结冰对新舟600飞行性能影响研究

何志祥，胡俊伟

(中国民用航空飞行学院 广汉分院 ，四川 广汉 618307)

0 引言

飞机结冰是威胁飞行安全的重要因素之一，飞机一旦出现空中结冰轻则返航迫降重则机毁人亡，对人们的生命财产安全造成了巨大的损失[1]。据FAA数据统计[2-3]，2006—2016年由结冰引起的事故占总事故的2.5 %，占致命事故的4 %，各种因结冰引起的飞行事故屡见不鲜：2004年11月21日东航MU5210航班因飞行前未进行除冰处理，在起飞后不久坠落，造成55人遇难；2012年4月2日俄罗斯一架ATR-72型飞机因发动机结冰而坠毁，导致31人遇难。随着我国民航事业的发展，全天候飞行已经成为趋势，然而因地域、季节、气候等影响，导致飞机结冰的几率大大增加，飞机因结冰而出现的事故也逐年攀升，因此对飞机结冰问题的研究已经刻不容缓。

1 结冰机理

1.1 结冰条件及冰型

飞机结冰是指飞机在大气中飞行时某些部位集聚了冰层的现象[4]。飞机通常在三种情况下易于结冰，一是表面温度较低的飞机突然进入潮湿的环境时，容易出现结冰现象；二是当空气中存在过冷水滴，且飞机在飞行中与过冷水滴碰撞而结冰；三是飞机表面与空气中的冰晶碰撞导致结冰。从实际情况来，飞机飞行中结冰绝大多数是因为机翼表面与空气中过冷水滴相互碰撞而引起。在飞行过程中，空气遇到机翼等障碍物会改变其原流场从而绕开障碍物，但是过冷水滴因惯性较大无法及时避开飞机迎风面，在与迎风面碰撞过程中一部分过冷水滴返回到空气中，而另一部分则附着在飞机表面发生结冰[5-6]。过冷水滴与飞机碰撞流体示意图[7]如图1所示。

图1过冷水滴与飞机碰撞流体示意图

飞机在不同气象条件和飞行状态下结冰的冰型往往会有一定的差异，主要包括：明冰、积霜、霜冰、混合冰、干积冰。其中干积冰和积霜一般是在飞机停放过程中出现，飞机在飞行前通常需要对其进行清除，因此对飞行阶段影响较小。霜冰质地稀松，其表面较为粗糙透明，通常当温度低于-20℃时，空气中过冷水滴与飞机碰撞形成霜冰，因为霜冰质地稀松的特点，通常可通过加温的形式对其清除[8]。明冰是飞机在穿越过冷水滴较多的云层或温度较低的雨区时，在机体表面形成的质地坚硬、光滑、透明的冰层，此类冰型因为外形较为复杂，对飞机的外部气流有着很大的影响，因此对飞行安全有着很大的威胁。混合冰通常又被称之为毛冰，一般在-5～-15℃的云层中形成，而在该温度下云层中往往存在着大量的过冷水滴，且云层中又含有大量的冰晶，过冷水滴与冰晶混合后形成了表面较为粗糙的混合冰[9]。混合冰因表面粗糙严重扰乱了机翼表面的气流，对飞行安全产生了一定的影响。

1.2 结冰严重程度度量

结冰的强度是衡量结冰影响飞行安全的重要指标，通常采用结冰率来表示[10]。结冰强度在表征上通常是指在单位时间内、单位面积上的结冰量，从划分上来看主要分为弱结冰、轻度结冰、中度结冰以及强结冰，不同结冰强度的结冰速率[11]如表1所示。

表1 不同结冰强度的结冰速率

从实际情况上来看以速率划分的结冰强度并不能真正表达飞机表面结冰情况，例如在弱结冰条件下飞机所处时间较长，那么机体表面将会结成较厚的冰面。类似在强结冰条件下若飞机所处时间较短，那么机体表面所结冰量将较少，因此单纯的以结冰速率来判断结冰强度存在一定的局限性。在实际飞行中飞行员为了判断结冰对飞行安全的危害性，通常以结冰程度(即结冰厚度)为依据，判断机体结冰情况。飞机结冰程度等级如表2。

表2 飞机结冰程度等级

2 结冰对飞机性能的影响

在结冰条件下，飞机的机翼、风挡、空速管、发动机进气道等部分会出现结冰现象，飞机一旦出现结冰轻则会增加飞行重量，重则影响飞机的升力、操纵性以及发动机推力等，从而威胁飞行安全。

2.1 对起飞性能的影响

飞机在地面停放，一旦出现结冰现象必须进行除冰处理，但是不能排除突发情况下飞机结冰起飞，因此仍然需要对结冰情况下飞机起飞性能进行研究。结冰情况下新舟600起飞性能的计算结果如表3所示。

表3 结冰情况下新舟600起飞性能计算结果

由表3可以看出，在结冰情况下飞机离地速度、滑跑距离、起飞距离等均出现增加，而造成这一现象主要是飞机结冰导致升力系数降低，原有在未结冰情况下的升力无法与飞机重力相平衡，这种情况下只有增加飞机的离地速度才能使飞机起飞。另外，结冰使得飞机阻力增加，起飞加速度减小，从而使飞机的滑跑距离和起飞距离增加。除此之外，飞机在结冰情况下，其平尾操纵性能会受到很大的影响，飞行员在拉杆过程中易出现拉杆过多，虽然在短时间内可以使升力增加，但是容易出现迎角过大，在低速情况下会造成飞机失速。

2.2 对爬升性能的影响

飞机在起飞后需要爬升到对应的巡航高度，而爬升过程中随着飞行高度的增加，外部温度不断降低，飞机易出现结冰情况，因此有必要对结冰情况下飞机爬升性能进行研究。初始飞行高度为2000 m，发动机最大推力情况下以0.4的马赫数进行爬升新舟600爬升性能计算结果如表4所示。

表4 新舟600爬升性能计算结果

飞机在结冰后默认飞机总重量不变，推力降低按5 %计算，其中：

(1)

式中，ΔP为剩余推力；θ为爬升角；vy为爬升率；v表示爬升速度；Gpj为飞机平均重量；Cx为阻力系数；P为推力；s为迎风面积；d为空气密度 。

通过表4的计算结果可以看出，飞机出现结冰后其剩余推力降低导致飞机的爬升角、爬升率以及爬升的梯度均出现下降，若飞机爬升距离过长很容易造成飞机因结冰而出现飞行事故。

2.3 对续航性能的影响

飞机在飞行过程中巡航阶段往往占据总航程和总飞行时间的90 %，而飞机在巡航过程中出现结冰会严重影响飞机的续航性能，如式(2)所示为巡航阶段的航程和巡航时间计算方式。

(2)

式中，K表示升阻比；V表示巡航速度；Z表示推力有效系数；Wxh表示巡航阶段燃油重量；q为燃油消耗率；L表示航程；T表示巡航时间 。

根据式(2)，假定两种状态下V、Z、Wxh、Gpj均保持不变，当升力系数减小5～15 %，阻力系数增加15～50 %时，根据计算此时升阻比将变为原来的57～83 %，由式(2)可计算出续航时间和续航航程均减少了13～40 %。通过计算可以发现飞机结冰对飞机续航时间和航程有着很大的影响，但是飞机在实际巡航过程中因为速度较快，在气流作用下冰层会在一定程度上脱落，因此飞机在实际飞行中所受到的影响较小。

2.4 对着陆性能的影响

飞机着陆是飞机事故多发阶段，若飞机在着陆过程中出现结冰现象，轻则影响飞机着陆性能，重则会导致机毁人亡，因此有必要研究在结冰情况下飞机着陆性能。以新舟600为例，当飞机着陆时开启发动机反推装置，襟翼偏角设置为0°，新舟600着陆性能对比结果如表5所示。

表5 新舟600 着陆性能对比结果

由表5可知，当飞机出现结冰时，此时飞机的升力系数降低，失速速度增加，进而导致飞机接地和进场速度增加，最终使得着陆距离和滑跑距离增加，且飞机冰层厚度越厚对飞机着陆性能影响越大。除此之外，飞机在着陆过程中其平尾也可能出现结冰，从而导致配平困难，加之着陆速度较大，若为了降低着陆速度而放下襟翼则很容易因平尾处下洗过大而产生附加抬头力矩。在这种情况下若飞行人员处置不当极易造成飞机失速，进而引发事故。

3 新舟600防冰、除冰技术

飞机在结冰情况下为了保证飞行安全，需要对飞机特定部位进行防除冰处理，就新舟600而言需要采取防除冰处理的部位主要包括螺旋桨、机翼、空速管、发动机进气道、尾翼以及风挡等部位。从工作方式上来分，防除冰技术主要包括机械除冰、液体防冰、热力防冰，其中机械除冰主要包括气动除冰和电脉冲除冰，热力防冰又可按加热方式和热源方式进行划分，飞机除防冰技术如图2所示。

图2飞机防除冰技术

气动除冰：气动除冰属于机械除冰方式，该除冰方式通常用于机体部件前缘位置，在飞机部件前缘安装膨胀管，在气动作用下膨胀管通过膨胀方式使冰层破碎脱落，通常该除冰方式多用于低速飞机的尾翼前缘处。

电脉冲除冰：该除冰方式是采用电脉冲在飞机待除冰部位通过释放静电能，使飞机蒙皮在弹性形变范围之内产生高速震动，从而使蒙皮表面冰层脱裂，达到除冰效果。

液体防冰：液体防冰技术通常用于飞机风挡、尾翼前缘等部位，当防冰液与机体表面的过冷水滴混合后，可有效提高机体表面温度，从而使机体表面温度高于过冷水滴凝固点。对于已经结冰的飞机可在结冰区域连续喷洒防冰液，这样可使积冰融化形成雪泥，在气流作用下被吹掉。

电热除冰：电热除冰主要用于飞机风挡、空速管等部件，从工作原理上来看其将电能转换为热能从而使飞机部件表面温度升高，起到防冰和除冰的效果。

气热防冰：气热防冰在使用中通常用于发动机进气道前缘以及机翼表面，在防冰过程中利用热空气加热机翼表面和发动机进气道前缘，防止空中出现结冰。

4 结语

飞机结冰严重威胁飞行安全，飞机一旦出现结冰其气动性能将受到直接影响，进而影响飞机起飞、爬升、巡航、着陆等各个阶段的飞行性能。现阶段对飞机结冰条件、过程以及结冰对飞机气动性能的影响仍需继续探索，在现有飞机除防冰技术的基础上，应加大对飞机除防冰技术的研究。