飛機除冰液穩(wěn)定性研究

彭華喬，王強，曾萍，吳海濤，張亞博，張帆，趙芯，蘇正良，夏祖西

(中國民航局第二研究所，四川 成都 610041)

在冬季的冰、雪和霜氣候條件下，飛機表面會結(jié)冰、積雪和結(jié)霜，增加飛機的質(zhì)量，從而降低飛行性能，危及飛行安全，因此被冰、雪和霜污染的飛機是不適航的。世界航空史上已發(fā)生多起因惡劣的冰雪天氣造成的空難事故，飛行機組、機務(wù)和簽派人員都應(yīng)該高度重視冬季復(fù)雜氣象條件給飛機起飛帶來的嚴重危害性［1-2］。為了保障飛行安全，必須使用飛機除冰液對飛機進行除冰處理。飛機除冰液分為四種類型，分別是I 型、II 型、III 型和IV 型，其中I 型為牛頓流體，粘度較小;II 型、III 型和IV 型屬于非牛頓流體，粘度較大，能較好地附著在靜止飛機的表面，但又能在起飛時從飛機表面吹脫。國際上普遍要求飛機除冰液需符合美國機動車工程師學(xué)會(SAE)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)要求，即I 型飛機除冰液需符合SAE AMS 1424［3］的要求，II 型、III 型和IV 型飛機除冰液需符合SAE AMS 1428［4］的要求。該兩項標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)多次修訂，現(xiàn)在最新的版本分別是SAE AMS 1424 K 和SAE AMS 1428 G。

1 飛機除冰液穩(wěn)定性

為了保證飛機除冰液的質(zhì)量，確保航空安全，SAE AMS 1424 和SAE AMS 1428 對于飛機除冰液都規(guī)定了詳細的技術(shù)要求，包括環(huán)保性能、理化指標(biāo)、穩(wěn)定性能、與飛機材料相容性、使用性能等。其中穩(wěn)定性能是非常重要的一項，而且對于不同類型的飛機除冰液有不同的要求，見表1。

表1 I 型/II 型/III 型/IV 型飛機除冰液對穩(wěn)定性的要求Table 1 The stability requirements of aircraft fluid type I，II，III and IV

對于I 型飛機除冰液，有5 項穩(wěn)定性要求，而II型、III 型和IV 型飛機除冰液有10 項。目前主要有國際除冰防冰實驗室(AMIL)、國際科學(xué)材料實驗室(SMI)和中國民航局測試中心(TCCAAC)可以開展飛機除冰液穩(wěn)定性相關(guān)檢測和研究工作。

2 飛機除冰液穩(wěn)定性試驗方法

2.1 儲存穩(wěn)定性

飛機除冰液的保質(zhì)期一般為2 年，為了確保長期儲存的飛機除冰液質(zhì)量穩(wěn)定，都需進行儲存穩(wěn)定性試驗，該方法就是模擬飛機除冰液在儲罐里長期儲存后是否會影響產(chǎn)品質(zhì)量。對于I 型飛機除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進行長期儲存后，要求運動粘度值的增加不應(yīng)超過儲存前的10%，降低不應(yīng)超過20%，pH 值的變化不應(yīng)超過儲存前的±0.5。儲存后的除冰液與ASTM D 1193 IV 型試劑水等體積混合后不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀。對于II 型、III 型和IV 型飛機除冰液，按照ASTM F 1105 的要求進行長期儲存后，動力粘度值應(yīng)在產(chǎn)品允許的范圍內(nèi)。

2.2 熱穩(wěn)定性

為了使噴灑在飛機表面上的除冰溶液具有更高的熱容量、具有更好的除冰效果，一般都將除冰液加熱后使用。但加熱會使水分損失，對于I 型液，可能影響空氣動力學(xué)性能;對于II 型、III 型和IV 型液，會導(dǎo)致除冰液粘度降低，保持時間縮短，因此應(yīng)避免對除冰液進行不必要的加熱。本方法就是模擬飛機除冰液長時間加熱后是否會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

對于I 型飛機除冰液，需在(80 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，按照SAE AS 5901 進行水噴霧試驗測得的防冰時間不應(yīng)低于3 min，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應(yīng)超過1.0;對于II 型、III 型和IV 型液，需在(70 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，且與在(20 ±2)℃下放置30 d 樣品的pH 值之差不應(yīng)超過1.0，動力粘度值的增加不應(yīng)超過(20 ±2)℃下儲存樣品的10%，降低不應(yīng)超過20%。

2.3 硬水穩(wěn)定性

對于I 型、II 型、III 型和IV 型飛機除冰液與標(biāo)準(zhǔn)硬水(標(biāo)準(zhǔn)硬水的組成:在1 L ASTM D 1193 IV型水中，溶解(400 ±5)mg 醋酸鈣［(CH3COO)2Ca·2H2O］和(280 ±5)mg 硫酸鎂(MgSO4·7H2O))按照1∶1(體積比)稀釋后，需在(95 ±2)℃下放置30 d 后，不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，且與未加熱儲存樣品的pH 值之差不應(yīng)超過1.0;按照SAE AS 5901［5］進行水噴霧試驗，I 型液測得的防冰時間不能低于3 min，對于II 型、III 型和IV 型液只需報告試驗結(jié)果。

2.4 剪切穩(wěn)定性

飛機除冰液在過度機械剪切作用下會導(dǎo)致品質(zhì)下降，因此評估剪切作用對除冰液的影響非常重要。對于I 型飛機除冰液，需在(3 400 ±100)r/min 條件下剪切10 min;對于II 型、III 型和IV 型液，需在(2 000 ±100)r/min 條件下剪切5 min。剪切后的除冰液還需按照SAE AS 5901 的要求進行防冰性能測試，包括水噴霧試驗和高濕度試驗。

2.5 泡沫穩(wěn)定性

為了提高除冰效率，避免噴灑的飛機除冰液形成不易破滅的泡沫，造成與雪混淆，不易察覺，因此需對飛機除冰液泡沫穩(wěn)定性進行評估。該試驗最初由Kilfrost 公司Foster Ross 建立，后經(jīng)AMIL 修訂完善。對于I 型飛機除冰液，需加熱至(60 ±1)℃，在(3 400 ±100)r/min 條件下剪切15 s 后，將除冰液均勻的倒在傾斜的測試板上，15 min 后報告泡沫在測試板上所占的比例，見圖1。該試驗需在(－10 ±0.5)℃和(0 ±0.5)℃的溫度條件下進行;對于II型、III 型和IV 型液，要求除冰液形成的泡沫應(yīng)快速破滅，不應(yīng)與雪混淆。

圖1 泡沫穩(wěn)定性試驗裝置圖Fig.1 The apparatus picture of foam stability

2.6 冷儲存穩(wěn)定性

飛機除冰液冷穩(wěn)定性模擬在低溫和室溫條件下循環(huán)儲存后是否會影響產(chǎn)品質(zhì)量。將2.0 L 飛機除冰液裝入容積為2.5 L 的容器中，蓋好蓋子。將該容器放入恒溫恒濕箱中，在(－20 ±2)℃條件下保持24 h 后，取出容器，在(20 ±2)℃條件下放置24 h。將在(－20 ±2)℃和(20 ±2)℃條件下的試驗重復(fù)5 次，循環(huán)周期見表2。試驗結(jié)束后，除冰液不應(yīng)分層、產(chǎn)生沉淀，并報告試驗前后的pH 值、折射率和動力粘度。

表2 冷儲存穩(wěn)定性循環(huán)周期Table 2 Cycling period of cold storage stability

2.7 干燥空氣穩(wěn)定性

飛機除冰液干燥空氣穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品曝露于干燥空氣是否會影響質(zhì)量。將飛機除冰液暴露于溫度為(23 ±3)℃，相對濕度為30% ～45%的恒溫恒濕箱中，當(dāng)除冰液質(zhì)量減少(20 ±1)%后，用Brookfield粘度計1 號轉(zhuǎn)子，在3 r/min 條件下測試除冰液(20±2)℃時的動力粘度，其值不應(yīng)超過500 mPa·s。若動力粘度大于500 mPa·s，則將飛機除冰液置于溫度為(0 ±2)℃，水平風(fēng)速為(4 ±0.5)m/s 的恒溫恒濕箱中12 h 后，測試除冰液在20 ℃的質(zhì)量，報告質(zhì)量的損失百分比，產(chǎn)品應(yīng)符合空氣動力學(xué)性能要求［6］。

2.8 干冷空氣穩(wěn)定性

飛機除冰液干冷空氣穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品曝露于低溫干燥空氣是否會影響質(zhì)量。在恒溫恒濕箱中(見圖2)，放置3 個7075-T6 有包覆層鋁合金試板并與水平方向呈2°，在每個試件上傾倒100 ～150 mL 飛機除冰液;將空氣和試板溫度設(shè)定為(1 ±1)℃，相對濕度低于40%，空氣流以約2.5 m/s 的速度在試板表面由上向下流動，直到樣品被吹干或保持24 h，試板表面不應(yīng)有凝膠、粘稠膠體、硬固體顆?；蚩蓜兟淠?將試板從恒溫恒濕箱中取出并將其溫度升至(5±2)℃，用500 mL ASTM D 1193 IV 型試劑水沖洗每塊試板，水溫為(15 ±10)℃，試板不應(yīng)有殘留物。

圖2 干冷空氣穩(wěn)定性試驗裝置圖Fig.2 The apparatus picture of cold dry air stability

2.9 連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性

當(dāng)殘留在飛機表面上的II 型、III 型和IV 型飛機除冰液干燥后，可能在飛機升降舵控制器縫隙中形成殘留物，這些殘留物遇水后會形成水合凝膠。當(dāng)飛機在高空飛行時，由于環(huán)境溫度降低，這些水合凝膠可能會重新結(jié)冰，阻礙升降舵的動作造成升降舵控制器凍結(jié)事故。為此，SAE 采納了瑞士航空公司Rolf Buhler 建立的連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性試驗方法。

該方法要求對2024-T3 鋁合金試板進行刻蝕，模擬在役飛機的老化表面。稱量并記錄試板和懸掛不銹鋼絲的總質(zhì)量。將試板完全浸入飛機除冰液中。在4 s 內(nèi)，緩慢將試板從除冰液中取出，懸掛到支架上(見圖3)。分別在5 min 和30 min 后，稱量試板和不銹鋼絲的總質(zhì)量。將試板垂直懸掛在支架上，放入烘箱中。烘箱溫度30 ～35 ℃。讓除冰液完全干燥(一般烘干24 h)。從烘箱中取出試板。晾置30 min，稱量試板和不銹鋼絲的總質(zhì)量。重復(fù)5次試驗，累加每個試板的6 組殘余物數(shù)據(jù)。將留有干燥殘余物的試板在ASTM D 1193 IV 型水中浸泡(30 ±2)s 后，取出并懸掛滴水(60 ±2)s 后，稱量試板和懸掛不銹鋼絲的質(zhì)量。重復(fù)9 次浸泡和稱重，累加每個樣板的10 組殘余物質(zhì)量，結(jié)果不應(yīng)超過4 g。

圖3 連續(xù)干燥水和穩(wěn)定性試驗裝置圖Fig.3 The apparatus picture of successive dry out and rehydration stability

2.10 薄膜熱穩(wěn)定性

飛機除冰液薄膜熱穩(wěn)定性模擬產(chǎn)品在機翼前緣干燥后的情況。在室溫條件下，分別將40 ～50 mL飛機除冰液傾倒在兩塊水平放置且尺寸為153 mm×50 mm 無涂層的2024-T3 鋁合金板上。5 min 后，分別在(95 ±2)℃和(48 ±2)℃的烘箱中，將試板與水平方向傾斜10°放好，恒溫(60 ±1)min，取出試板冷卻至室溫，試板不應(yīng)有凝膠、粘稠膠體、硬固體顆?；蚩蓜兟淠ぁＴ诰嘣嚢灞砻娌恍∮?0 cm 的位置，采用500 mL，溫度為(15 ±10)℃的ASTM D 1193 IV 型水沖洗每塊試板，觀察試板表面不應(yīng)留有殘余物。

3 結(jié)論

飛機除冰液穩(wěn)定性試驗一共10 項，其中I 型飛機除冰液有5 項要求，II 型、III 型和IV 型飛機除冰液有10 項要求。熱穩(wěn)定性、硬水穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性、干燥空氣穩(wěn)定性還涉及飛機除冰液空氣動力學(xué)性能(SAE AS 5900)和防冰性能(SAE AS 5901)試驗要求。目前，只有AMIL 能夠開展空氣動力學(xué)性能和防冰性能的檢測工作，我國民航還不具備相應(yīng)檢測能力。因此我國應(yīng)積極開展飛機除冰液穩(wěn)定性檢測和研究工作，為除冰液的適航審定提供技術(shù)支持。

［1］ 金宜斌.飛機積冰與冬季飛行［J］.中國民用航空，2007，83(11):41-43.

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

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

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

［5］ SAE.SAE AS 5901 A water spray and high humidity endurance test methods for SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］.USA:SAE，2008.

［6］ SAE.SAE AS 5900 B Standard test method for aerodynamic acceptance of SAE AMS 1424 and SAE AMS 1428 aircraft deicing/anti-icing fluids［S］.USA:SAE，2007.