都会构成一个新的翼型，有着唯一的升力、阻力、失速迎角和力矩特性，不同于原翼型及其他任何一种翼型。某些情况下有少量结冰的翼型可能和原翼型区别不大，对飞机飞行性能造成的影响可能比较小，而多数情况下，结冰可以极大地改变机翼的气动特性，以至于全部或部分机翼无预警地突然失速。所以飞行员是不可能知道飞机结冰后的失速迎角实际是多少的。同理，SFAA/SWS系统也不可能预测飞机的结冰失速速度实际是多少。endprint

理论上，SFAA/SWS系统是有助于飞行员及早发现飞机的结冰问题，但是事实是它仍然存在功能上的局限性，不能准确对飞机结冰失速做出预警。而结冰对飞机飞行性能的影响千差万别，将结冰失速速度在正常失速速度的基础上加9.3千米/时进行设定是非常不科学的，这也说明在此方面还有很多研究工作需要做。

涡桨飞机飞行员的恶梦

—结冰失速问题是涡桨飞机飞行安全的重大威胁

许多涡桨飞机机组都经历过结冰失速的状况，对于涡桨飞机来说，结冰带来的危险要比喷气飞机严重得多，已经成为威胁涡桨飞机飞行安全的最主要因素之一。

大多数涡桨飞机结冰都导致了严重的飞机滚转，一方面，这是由于螺旋桨的滑流效应造成的；另一方面，这也和翼尖总是先于翼根失速的现象有关。

首先，涡桨飞机的螺旋桨滑流可能会诱发结冰的飞机出现突发的滚转。这是因为螺旋桨的滑流在机翼翼尖的上洗效应相当于增加了翼尖的迎角，会使翼尖的失速提前，而滑流对于翼根又起到了推迟失速的作用。所以在滑流作用下，涡桨飞机机翼的翼尖总是先于翼根失速，再加上螺旋桨的滑流效应还使得飞机两侧机翼上的流场不对称，因此造成两侧机翼积冰也会不对称。这就很可能会导致一侧机翼先失速，从而诱发涡桨飞机突然向某一侧剧烈滚转。

此外，翼尖翼型通常和翼根处是不同的，相对于翼根段，翼尖更薄，有一个不同的弯度和更短的弦长，以及2～3°的扭转或者相关的外洗。由于翼尖有个更尖的前缘、而且弦长更短，因此它是一个高效的“积冰收集器”。相对于翼根来说，积在翼尖的冰会更厚，覆盖面更广，造成的影响也更坏。在翼尖可能发生严重积冰，使得它的气动外形被破坏得更严重，所以结冰导致的失速是由翼尖开始的，并逐渐向翼根发展。

相对于喷气式飞机（巡航高度在1万米左右高空），涡桨飞机的巡航高度要低得多（4000～6000米），在易于发生结冰问题的低空飞行时间较长。NASA格伦研究中心的研究人员指出：在同样的天气条件下，如果带防冰装置的喷气飞机出现了轻度结冰，那么涡桨飞机可能已经是中度或重度结冰了。所以，相对于喷气式飞机，涡桨飞机不仅是在易于结冰的低空中飞行的时间较长，而且其积结形成的速度也比喷气飞机快得多。还有，小型飞机的防冰装置一般为除冰气囊，而非大型飞机使用的加热防冰装置，其防冰能力较弱。总之，涡桨飞机对于结冰问题比喷气式飞机要敏感得多。

值得注意的是，积冰不仅会在涡桨飞机的机翼上形成，而且还会在螺旋桨上形成，这使得涡桨飞机改出失速变得更加困难。结冰的螺旋桨叶片会在大倾角时失速，失速使得螺旋桨产生的拉力严重下降—实际上有时螺旋桨失速会导致损失15%的拉力。另外，就算不考虑失速，在螺旋桨叶片表面形成的积冰本身也会降低螺旋桨的拉力，由于积冰改变了桨叶的翼型，导致其拉力损失可达20%之多。

同时飞机表面上积冰会增加飞行阻力，这对涡桨飞机来讲是很大的性能损失，降低了飞机加速的能力。

综上，由于涡桨飞机螺旋桨的滑流效应会加剧翼尖失速，而且相对于喷气飞机，涡桨飞机在飞行高度和飞行速度上有天然的劣势，因此，结冰问题对于涡桨飞机而言比喷气飞机要危险得多。

正确应对措施

—涡桨飞机应如何从结冰导致的失速中改出

由于飞机结冰问题是无法避免的，因此研究如何从结冰导致的失速中改出就显得至关重要。正常的失速改出方法强调将发动机推力加到最大，并使飞机的高度损失最小化。相比之下，从结冰导致的飞机失速中改出的方法却不大相同，它需要飞行员把飞行高度和速度等诸多飞行条件综合起来考虑，并以损失飞行高度的方式换取更大的飞行速度，以便从结冰失速中改出。

FAA前通用飞机试飞员乔·赫纳根据其多年的结冰试飞经验总结了一些对于飞机结冰失速的应对措施，他指出：当飞机在有可能发生结冰的环境中飞行时，飞行员应该手动操纵飞机，这样可以及时察觉到异常的操纵感或者微小的振动，以避免飞机进入失速。相反的，如果这时飞机还是自动驾驶模式，飞行员就不能从操纵杆上及时获得微小的异常反馈。更糟的是，当积冰刚刚形成时，自动驾驶可能会自动做出调整（例如自动增加飞行迎角）以对抗积冰对飞机操纵性造成的影响，而当积冰越来越多时，其对飞机操纵性能的影响将很快超出自动驾驶仪调整能力的极限，这时，飞行员会感觉到飞行状况异常，并试图断开自动驾驶，但此时手动操纵飞机已经为时过晚，通常此时飞机已经处于失速的边缘，很难手动操纵了，这时飞行员才会发现原来自动驾驶一直都在掩盖结冰造成的问题！

水牛城空难后，美国国家运输安全委员会发言人表示，初步调查指出，飞机在坠毁后自动驾驶功能处于启动状态。而联邦航空安全部门以及美国大陆航空公司自己的飞行指导原则均建议飞行员在冰冻环境下应该关闭自动驾驶功能，采用手动驾驶飞机。但是3407航班客机的飞行员却采取了相反的操作，导致飞机在降落过程中失控。

FAA通过多年的研究，总结了一些对于飞机结冰失速的应对措施，当涡桨飞机进入由于结冰诱发的失速时，飞行员应该采取以下紧急操纵措施：

（1）在失速迹象刚出现时，飞行员要推杆使飞机低头（而不是拉杆保持飞行高度），并尽量保持机翼水平（避免大滚转角的滚转机动），同时增大发动机转速，直到飞行速度增加到足够大，飞行迎角降到足够低为止。在大多数飞机结冰事件中，机头会在失速后低下，但是飞机在失速后的低头角度远小于飞机下降的轨迹角度（飞机的实际迎角还是增加了），这只会导致失速加剧，因此，飞行员必须在第一时间控制飞机低头，让飞机的俯仰角跟踪飞机的轨迹角，以减少飞机的实际迎角。

（2）如果飞机失控难以低头，那么飞行员应该把襟翼从巡航状态放到第一档位（进场着陆状态），再适当降低机头并提高飞行速度。等飞机从失速中改出并恢复控制，再在合适的时候收回襟翼。

低下机头以降低迎角这一点对于改出失速并恢复对飞机的控制是至关重要的。这里有一个典型的例子，1998年巴西利亚航空公司的一架涡桨飞机在飞行中由于机翼结冰诱发了飞机的意外失控。在失速开始的时候飞机突然右滚65°，接着左滚45°。飞行员把发动机功率加到100%，同时保持飞行姿态，但飞机还是没能恢复正常。实际上，发动机推力一开始就增加到了100%，这样也没有把飞机加速到足以改出失速的状态。最后在放下襟翼到第一档位后，飞行员才重新恢复了对飞机的控制。事后证明飞行员放下襟翼这一举措是避免这次事故的关键之所在，因为放襟翼增加了机翼的升力系数，而且升力增量产生的低头力矩也降低了机头，使得飞机的实际迎角减小，最终成功操纵飞机从失速中改出。

但是放下襟翼这个动作也不是绝对的，大的襟翼角度反而会加剧机翼的失速，因此，放下襟翼的角度要视具体情况而定，而放下多大的襟翼角度对于改出失速最有效也有待于进一步的研究。endprint