结冰对飞机飞行安全的影响与防护技术分析

孔繁文

摘 要：随着我国航空事业不断发展，近些年飞机结冰问题造成事故频问题也愈加严重，严重影响飞机飞行的安全性。这就需要重视结冰对飞机飞行安全的影响，并采用相关防护技术，降低飞机飞行的结冰率或减少结冰对飞机飞行安全的影响。基于此，文章重点探究飞机飞行结冰的机理和对飞机飞行的安全影响，进而提出了飞机飞行结冰防护技术。

关键词：结冰；飞机飞行；安全影响；防护技术

中图分类号：V328 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0069-02

Abstract： With the development of aviation industry in China， the problem of aircraft icing has become more and more serious in recent years， which seriously affects the safety of aircraft flight. Therefore， it is necessary to pay attention to the impact of icing on aircraft flight safety， and adopt relevant protection technology to reduce the rate of icing or reduce the impact of icing on aircraft flight safety. Based on this， this paper focuses on the mechanism of aircraft flight icing and the safety impact on aircraft flight， and then puts forward the aircraft icing protection technology.

Keywords： icing； aircraft flight； safety impact； protection technology

引言

飛机表面结冰是飞机飞行中非常普遍存在的安全隐患，严重会造成飞机飞行坠毁问题。飞机表面结冰会造成气流气压紊乱，而飞机飞行需要气流与气压保持的平衡性，失衡会造成飞机失速。特别是在民用飞机当中，如737/787型号飞机等，如果结冰可能造成机毁人亡，造成的后果不敢想象。再者，我国由于国土面积大、气候条件不同，如果气象条件恶劣在很大程度上会导致飞机结冰。我国民航事业发展非常迅速，航班次数增加，这就提高了飞机冰冻概率，所以加强飞机结冰问题的研究势在必行。

1 飞机结冰及其安全影响

结合飞机的不同飞行状态，可以将飞机结冰划分为地面结冰和飞行结冰，飞行结冰概率往往会达到90%以上。顾名思义，地面结冰就是飞机地面停放、起飞滑跑阶段，由于降水和温度较低的自然因素，导致飞机结冰，而地面结冰往往后续处理得当，事故发生几率较低。技术人员需要定期对地面停留飞机进行安全检查，如果结冰会采用地面除冰措施。如果飞机结冰没有得到处理，在起飞阶段就会大大提高安全隐患，如2004年包头飞往上海的航班就是因为没有事先除冰从而造成的坠毁，根据后续的持续调查，最终找到了坠毁原因，是飞机结霜且没有进行除冰处理。飞行结冰就是在飞行过程中产生的结冰情况，由于飞机与快速气流接触会遇冷而产生结冰问题。这就需要机组成员第一时间找出飞机的异常相应，结合天气情况、结冰情况等因素，采用相应的手段进行结冰处理，特别是在经过云层的时期，无论是哪种云，都是水汽的集合体，很容易造成结冰问题，由于这个环节时间较短、操作复杂，更容易造成飞行事故问题。如2006年某型号运输机在多次穿越结冰区产生产品失速坠毁问题。

2 飞机结冰机理分析

2.1 结冰条件分析

我们仰望天空看到的云就是水蒸气达到饱满后所形成的水汽体，其成分是小水滴或小冰晶，水滴在0℃以下时，就会和冰核凝结成小冰晶。如果云中的冰核不足，就无法形成冰晶而是温度低的小水滴，也就是冷水滴。如果气温在-15℃以上时，云中有效冰核数量就很少，如果温度在-40℃以下时，冷水滴不需要冰核不需要冰核即可形成冰水融合体，与飞机相遇会直接以冰的形态落实机表上。

2.2 冻结过程

飞机结冰主要是包括三种原因：（1）空气冷水滴过多，与飞机迎面接触产生碰撞，从而导致结冰；（2）空气冰晶与飞机相遇直接附着表面成冰；（3）如果飞机表面温度低于0℃，在

水蒸气较多的环境中就会结冰。飞行结冰是由于飞机表体沾染冷水滴，再加上飞行速度较快降低温度，从而造成家结冰。空气中的冷水滴由于存在惯性，不会绕开阻碍面会直接碰撞。基于物理原理可知，速度较快的位置气压低，飞机在飞行中会受到空气压强影响，一部分冷水滴就会附着（压）在机表上，另一部分返回空气中，从而产生结冰问题。

2.3 结冰种类

不同气象条件和飞行条件会造成不同的结冰类型。大致可以划分为明冰、霜冰、混合冰、干积冰、积霜。其中，积霜与干积冰是在飞机飞行过程中很少发生，在飞机停放阶段可能出现结冰问题，也就是一种自然结冰，这种结冰形态往往通过人力即可解决，这就需要将积霜黑客干积冰清除后才可以起飞，由于其对飞机飞行阶段影响不大，所以不做多赘述。

机表上所形成的霜冰不平整、质地稀松，通常情况下结冰形状和我们日常生活中所看到的霜非常相似。在温度为-10℃以下的云层中，这时云层中的水分含量低，更多是一种霜水结合体，粘附性非常强，与飞机相接触后会迅速冻结，由于是一种霜水融合体，流动性较差，冰层也更加粗糙，对飞机整体气流传动影响非常大。此外，在飞机温度从非常高的空中快速下降会受到温暖的空气，并且水蒸气密度增加，这时冷热相遇就会导致未饱和的水蒸气凝结成冰，如在冰冷的钢管上滴水会瞬间成冰。虽然冰霜厚度小，但是会对机体周围的气流产生影响，危险相对来说不大。

明冰就是在飞机表面上形成透明光滑、坚硬的冰层，与我们日常生活中见到冰层相近。飞机飞行中穿越了含水量较大、温度较低的云层时，温度较低、水滴较多、冻结速度也会变慢，之后慢慢形成可见冰，也就是常态冰。这种冰更加牢固，聚集厚度大，即使在除冰时也无法快速处理干净，再加上机表冰层形状各异，严重影响了飞机的气动外形，扰乱了机表流场，这对飞机安全飞行会严重极大的影响。多种结冰事故都是由明冰造成的。

混合冰兼顾了明冰和霜冰的特点，通常在-15～-5℃的云层中，存在大小不一、水冰不融的冷水滴，兼顾了大小水滴的特点。并且云中可能含有冰晶，由于冷水滴与冰晶结合冻结，最终出现了表面粗糙且不透明的混合冰。混合冰表面粗糙不平、形状各异，会影响结冰位置的气流场，再加上混合冰也非常坚固，因此对飞机安全飞行会造成极大的影响，相比明冰来说是有过之而无不及。

3 防冰、除冰的方法

由于飞机结冰会对飞机飞行造成非常大的影响，这就需要采用相关手段避免结冰，需要结合不同部位对结冰的敏感度。如今较为成熟的防除冰方法是防冰和除冰。（1）防冰。顾名思义就是避免飞机结冰，特别是积冰敏感的零部，需要采用预防结冰的方法，保证该位置在任何条件下都不会出现结冰问题。（2）除冰。飞机飞行中，特别是在寒冷天气中，不结冰是不可能的，所以可以在一些不敏感部位存积部分冰，并在后期进行清除。防除冰手段较多，可以划分为液体防冰、物理除冰、起热防除冰、电热防除冰等。其主要表现在：

3.1 物理除冰

物理除冰主要是通过蒙皮振动从而让机表冰层松动、震烈，从而将积冰在机表面上脱离，由于飞机表体结冰短时间内是薄薄一层，因此较脆，振碎脱落是除冰的一种渠道。通常情况下，可以在防护区下铺设胶皮管间断充气、放气实现蒙皮振动，由于皮管弹性缩放即会产生不规则振动情况。当然超声波振动方法也是不错的选择；静电所产生的高能量脉冲让蒙皮弹性变形实现快速鼓动。以上这些方法都可以起到除冰作用，但是会影响飞机气动性，所以当今很少采用。

3.2 液体防冰

地面和飞行过程中都可以采用液体防冰方法。地面防冰需要地勤人员在飞机没有起飞之前或没有运行前，在机身喷涂防冰液，让机表形成一层防冰膜，即使冷水滴与防冰膜接触也难以形成积冰。飞行液体防冰是指在飞机指定部位喷涂防冰液，利用飞机的气流惯性、螺旋桨离心作用，将防冰液均匀的涂抹在机表上，可以降低冷水滴的冰点（也就是即使飞行温度在0℃以下也会呈现出液体状态，不会结冰）。常见的防冰液有乙烯乙二醇、乙醇、甲醇等，这些液体都有一个特点就是凝固点低。液体防冰会让飞机上的水一直呈现为流体状，即使停止供液在一段时间内也可以避免产生结冰现象。本文建议要以地面防冰技术为主。这是因为飞行防冰中， 液體消耗量大、增加飞机负重。

3.3 气热防除冰

气热防除冰也就是通过加热从而起到防除冰效果的一项技术。喷气式发动机飞机多是采用汽油加热器作为热气源，所以会增加一定的能源损耗。气热防冰依据加热效果可以划分为湿防冰、干防冰两种形式。其中，干防冰是对保护区域进行连续加热，这样保护区生结冰现象或积冰现象几率几乎为零；湿防冰是通过持续加热让保护区域无法形成结冰条件，也就是将水量蒸发。通过二者对比可以发现，干防冰所需热量大，多用于敏感区域或容易结冰区域，例如挂架和发动机前缘等位置；湿防冰所需热量较少，容易在除冰之后产生冰瘤，防护面整体上呈湿润状态，因此应用在不敏感、少结冰的位置，包括风挡、机翼、尾翼等部位。气热防除冰技术从压气机处引气，实施起来较为困难，如果结冰问题严重，需要大量能源提供热量，造成发动机能量不足。如737/787型号飞机机翼和尾翼采用气热防除冰技术中，为了避免引气过多造成发动机功率下降问题，通常可以选择机翼、尾翼交替除冰的方法。

3.4 电热防除冰

该项技术是将电能转化为热能， 通过对电能加热防护区域，从而实现防除冰目的。对于不允许积冰或耗电较小的部件，可以采用连续供电加热，包括风挡、空速管等部位；对于少量积冰或耗能较大的位置，可以采用周期供电加热的方法，包括机翼和尾翼等。电热防冰技术由于操作简单、动力损失小、加热均匀、防除冰效率快等优势，因此使用较为广泛，特别是电热系统除冰，由于可以实现数值模拟、精准控制，所以是飞机防除冰发展的一大趋势。

4 结束语

飞机飞行防除冰技术对飞机安全飞行有着重要意义。本文提出了结冰对飞机飞行的安全危害，阐述了飞机结冰机理，并介绍了几种飞机防除冰的方法，旨在降低飞机飞行中的结冰危害。

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