淺談降雪對(duì)飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)的影響

Reinhard Mook

如今，在跑道摩擦系數(shù)及飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)測(cè)量和估算上仍存在著種種不確定性，而這種不確定性導(dǎo)致了飛機(jī)降落距離及最大降落重量的不確定。據(jù)挪威事故調(diào)查委員會(huì)2011年一項(xiàng)研究顯示，“這種不確定性已引發(fā)多起飛機(jī)事故及事件，例如因跑道表面過(guò)滑，導(dǎo)致飛機(jī)降落時(shí)脫離跑道。”

在30起受調(diào)查的事件中，挪威事故委員會(huì)發(fā)現(xiàn)“飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)與跑道摩擦系數(shù)測(cè)量/估算不一致?！毖芯恐?，調(diào)查委員會(huì)認(rèn)定了降低安全系數(shù)的若干共同因素，并發(fā)現(xiàn)了可闡明飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)和摩擦系數(shù)差異的因子。挪威事故委員研究表明，“這些因素與氣象條件、摩擦測(cè)量、跑道處理，操作事項(xiàng)及管理狀況息息相關(guān)?！?/p>

降雪濕度，即跑道冰凍物的液態(tài)水含量體積百分比也是因素之一。為進(jìn)一步了解委員會(huì)綜合報(bào)告中的飛機(jī)冬季操作事項(xiàng)，2009年至2012年期間，在挪威事故調(diào)查委員會(huì)資助下，作者對(duì)挪威斯匹次卑爾根群島的斯瓦爾巴機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了冰凍物的濕度研究。

研究結(jié)果表明，降落中的雪或剛剛落地的雪，其濕度隨著空氣表層溫度升高而降低，逆溫的特殊情況除外。剛落地的雪，在未與地面降水接觸或還未融化時(shí)，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)可以部分變干，有利于飛機(jī)制動(dòng)。在這種情況下，基于飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)值的預(yù)估的飛機(jī)制動(dòng)性能與當(dāng)時(shí)觀測(cè)的樣本冰凍物的濕度緊密相關(guān)。

制動(dòng)系數(shù)基本指標(biāo)

2011年挪威事故調(diào)查委員會(huì)的研究顯示，傳統(tǒng)設(shè)備的制動(dòng)測(cè)量并不可靠，尤其在臨界溫度值接近冰點(diǎn)溫度或存在濕度較大的密集冰凍物時(shí)，測(cè)量更不可靠。目前的研究重點(diǎn)在于冰凍物的濕度。盡管濕度、表層溫度，以及三開(kāi)差值規(guī)則（three-kelvin-spread-rule）相互關(guān)聯(lián)，不過(guò)這三方面或成為預(yù)期制動(dòng)行為的基本指標(biāo)。三開(kāi)差值規(guī)則指明了露點(diǎn)與天氣實(shí)況，即航空例行天氣預(yù)報(bào)，露點(diǎn)與3開(kāi)氏度或3開(kāi)氏度以下的空氣溫度（為跑道表面2米，即6.6英尺的空氣溫度）之間存在的差異，這種差異表明濕度保持在80%或80%以上。

而近時(shí)下的雪中可能含有大量液態(tài)水。當(dāng)近時(shí)雪擠壓在一起時(shí)，其表面就會(huì)覆蓋一層薄薄的水汽，這層水汽在微觀上會(huì)減弱介于飛機(jī)輪胎與跑道表面物質(zhì)間的剪力傳輸（即制動(dòng)力）。積雪或冰表層融化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似的情況。隨著冰晶顆粒表層被液態(tài)水包圍，進(jìn)而達(dá)到融點(diǎn)溫度，積雪轉(zhuǎn)化成的冰就會(huì)逐漸分解融化。輪胎減速過(guò)程中，冰的靜態(tài)穩(wěn)定性會(huì)降低或增加自由液態(tài)水的潤(rùn)滑作用。

輪胎的動(dòng)力作用也會(huì)促進(jìn)雪的融化，因此，在輪胎碾壓過(guò)的地方就會(huì)產(chǎn)生其他液態(tài)水。經(jīng)驗(yàn)顯示，挪威事故調(diào)查委員會(huì)所描述的制動(dòng)總結(jié)果與冰凍物的液態(tài)水含量存在著部分的聯(lián)系。

水分測(cè)量難題

冰/雪研究領(lǐng)域的微觀氣象學(xué)家通常會(huì)利用冰凍水與液態(tài)水之間的電容率（即介電常數(shù)）差異來(lái)測(cè)量雪/冰的濕度，這種方法在該研究上切實(shí)有效。迪諾斯介電水分測(cè)定儀（Denoth Dilectric Moisture Meter）就利用了這種差異，在知道雪密度的情況下，確定液態(tài)水的比例。作者在研究中采用了平面式電容傳感器，將一側(cè)固定在冰凍污染物上面，另一側(cè)則暴露在空氣中。傳感器覆蓋的有效面積為160平方厘米（合25平方英寸），操作頻率為20赫茲。當(dāng)接近傳感器內(nèi)部時(shí)，敏感性強(qiáng)烈降低。該工具可測(cè)量厚度為一厘米（合0.39英寸）的雪層/冰層。理想情形下，傳感器與冰凍物之間應(yīng)該沒(méi)有氣洞。當(dāng)傳感器放置于冰凍物上時(shí)，按電壓讀數(shù)的函數(shù)計(jì)算冰凍層的電容率；當(dāng)傳感器暴露在空氣中時(shí)，將電容率與電壓作比，以此為參考點(diǎn)，儀器進(jìn)行運(yùn)作。知道雪和冰的密度，才可以計(jì)算液態(tài)水的含量。

在跑道上進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，因氣溫低、風(fēng)力大、光照不均，一些非可控的錯(cuò)誤不可避免。壓縮的雪或冰表不夠平滑，很難與傳感器完全契合。此外，修建跑道的砂粒也不能從測(cè)量區(qū)完全清除，尤其是冰凍物質(zhì)覆蓋時(shí)，更難移去，但砂粒會(huì)影響濕度及密度的測(cè)量。污染層的深度并不是一成不變的，且有可能包含有不同的物質(zhì)型態(tài)。因此，瀝青及混凝土的電容率也會(huì)影響介電讀數(shù)。

通過(guò)刮去冰雪表面的雪，或雪/冰的桿（螺栓），填補(bǔ)冷凍箱，深度至6厘米（2.36英寸）的這種方法，解決了傳感器和跑道表面物質(zhì)之間的難以密切接觸的問(wèn)題。如此一來(lái)，濕度的測(cè)量由深度在6厘米處的探頭完成。密度由已知的體積重量確定，從而避免了氣洞問(wèn)題。這幾項(xiàng)讀數(shù)，都在無(wú)風(fēng)干擾的區(qū)域獲得。

降雪濕度隨時(shí)間變化

地面以上2米處的空氣溫度（由航空例行天氣報(bào)告所得）與雪的濕度之間存在聯(lián)系。測(cè)量中分析了雪的情況，考慮到了是降水1小時(shí)內(nèi)的積雪，還是測(cè)量過(guò)程中的持續(xù)降雪，但已遭交通工具碾壓。在測(cè)量中，排除了降水過(guò)程中飛雪的情況，因?yàn)闀r(shí)間越長(zhǎng)，風(fēng)干的雪可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。101樣本讀數(shù)是間或性觀察的結(jié)果，溫度和濕度的任何組合均無(wú)誤差概率。

濕度測(cè)量的兩種情況為，人們所預(yù)想的濕度較低情形（體積百分比小于等于4），以及濕度很高的情形（體積百分比在10到19之間）。高空溫度在850帕壓力水平（汞柱高度25.1）下監(jiān)測(cè)時(shí)，地面低溫條件下的相對(duì)濕雪受逆溫及上方暖空氣對(duì)流或轉(zhuǎn)移的影響。其他情況下，則受北極地區(qū)的海上氣團(tuán)與氣溫的近濕絕熱漸變梯度引發(fā)的陣雪影響。雪的濕度測(cè)量尚未被認(rèn)定為跑道管理的標(biāo)準(zhǔn)做法，因此依照慣例，雪的濕度測(cè)量，不能只在地面空氣溫度中進(jìn)行，高空溫度測(cè)量也應(yīng)納入其考慮范圍。

除此之外，濕度會(huì)隨地面空氣溫度而增加。溫度在0攝氏度（32華氏度）或0攝氏度以上的數(shù)據(jù)涵蓋了機(jī)場(chǎng)地面操作中的濕雪及雨雪積累冰凍物的所有情形。多數(shù)情況下，只有在空氣溫度超過(guò)3攝氏度（37華氏度）時(shí)，才可觀測(cè)到雨。體積百分比在26到27范圍內(nèi)觀測(cè)到的最大濕度值受冰凍物保留液態(tài)水能力的限制。

降雪停止后，積雪清掃的結(jié)果就是積壓的雪堆，可能堆在以前的污染物上。隨著時(shí)間推移，雪堆內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)、結(jié)晶，粘合于底部物質(zhì)并蒸發(fā)，最后雪將慢慢消失。這一過(guò)程取決于內(nèi)外部的溫度變化梯度，及通風(fēng)狀況。多數(shù)情況下，降水停止，云層消散，溫度會(huì)隨之降低，露點(diǎn)到霜點(diǎn)差值升高。各案例情形不同，但在特定條件下，隨著時(shí)間而逐漸變干的過(guò)程對(duì)于提高制動(dòng)操作或有價(jià)值可取。

17個(gè)案例中，降雪末期，雪的濕度體積百分比為24到10。在所有案例中，開(kāi)始濕度假定為百分之百，因?yàn)閺膶?shí)際開(kāi)始濕度的百分比看，可以描述變干的過(guò)程。紅外傳感器測(cè)量到隨著天氣變化，即降水過(guò)后，云層消散到天氣晴朗，雪的表層溫度會(huì)逐漸降低。8個(gè)小時(shí)過(guò)后，雪的濕度降低了75%。觀測(cè)案例中，表層平均溫度由零下4攝氏度（25華氏度）降低到零下11攝氏度（12華氏度），航空例行天氣報(bào)告的空氣溫度差值，霜點(diǎn)溫度（定義為冰，而不是定義為液態(tài)水的露點(diǎn)）增加到5開(kāi)氏度。

飛行員的一般經(jīng)驗(yàn)為近時(shí)雪的摩擦力較小，但幾個(gè)小時(shí)后，摩擦力會(huì)增大，這與觀測(cè)的變干及表層溫度降低的過(guò)程一致。由此可以總結(jié)出擠壓雪中的液態(tài)水與制動(dòng)狀況有關(guān)。冰晶力學(xué)，冰聚體內(nèi)的液態(tài)水，溫度及冰凍體的剪力傳輸能力之間相互關(guān)聯(lián)。

濕度與制動(dòng)系數(shù)

飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)與濕度的關(guān)系在跑道污染物管理方面至關(guān)重要。本研究中，沒(méi)有涉及飛機(jī)減速方面的數(shù)據(jù)。正如筆者之前所述，這些數(shù)據(jù)只能估計(jì)。鑒于此研究方法主觀性較強(qiáng)，因此給出飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)只可作為參考指標(biāo)。

在正面阻力的平均值小于8節(jié)時(shí)，代表性案例由飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)推導(dǎo)得出。另外，62個(gè)案例樣本中，再現(xiàn)了冰凍污染物的不同結(jié)構(gòu)。通常情況下，被污染的跑道都會(huì)經(jīng)過(guò)打磨，從之前或最近應(yīng)用程序，或兩者都有。多數(shù)情況下，會(huì)使用溫?zé)岬募?xì)沙。盡管在濕度較大時(shí)觀測(cè)更適宜，但是，濕度較小時(shí)的觀測(cè)還存在偏差。與天氣條件較“干”的時(shí)段相比而言，解凍或濕度很大的降水天氣并不頻繁。當(dāng)預(yù)期的制動(dòng)條件不佳時(shí)，航班會(huì)取消或改變路線。

研究發(fā)現(xiàn)飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)隨濕度降低而升高，尤其在濕度體積百分比小于10時(shí)。樣本中，比較干燥的環(huán)境會(huì)伴隨著溫度增高，差值增大。如之前研究所示，通常隨著表層溫度的降低，差值會(huì)增大（拋光作用除外），飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)進(jìn)而提高。由于氣象反饋的相互依賴性，濕度與表層溫度為飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)提供了良好的指標(biāo)。

值得一提的是，盡管案例研究只能代表獨(dú)特的情況，但這種研究確實(shí)可以提供更多值得考慮的細(xì)節(jié)。各案例研究中，除去分散注意力的細(xì)節(jié)，或可揭示出單獨(dú)的數(shù)據(jù)分析中忽視的觀點(diǎn)。