飞机除冰液空气动力学性能研究

彭华乔，吴海涛，王强，夏祖西，张亚博，苏正良

(中国民航局第二研究所，四川 成都 610041)

在结冰条件下，冰、雪、霜对飞机的运行安全会造成直接影响，会使飞机外表面变得粗糙，增加飞机重量，限制飞机操纵面的活动范围，导致仪表误差，严重时还引起飞机失速增加和瞬间反常上仰，从而使飞机的飞行性能大大下降，特别当飞机起飞上升时，使得飞行姿态难以控制，严重则造成空难。世界航空史上已发生多起因恶劣冰雪天气造成的空难，飞行机组、机务和签派人员都应高度重视冬季气象条件给飞机带来的危害。因此，为了保障正常航运和飞行安全，必须除去飞机表面的冰霜积雪［1］。采用飞机除冰液除去冰霜积雪是目前常用的方法，但喷洒在飞机表面上的除冰会对飞机的空气动力学性能带来一定影响，从而影响到飞机的升力，这种影响随着液体的浓度、粘度和温度变化而变化。

1 飞机除冰液

1.1 概述

国际上普遍要求飞机除冰液需符合美国机动车工程师学会(Society of Automotive Engineers，SAE)发布的标准要求，同时也将飞机除冰液分为四类，即SAE I 型、II 型、III 型和IV 型飞机除冰液。飞机除冰液以乙二醇(Ethylene Glycol，EG)、丙二醇(Propylene Glycol，PG)和 二 甘 醇(Diethylene Glycol，DEG)等多元醇为主要原料，并添加一些能提高除冰效率的表面活性剂和防腐剂，II 型、III 型和IV 型飞机除冰液还添加了增稠剂。其中I 型需符合SAE AMS 1424［2］的要求，为牛顿流体，粘度较小，醇含量按重量计至少为80%，能有效去除飞机表面上冰霜，但防冰时间有限;II 型、III 型和IV 型需符合SAE AMS 1428［3］的要求，属于非牛顿流体，粘度较大，醇含量按重量计至少为80%，具有较长的防冰时间。

1.2 飞机除冰液适航审定

根据《民用航空用化学产品适航管理规定》(CCAR-53 部)的要求，飞机除冰液作为一种航空化学产品，只有在取得了民航局颁发的民用航空产品设计/生产批准函后，才能投放市场。获得批准函需满足3 个条件:①生产厂家拥有优质的质量控制体系;②产品符合相应的技术要求;③优质的售后服务［4］。

对于质量控制体系方面，CCAR-53 部第3 章第十五条对原材料的入厂检验控制、生产过程控制、生产和检验设备的校验、人员的培训和资格鉴定、向局方报告的程序等15 个方面的要素进行了规定。对于售后服务方面，要求除冰液生产厂家需对用户进行必要的培训，比如除冰液的理化指标、检验方法、使用方法等，以使用户能够正确的认识并使用除冰液。根据不同的类型，飞机除冰液须满足相应标准的技术要求，即SAE AMS 1424、SAE AMS 1428，包括环保性能、理化指标、稳定性能、与飞机材料相容性、使用性能(防冰性能、空气动力学性能)等，其中空气动力学性能是非常重要的一项。

2 飞机除冰液空气动力学性能

2.1 发展历史［5-7］

早在1982 年，波音公司就开始进行飞机除冰液空气动力学性能的研究，研究表明喷洒在飞机表面的除冰液会导致飞机起飞后升力损失、阻力增加，但早期的试验存在缺陷，比如风洞未进行冷却、模型尺寸较小的缺陷。

1984 年，在波音公司的研究基础上，欧洲航空公司协会(AEA)联合比利时冯卡门流体动力学研究所(VKI)改进了试验方案，试验分为3 个阶段。在第1 阶段中，主要评估了试验温度和初始液体厚度对试验结果的影响;在第2、3 阶段中，主要通过在模拟的波音737-200ADV 飞机机翼上获得除冰液空气动力学数据。但上述试验方案依然存在不能解决模拟的机翼尺寸较小，不能得到最大升力系数数据等缺陷。

为了评估飞机除冰液对大型喷气飞机空气动力学性能的影响，并获得全尺寸试验数据，在1988 年，波音公司和AEA 在芬兰Kuopio，采用德国汉莎公司提供的一架波音737-200ADV 飞机对4 种飞机除冰液(1 个I 型液，3 个II 型液，均用罗丹明6G 进行染色处理)空气动力学性能进行了全尺寸试验(见图1)，试验测得了升力损失和阻力增加的具体数据，但该试验依然存在试验费用较高、环境温度难以控制等缺陷。

图1 波音737-200ADV 飞机全尺寸试验Fig.1 Full scale test for Boeing 737-200ADV

1988 ～1990 年，美国航空航天局Lewis 研究中心联合波音公司、AEA 等单位对飞机除冰液进行了风洞试验，结果表明与全尺寸试验结果有较好的一致性，飞机除冰液空气动力学性能与飞机构型、液体粘度等因素有关。

1988 年，来自空客、波音、福克、麦道、AEA 和VKI 等单位的专家成立了AIA TC 218-4 技术小组，该小组建立了飞机除冰液空气动力学性能的评估方法。研究表明，通过在冷却风洞中的平板可以观测到除冰液的吹脱行为，测试风洞中飞机除冰液的边界层位移厚度(boundary-layer displacement thickness，BLDT)可计算出升力损失。SAE 也将飞机除冰液空气动力学性能的评估方法作为要求写进标准。

2.2 标准

为了考察喷洒在飞机表面上的除冰防冰液对飞机空气动力学性能带来的影响，SAE 在2003 年发布了关于飞机除冰液空气动力学性能测试方法的标准，即SAE AS 5900 Standard Test Method for Aerodynamic Acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 Aircraft Deicing/Anti-icing Fluids［8］，标准经多次修订，目前的最新版本是2007 年发布的B 版。该标准中要求的测试被分为两类，一类测试条件为风速65 m/s;另一类测试条件为风速35 m/s。在通常条件下，随着温度降低除冰液的空气动力学性能(吹脱性能)会变差，因此通过这种空气动力学性能试验，可以确定除冰液满足飞机空气动力学要求的最低温度。

2.3 试验方法简介

当飞机在起飞加速和爬升过程中，除冰液从飞机表面上吹脱时，需确保除冰液具有可接受的空气动力特性。通过SAE AS 5900 规定的试验设备(见图2)可以进行评估，该设备由美国航空航天局Lewis 研究中心使用的风洞设备改进而来。

图2 飞机除冰液空气动力学性能测试设备示意图Fig.2 Facility schematic of aerodynamic test

本试验方法需对测试样品、标准参比液、试验段干状态分别进行BLDT 的测量。试验时，在试验段(见图3)底面注入大约1 L 飞机除冰液，用校正过的刮板刮成2 mm 厚的薄膜。薄膜应从第二站位覆盖到第三站位，并去除多余的液体。在试验段内的气流速度≤5 m/s 的情况下，将飞机除冰液稳定放置5 min，使样品温度接近目标温度。根据不同的风速要求(见表1)，对试验段内的空气进行加速，测试相应状态和位置的压力，并根据式(1)和式(2)计算出飞机除冰液的BLDT 值［9］。

表1 试验段内的风速要求Table 1 Requirements of wind velocity for test duct

2.4 注意的问题

当飞机的外表面是清洁和光滑的，飞机在飞行时，在气流的作用下，机翼和尾翼上可以获得很大的升力。当飞机被冰、雪、霜等污染物覆盖的时候，会影响升力和飞行性能，即使是轻度污染物如霜等也会产生相当大的负面影响，污染物在飞机上聚集的越多，阻力就越大，性能损失也就越大。所以必须清除冻结的污染物。喷洒在飞机表面的除冰液除了实现其保障飞机表面清洁的功能的同时，也不能影响飞机的空气动力学性能，因此对飞机除冰液空气动力学性能测试是一项非常重要的工作。

2.4.1 第二、三站位处压差传感器P2、P3伸入导管不宜过长 压差传感器开口应与导管上表面齐平，若伸入导管内部传感器周围气流会产生扰动，不仅影响导管内流场分布的均匀性，更有可能导致压力测试不准确。

2.4.2 第二站位处的温度传感器安装位置应与压差传感器P2错开 第二站位处温度传感器一般处于顶部中间，由于温度传感器需要伸入导管，且最好位于顶面下方约5 mm，才能较为准确的测试出气体的温度。但伸入导管内的5 mm 传感器会对其附近的气流产生扰动，若其与压差传感器同位于第二站位的顶部中间势必会对压差测试产生影响，因此温度传感器的位置需与压差传感器位置错开。

2.4.3 第三站位处液体温度测试传感器不宜伸出过高 第三站位处温度传感器位于底部中间，但不能超过底面过高，若是过高可能会导致测得的温度不是液体温度，而是气体温度。根据初始待测液体铺展厚度试验要求为2 mm，因此该温度传感器高度取1 mm 左右较为合适。

2.4.4 导管内结霜 进行该试验时一定要注意避免测试导管内结霜，若是导管内成霜将会严重影响试验结果。

2.4.5 待测样品含水量 试验前以及试验进行中要注意避免样品脱水情况的发生，因为样品含水量的多少也会对最终试验结果产生极大影响。因此试验前应用合适的容器储存待测样品，以防止样品中水分的蒸发。并且试验前后也应对样品立即进行折光率测试以判断试验过程中的水分损失情况。

3 结束语

作为一种重要的航空化学品，飞机除冰液为保证飞机冬季安全飞行起到了十分重要的作用。近年来，随着我国民用航空的高速发展，对飞机除冰液的需求也日益增加，但前提条件是除冰液的质量必须符合标准的要求。为了确保产品质量，我国从20 世纪90 年代开始就对包括飞机除冰液在内的航空化学产品进行适航审定。空气动力学性能是飞机除冰液重要的一项技术指标，我国适航部门一直严格按照要求对该项性能进行审定以确保航空安全。

［1］ Juan Marin，Kevin J Kennedy，Cigdem Eskicioglu.Characterization of an anaerobic baffled reactor treating dilute aircraft de-icing fluid and long term effects of operation on granular biomass［J］.Bioresource Technology，2010，101(7):2217-2223.

［2］ SAE.SAE AMS 1424 K Deicing/anti-icing fluid，aircraft，SAE type I［S］.Warrendale USA:SAE，2012.

［3］ SAE.SAE AMS 1428 G Fluid，aircraft deicing/anti-icing，non-newtonian (Pseudoplastic)，SAE types II，III，and IV［S］.Warrendale USA:SAE，2010.

［4］ Peng Huaqiao，Xia Zuxi，Su Zhengliang.Airworthiness certification of civil aero-chemicals in China［J］. Procedia Engineering，2011(17):633-637.

［5］ Eugene G Hill，Thomas A Ziertent.Aerodynamic effects of aircraft ground deicing/anti-icing fluids［J］. Journal of Aircraft，1993，30(1):24-34.

［6］ Runyan L J，Zierten T A，Hill E G，et al.Lewis icing research tunnel test of the aerodynamic effects of aircraft ground deicing/anti-icing fluids［R］. Washing USA:NASA，1992.

［7］ Andy P Broeren，James T Riley.Review of the aerodynamic acceptance test and application to anti-icing fluids testing in the NRC propulsion and icing wind tunnel［R］.Washington USA:NASA，2012.

［8］ SAE.SAE AS5900 B Standard test method for aerodynamic acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］. Warrendale USA:SAE，2007.

［9］ 王航.GB/T 20857—2007 飞机非牛顿型除冰、防冰液ISOⅡ型［S］.北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2007.