浅谈降雪对飞机制动系数的影响

Reinhard Mook

如今，在跑道摩擦系数及飞机制动系数测量和估算上仍存在着种种不确定性，而这种不确定性导致了飞机降落距离及最大降落重量的不确定。据挪威事故调查委员会2011年一项研究显示，“这种不确定性已引发多起飞机事故及事件，例如因跑道表面过滑，导致飞机降落时脱离跑道。”

在30起受调查的事件中，挪威事故委员会发现“飞机制动系数与跑道摩擦系数测量/估算不一致。”研究中，调查委员会认定了降低安全系数的若干共同因素，并发现了可阐明飞机制动系数和摩擦系数差异的因子。挪威事故委员研究表明，“这些因素与气象条件、摩擦测量、跑道处理，操作事项及管理状况息息相关。”

降雪湿度，即跑道冰冻物的液态水含量体积百分比也是因素之一。为进一步了解委员会综合报告中的飞机冬季操作事项，2009年至2012年期间，在挪威事故调查委员会资助下，作者对挪威斯匹次卑尔根群岛的斯瓦尔巴机场进行了冰冻物的湿度研究。

研究结果表明，降落中的雪或刚刚落地的雪，其湿度随着空气表层温度升高而降低，逆温的特殊情况除外。刚落地的雪，在未与地面降水接触或还未融化时，在几个小时内可以部分变干，有利于飞机制动。在这种情况下，基于飞机制动系数值的预估的飞机制动性能与当时观测的样本冰冻物的湿度紧密相关。

制动系数基本指标

2011年挪威事故调查委员会的研究显示，传统设备的制动测量并不可靠，尤其在临界温度值接近冰点温度或存在湿度较大的密集冰冻物时，测量更不可靠。目前的研究重点在于冰冻物的湿度。尽管湿度、表层温度，以及三开差值规则（three-kelvin-spread-rule）相互关联，不过这三方面或成为预期制动行为的基本指标。三开差值规则指明了露点与天气实况，即航空例行天气预报，露点与3开氏度或3开氏度以下的空气温度（为跑道表面2米，即6.6英尺的空气温度）之间存在的差异，这种差异表明湿度保持在80%或80%以上。

而近时下的雪中可能含有大量液态水。当近时雪挤压在一起时，其表面就会覆盖一层薄薄的水汽，这层水汽在微观上会减弱介于飞机轮胎与跑道表面物质间的剪力传输（即制动力）。积雪或冰表层融化时，也会产生类似的情况。随着冰晶颗粒表层被液态水包围，进而达到融点温度，积雪转化成的冰就会逐渐分解融化。轮胎减速过程中，冰的静态稳定性会降低或增加自由液态水的润滑作用。

轮胎的动力作用也会促进雪的融化，因此，在轮胎碾压过的地方就会产生其他液态水。经验显示，挪威事故调查委员会所描述的制动总结果与冰冻物的液态水含量存在着部分的联系。

水分测量难题

冰/雪研究领域的微观气象学家通常会利用冰冻水与液态水之间的电容率（即介电常数）差异来测量雪/冰的湿度，这种方法在该研究上切实有效。迪诺斯介电水分测定仪（Denoth Dilectric Moisture Meter）就利用了这种差异，在知道雪密度的情况下，确定液态水的比例。作者在研究中采用了平面式电容传感器，将一侧固定在冰冻污染物上面，另一侧则暴露在空气中。传感器覆盖的有效面积为160平方厘米（合25平方英寸），操作频率为20赫兹。当接近传感器内部时，敏感性强烈降低。该工具可测量厚度为一厘米（合0.39英寸）的雪层/冰层。理想情形下，传感器与冰冻物之间应该没有气洞。当传感器放置于冰冻物上时，按电压读数的函数计算冰冻层的电容率；当传感器暴露在空气中时，将电容率与电压作比，以此为参考点，仪器进行运作。知道雪和冰的密度，才可以计算液态水的含量。

在跑道上进行实地测量，因气温低、风力大、光照不均，一些非可控的错误不可避免。压缩的雪或冰表不够平滑，很难与传感器完全契合。此外，修建跑道的砂粒也不能从测量区完全清除，尤其是冰冻物质覆盖时，更难移去，但砂粒会影响湿度及密度的测量。污染层的深度并不是一成不变的，且有可能包含有不同的物质型态。因此，沥青及混凝土的电容率也会影响介电读数。

通过刮去冰雪表面的雪，或雪/冰的杆（螺栓），填补冷冻箱，深度至6厘米（2.36英寸）的这种方法，解决了传感器和跑道表面物质之间的难以密切接触的问题。如此一来，湿度的测量由深度在6厘米处的探头完成。密度由已知的体积重量确定，从而避免了气洞问题。这几项读数，都在无风干扰的区域获得。

降雪湿度随时间变化

地面以上2米处的空气温度（由航空例行天气报告所得）与雪的湿度之间存在联系。测量中分析了雪的情况，考虑到了是降水1小时内的积雪，还是测量过程中的持续降雪，但已遭交通工具碾压。在测量中，排除了降水过程中飞雪的情况，因为时间越长，风干的雪可能会影响测量结果。101样本读数是间或性观察的结果，温度和湿度的任何组合均无误差概率。

湿度测量的两种情况为，人们所预想的湿度较低情形（体积百分比小于等于4），以及湿度很高的情形（体积百分比在10到19之间）。高空温度在850帕压力水平（汞柱高度25.1）下监测时，地面低温条件下的相对湿雪受逆温及上方暖空气对流或转移的影响。其他情况下，则受北极地区的海上气团与气温的近湿绝热渐变梯度引发的阵雪影响。雪的湿度测量尚未被认定为跑道管理的标准做法，因此依照惯例，雪的湿度测量，不能只在地面空气温度中进行，高空温度测量也应纳入其考虑范围。

除此之外，湿度会随地面空气温度而增加。温度在0摄氏度（32华氏度）或0摄氏度以上的数据涵盖了机场地面操作中的湿雪及雨雪积累冰冻物的所有情形。多数情况下，只有在空气温度超过3摄氏度（37华氏度）时，才可观测到雨。体积百分比在26到27范围内观测到的最大湿度值受冰冻物保留液态水能力的限制。

降雪停止后，积雪清扫的结果就是积压的雪堆，可能堆在以前的污染物上。随着时间推移，雪堆内部冻结、结晶，粘合于底部物质并蒸发，最后雪将慢慢消失。这一过程取决于内外部的温度变化梯度，及通风状况。多数情况下，降水停止，云层消散，温度会随之降低，露点到霜点差值升高。各案例情形不同，但在特定条件下，随着时间而逐渐变干的过程对于提高制动操作或有价值可取。

17个案例中，降雪末期，雪的湿度体积百分比为24到10。在所有案例中，开始湿度假定为百分之百，因为从实际开始湿度的百分比看，可以描述变干的过程。红外传感器测量到随着天气变化，即降水过后，云层消散到天气晴朗，雪的表层温度会逐渐降低。8个小时过后，雪的湿度降低了75%。观测案例中，表层平均温度由零下4摄氏度（25华氏度）降低到零下11摄氏度（12华氏度），航空例行天气报告的空气温度差值，霜点温度（定义为冰，而不是定义为液态水的露点）增加到5开氏度。

飞行员的一般经验为近时雪的摩擦力较小，但几个小时后，摩擦力会增大，这与观测的变干及表层温度降低的过程一致。由此可以总结出挤压雪中的液态水与制动状况有关。冰晶力学，冰聚体内的液态水，温度及冰冻体的剪力传输能力之间相互关联。

湿度与制动系数

飞机制动系数与湿度的关系在跑道污染物管理方面至关重要。本研究中，没有涉及飞机减速方面的数据。正如笔者之前所述，这些数据只能估计。鉴于此研究方法主观性较强，因此给出飞机制动系数只可作为参考指标。

在正面阻力的平均值小于8节时，代表性案例由飞机制动系数推导得出。另外，62个案例样本中，再现了冰冻污染物的不同结构。通常情况下，被污染的跑道都会经过打磨，从之前或最近应用程序，或两者都有。多数情况下，会使用温热的细沙。尽管在湿度较大时观测更适宜，但是，湿度较小时的观测还存在偏差。与天气条件较“干”的时段相比而言，解冻或湿度很大的降水天气并不频繁。当预期的制动条件不佳时，航班会取消或改变路线。

研究发现飞机制动系数随湿度降低而升高，尤其在湿度体积百分比小于10时。样本中，比较干燥的环境会伴随着温度增高，差值增大。如之前研究所示，通常随着表层温度的降低，差值会增大（抛光作用除外），飞机制动系数进而提高。由于气象反馈的相互依赖性，湿度与表层温度为飞机制动系数提供了良好的指标。

值得一提的是，尽管案例研究只能代表独特的情况，但这种研究确实可以提供更多值得考虑的细节。各案例研究中，除去分散注意力的细节，或可揭示出单独的数据分析中忽视的观点。