某型运输机高寒环境地面除冰程序方法研究与验证

杨甲龙 陈友法 匡恩喜

摘要：围绕某型运输机高寒地区试飞任务，对飞机在高寒环境下的地面除冰关键程序方法进行了预先研究，包括除冰时机的确定、防/除冰液的选配、除冰关键表面的识别、除冰喷洒顺序及路线的确定、除冰作业及防冰保持时间的计算等，并经试飞过程多次验证优化，确保了该程序方法的合理和可操作，保障了飞行安全和任务完成，可规范指导飞机地面除冰工作。

关键词：运输机;高寒;地面除冰;程序方法;活性霜;保持时间

0 引言

某型运输机前往海拉尔地区进行高寒试飞评估工作，评估过程中可能遇到霜、雪天气，如果这些霜、雪附着在飞机的机翼、机身和尾翼上表面，飞行前必须进行除冰和防冰操作，才能确保高寒试飞工作的正常开展。但该型飞机为新研飞机，没有进行过地面除冰工作。因此，在去高寒地区试飞前必须考虑飞机结冰和地面除冰问题，研究确定合适的防除冰时机，筛选合适的防/冰液，验证除冰步骤和程序是否满足要求，统计除冰液的防冰保持时间能否满足起飞要求。

1 地面防/除冰技术调研

地面除冰的原理不同于飞机上自带的防除冰装置。飞机上的除防冰装置是依靠飞机自身的引气、电能或机械膨胀原理来消除积冰，确保航行安全的。地面除冰的原理过程是将除冰液与水的混合物按一定浓度配置在一起，加热到一定温度，然后借助地面除冰保障设备将除冰混合液喷洒到机体表面，依靠除冰液去融化机体表面的霜、雪和积冰，当机体表面的积冰全部融化后，则除冰完成。但由于此时机体表面是大量融化的水与除冰液的混合物，该混合物的浓度比除冰液的原配比浓度更低，容易产生二次结冰，再次结冰的时长定义为除冰液保持时间。通常情况下，除冰后如果起飞等待时间过长或遭遇了恶劣雨雪天气，还要进行防冰作业[1]。

某型运输机属于新研飞机，没有进行过除/防冰作业，也无相关方面的技术和经验积累，国内军机及军标在这方面都是空白，仅能从民航标准、航空公司运营资料上获悉相关内容。适航咨询通告AC-121-50《地面结冰条件下的运行》和民航标准MH/T 3011.19-2006《民用航空器除冰、防冰液的使用》给出了民航机场除冰作业程序和除冰液的使用原则，但是对于具体的技术细节，还需根据特定机型进行针对性研究分析才能确定。因此，对于除/防冰时机、除/防冰液型号的选择以及除/防冰液的保持时间这三个关键技术点进行了前期调研。

1.1 除/防冰时机分析调研

《AC-121-50地面结冰条件下的运行》没有给出具体的除/防冰时机，但是提出了地面结冰条件：一般情况下地面结冰是指外界大气温度在5℃以下，存在可见的潮气（如雨、雪、雨夹雪、冰晶、有雾且能见度低于1.5km等）或者在跑道上出现积水、雪水、冰或雪的气象条件，或者外界大气温度在10℃以下，外界温度达到或者低于露点的气象条件。没有给出具体的除/防冰时机。

按照此条款进行文字解读，海拉尔地区年平均气温为-1℃～-2℃，冬季最冷月平均低温为-30.83℃，假设要进行飞行试验，则每天都需要进行除/防冰作业。但是调查发现，海拉尔机场起飞的民航客机并不是每个飞行架次都需要进行除/防冰作业。为此专门去海拉尔机场除冰部门进行调研咨询，除冰部门给出的解释是，除冰时机需根据天气情况结合飞机的实际情况进行判断，跟天气温度相关，但不绝对。例如，当日气温为-20℃，但是天气情况良好，空气湿度较低，凌晨时飞机表面虽然结了一层浮霜，但是到8、9点航班起飞前，飞机关键表面上的冰霜已融化干净，不需要除冰作业。

因此总结为：除/防冰作业的根本目的是恢复飞机原有的气动性能，所以除冰作业关键点时机判定的关键在于霜、冰、雪或冰雪混合物会不会影响飞机的气动性能，如果影响了就必须实施除冰作业，如果不影响则不必进行除冰作业。

1.2 除/防冰液型号的选型调研

按照美国机动车工程师学会（SAE）规定，除/防冰液分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型，以乙二醇为主要成分，添加一定的增稠剂和抑制剂。其中，Ⅰ型为牛顿流体，粘度较小;Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型属于非牛顿流体，粘度较大，能较好地附着在静止飞机的表面，但又能在起飞时从飞机表面吹脱[2]。Ⅰ型除冰液粘度低，防冰时间较短，容易造成二次结冰，因此民航飞机在恶劣天气条件下推荐使用粘度高、防冰时间长的Ⅱ型和Ⅳ型液（Ⅲ型液因吹除速度低仅适用于螺旋桨飞机）。从Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型除冰液的性能参数来看，都可以在海拉尔地区的环境条件下使用，但是具体应该使用哪型还未明确。

根据GB/T20857-2007《航空器非牛顿型除、防冰液ISOⅡ型》的要求，Ⅱ和Ⅳ型液通常應用于起飞速度超过185.3～203.8km/h的飞机。该型运输机的起飞速度正好接近这个范围，如果是空载起飞，起飞速度还低于这个范围。起飞速度过小，不能依靠起飞气流吹散附着在机翼表面的除冰液，一样会影响机翼的升力性能，对飞行安全造成有害影响。为此咨询海拉尔机场除冰部门民航飞机使用哪一型除冰液，答复使用的都是Ⅰ型防冰液，没有使用过Ⅱ、Ⅳ型液，但会根据天气和温度情况配置Ⅰ型防冰液与水的体积比。

既然选择Ⅱ、Ⅳ型液可能存在安全风险，因此该型运输机的除冰作业也选用Ⅰ型防冰液，与海拉尔机场除冰部门的选择保持一致。

1.3 保持时间计算方法调研

在MH/T 3011.19-2006《民用航空器除冰、防冰液的使用》及国航的除冰程序中，保持时间的计算是从最后一次使用除/防冰液开始，至喷洒于航空器上的除/防冰液失效时结束。如果按照飞机整个喷完除冰液后才开始计算防冰保持时间，对表面积较大的飞机来说，整个喷洒耗时可能比除冰液的保持时间还长。极端情况下第一枪喷出的除冰液已经失效或结冰了，从这个时候再算保持时间就失去了意义。

针对此问题，海拉尔机场除冰部门给出的答复是：一般情况下保持时间是按照整个飞机喷完除冰后开始计时的，但是特殊情况下可以选择高安全裕度方法计时：采用一步法（除防冰同时进行）时，保持时间从第一枪喷液开始计算;采用二步法（先除冰，再防冰）时，保持时间从第二步防冰的第一枪喷液开始计算。

因此，对于该型运输机来说，当Ⅰ型防冰液的混合比确定后，保持时间也确定了。关键应计算整架飞机的除冰液喷涂时间，以确保飞机除冰后至起飞完成的耗时在保持时间段内。

2 制定除冰程序

2.1 确定飞机关键表面和噴洒表面

关键表面是指航空器外部某些表面一旦附着冰冻污染物，就会影响航空器的气动性能或影响航空器的安全飞行特性，关键表面一般由航空器设计制造厂家确定。该型运输机的关键表面为飞机正面迎风相关的外表面和操纵舵面以及关键传感器。虽然关键表面是影响飞机气动性能或安全性能的表面，理论上只要有冰冻污染物覆盖就应进行除冰，但有些关键表面是不能喷洒除冰液的，如发动机、APU进气口和各类传感器。

因此，确定某型运输机的可喷洒表面为：机身上表面（包括机头后部上表面、前后翼身整流罩、中央翼、后机身上表面），左右前缘缝翼，左右机翼固定盒段上下表面，左右扰流板，左右后缘襟翼，左右副翼，垂直尾翼前缘及固定盒段两侧，方向舵两侧，水平尾翼前缘，水平尾翼固定盒段上下表面，升降舵两侧。

2.2 确定防冰液混合比和保持时间

根据调研和分析结果，选定I型液（FCY-1A对应SAE TYPEⅠ）作为除冰液，根据《MH/T 3011.19-2006 民用航空器除冰、防冰液的使用》的原则，配置好的液体冰点必须比环境温度低10℃。根据生产厂家给的浓度、折射率、冰点和最低使用温度表，试验飞行期间海拉尔机场的环境温度为-37℃～-27℃，选用75%浓度的I型液，其冰点为-60℃，最低使用温度为-40℃，可满足要求，详见表1。根据保持时间指南，I型液在活性霜天气条件下的保持时间为45分钟，详见表2。

2.3 确定飞机上的喷洒顺序

按照除冰液从高至低、从前至后的喷洒原则，制定了某型运输机的喷洒顺序。

1） 机身：从机身顶部中心线开始喷洒，然后向外。绕过机头上表面，防止除冰液流到驾驶舱前风挡和机头各传感器上。

2） 机翼：从机翼根部喷向翼尖，从机翼前缘喷向后缘。

3） 尾翼：平尾从根部喷向翼尖、从前缘喷向后缘;垂尾从顶部喷至底部，沿航向从前部喷至后部。

2.4 除冰车的数量及喷洒路线

1） 确定除冰车数量

为了保证飞机能够在保持时间内正常起飞，除冰作业所用时间应越少越好。减少除冰作业时间，通常的做法是增加除冰车的数量，可以安排2辆、3辆甚至4辆车同时作业，但是除冰车数量增加后除冰作业的协调难度也相应增加，需要对除冰安全线路进行优化。根据海拉尔民航机场除冰作业部门提供的空客A320、波音737-800机型的喷洒面积及熟练操作人员的除冰时间，对比该型运输机的喷洒面积，推算出了除冰作业时间，计划采用2辆除冰车同时进行除冰作业，如表3所示。

2） 确定喷洒线路

参考民航的除冰车运行轨迹以及安全原则，确定了2辆除冰车同时除冰的喷洒路线：由飞机正前方左右两侧慢慢接近飞机，沿前机身开时喷洒，喷洒到机身与机翼顶部时，再沿左右机翼向外喷洒至翼尖，绕过翼尖开始喷洒后机身、垂尾和平尾，喷洒结束，除冰车撤离飞机。

3 除冰实施与验证

3.1 配置除冰液

某型运输机除冰作业采用的是某公司生产的I型除冰液，塑料桶装，规格是1桶200L，重量为225kg;所用除冰车（见图1）的除冰液容量为4500L;按照每平方米1L的除冰液使用量，一次除冰作业大约消耗500L。一次配置2000L可以使用4次，除冰液的存储期可以保持2个月。

除冰作业需要配置75%浓度（体积）的I型除冰液2000L，首先向除冰车内注入7.5桶除冰液，再将除冰液桶作为量杯，向除冰车内灌装2.5桶自来水。启动除冰车，内循环3～5min，使除冰液与自来水充分搅拌均匀。然后取混合后的液样，在折射率检测仪（见图2）上检查混合液的折射率是否与厂家提供的混合液折射率相符。按表1要求，75%浓度混合液的折射率应1.404。

3.2 除冰实施

某型运输机在海拉尔机场试飞前，首先进行一次除冰喷洒试验并中速滑行一次。主要目的：

1） 演练除冰车喷洒路线，摸索最佳除冰点和路线。

2） 计算整机除冰作业时间。

3） 中速滑行时速度控制在177km/h，验证能否顺利吹掉机翼和各舵面上残余的除冰液，以确保飞机的气动性能不受影响。

首次除冰实施操作表明，除冰程序合理，但除冰线路需要优化，边行驶边除冰的方式不适用，除冰液使用量大于预期。在随后的几次飞行前除冰作业中进行了优化改进和验证。

3.3 除冰时间及出动时间统计

本次高寒环境试验期间共试飞7次，除冰作业4次，对每次除冰时间及除冰后的起飞时间进行统计，得出2辆除冰车同时除冰的平均时间为7min，除冰后起飞时间平均为19.25min，平均总耗时26.25min，验证了该型运输机的除冰作业时间和除冰后的起飞时间在I型除冰液的保持时间45min内，如表4所示。

3.4 喷洒路线优化及固定喷洒点

1） 喷洒路线优化

飞机停放周围的地面上有残留的冰雪，除冰车如果行驶速度较快或与飞机没有保持足够的安全距离，有可能与飞机发生碰撞。为避免除冰车与飞机相撞，首先，规定除冰车接近或绕飞机时的行驶速度不大于5km/h，且除冰车应在距飞机约20m处点试刹车，以确认除冰车制动性能良好;其次，为保证除冰线路合理，减少作业时间和安全隐患，制定了沿机头至尾翼的不用来回倒车的除冰车喷洒路线。

2） 固定喷洒点

由于客客A320或波音737等单通道飞机是下单翼布局，机翼面高度低，因此在执行除冰作业时，除冰车可以一边行驶一边除冰。某型运输机是上单翼布局，机翼面高达5m，实际除冰过程中，除冰车作业吊篮力臂伸出行程较长，行驶过程中吊篮晃动非常大，除冰人员在其中作业极其危险。因此，采用固定点除冰喷洒方案，即除冰车行驶到特定位置后，再伸出吊篮执行定点区域的除冰喷洒作业。共设置4个除冰点，前2个除冰点位于左右发动机的正前方，覆盖前机身和左右机翼，后2个除冰点位于发动机后、后机身中间位置，覆盖后机身和尾翼。除冰喷洒路线和除冰点如图3所示。

4 总结

针对某型运输机海拉尔地区高寒试飞任务，提前对地面除冰方法进行了研究。调研了海拉尔机场除冰作业部门，明确了除/防冰作业时机的判定条件是霜、冰、雪或其混合物是否影响飞机的气动性能;通过分析对比Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型防/除冰液的参数和海拉尔机场实际使用情况，选定了I型防/除冰液为此次使用的防/除冰液，喷洒和中速滑行等验证表明Ⅰ型液适用;给出了该型飞机的地面除冰程序，确定了除冰液的配置过程和方法，统计了除冰作业时间，根据实际作业中发现的问题，对喷洒路线和除冰点进行了优化。保证了飞机在高寒环境下的安全运行，积累了地面除冰作业经验，为规范结冰条件下飞机的防/除冰运行奠定了基础。

参考文献

[1] 陈斌，王立文.飞机地面除冰效能与除冰参数相关性分析[J].系统仿真学报，2018，30（3）：1118-1126.

[2] 彭华乔，王强，曾萍.飞机除冰液稳定性研究[J].应用化工，2015.44（7）：1335-1337.

[3] AC-121-50 地面结冰条件下的运行[Z].

[4] MH/T 3011.19-2006 民用航空器除冰、防冰液的使用[S].