結(jié)冰對(duì)新舟600飛行性能影響研究

何志祥，胡俊偉

(中國民用航空飛行學(xué)院 廣漢分院 ，四川 廣漢 618307)

0 引言

飛機(jī)結(jié)冰是威脅飛行安全的重要因素之一，飛機(jī)一旦出現(xiàn)空中結(jié)冰輕則返航迫降重則機(jī)毀人亡，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失[1]。據(jù)FAA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[2-3]，2006—2016年由結(jié)冰引起的事故占總事故的2.5 %，占致命事故的4 %，各種因結(jié)冰引起的飛行事故屢見不鮮：2004年11月21日東航MU5210航班因飛行前未進(jìn)行除冰處理，在起飛后不久墜落，造成55人遇難；2012年4月2日俄羅斯一架ATR-72型飛機(jī)因發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰而墜毀，導(dǎo)致31人遇難。隨著我國民航事業(yè)的發(fā)展，全天候飛行已經(jīng)成為趨勢(shì)，然而因地域、季節(jié)、氣候等影響，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)冰的幾率大大增加，飛機(jī)因結(jié)冰而出現(xiàn)的事故也逐年攀升，因此對(duì)飛機(jī)結(jié)冰問題的研究已經(jīng)刻不容緩。

1 結(jié)冰機(jī)理

1.1 結(jié)冰條件及冰型

飛機(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)在大氣中飛行時(shí)某些部位集聚了冰層的現(xiàn)象[4]。飛機(jī)通常在三種情況下易于結(jié)冰，一是表面溫度較低的飛機(jī)突然進(jìn)入潮濕的環(huán)境時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象；二是當(dāng)空氣中存在過冷水滴，且飛機(jī)在飛行中與過冷水滴碰撞而結(jié)冰；三是飛機(jī)表面與空氣中的冰晶碰撞導(dǎo)致結(jié)冰。從實(shí)際情況來，飛機(jī)飛行中結(jié)冰絕大多數(shù)是因?yàn)闄C(jī)翼表面與空氣中過冷水滴相互碰撞而引起。在飛行過程中，空氣遇到機(jī)翼等障礙物會(huì)改變其原流場(chǎng)從而繞開障礙物，但是過冷水滴因慣性較大無法及時(shí)避開飛機(jī)迎風(fēng)面，在與迎風(fēng)面碰撞過程中一部分過冷水滴返回到空氣中，而另一部分則附著在飛機(jī)表面發(fā)生結(jié)冰[5-6]。過冷水滴與飛機(jī)碰撞流體示意圖[7]如圖1所示。

圖1過冷水滴與飛機(jī)碰撞流體示意圖

飛機(jī)在不同氣象條件和飛行狀態(tài)下結(jié)冰的冰型往往會(huì)有一定的差異，主要包括：明冰、積霜、霜冰、混合冰、干積冰。其中干積冰和積霜一般是在飛機(jī)停放過程中出現(xiàn)，飛機(jī)在飛行前通常需要對(duì)其進(jìn)行清除，因此對(duì)飛行階段影響較小。霜冰質(zhì)地稀松，其表面較為粗糙透明，通常當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)，空氣中過冷水滴與飛機(jī)碰撞形成霜冰，因?yàn)樗|(zhì)地稀松的特點(diǎn)，通?？赏ㄟ^加溫的形式對(duì)其清除[8]。明冰是飛機(jī)在穿越過冷水滴較多的云層或溫度較低的雨區(qū)時(shí)，在機(jī)體表面形成的質(zhì)地堅(jiān)硬、光滑、透明的冰層，此類冰型因?yàn)橥庑屋^為復(fù)雜，對(duì)飛機(jī)的外部氣流有著很大的影響，因此對(duì)飛行安全有著很大的威脅。混合冰通常又被稱之為毛冰，一般在-5～-15℃的云層中形成，而在該溫度下云層中往往存在著大量的過冷水滴，且云層中又含有大量的冰晶，過冷水滴與冰晶混合后形成了表面較為粗糙的混合冰[9]?；旌媳虮砻娲植趪?yán)重?cái)_亂了機(jī)翼表面的氣流，對(duì)飛行安全產(chǎn)生了一定的影響。

1.2 結(jié)冰嚴(yán)重程度度量

結(jié)冰的強(qiáng)度是衡量結(jié)冰影響飛行安全的重要指標(biāo)，通常采用結(jié)冰率來表示[10]。結(jié)冰強(qiáng)度在表征上通常是指在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上的結(jié)冰量，從劃分上來看主要分為弱結(jié)冰、輕度結(jié)冰、中度結(jié)冰以及強(qiáng)結(jié)冰，不同結(jié)冰強(qiáng)度的結(jié)冰速率[11]如表1所示。

表1 不同結(jié)冰強(qiáng)度的結(jié)冰速率

從實(shí)際情況上來看以速率劃分的結(jié)冰強(qiáng)度并不能真正表達(dá)飛機(jī)表面結(jié)冰情況，例如在弱結(jié)冰條件下飛機(jī)所處時(shí)間較長(zhǎng)，那么機(jī)體表面將會(huì)結(jié)成較厚的冰面。類似在強(qiáng)結(jié)冰條件下若飛機(jī)所處時(shí)間較短，那么機(jī)體表面所結(jié)冰量將較少，因此單純的以結(jié)冰速率來判斷結(jié)冰強(qiáng)度存在一定的局限性。在實(shí)際飛行中飛行員為了判斷結(jié)冰對(duì)飛行安全的危害性，通常以結(jié)冰程度(即結(jié)冰厚度)為依據(jù)，判斷機(jī)體結(jié)冰情況。飛機(jī)結(jié)冰程度等級(jí)如表2。

表2 飛機(jī)結(jié)冰程度等級(jí)

2 結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響

在結(jié)冰條件下，飛機(jī)的機(jī)翼、風(fēng)擋、空速管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等部分會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，飛機(jī)一旦出現(xiàn)結(jié)冰輕則會(huì)增加飛行重量，重則影響飛機(jī)的升力、操縱性以及發(fā)動(dòng)機(jī)推力等，從而威脅飛行安全。

2.1 對(duì)起飛性能的影響

飛機(jī)在地面停放，一旦出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象必須進(jìn)行除冰處理，但是不能排除突發(fā)情況下飛機(jī)結(jié)冰起飛，因此仍然需要對(duì)結(jié)冰情況下飛機(jī)起飛性能進(jìn)行研究。結(jié)冰情況下新舟600起飛性能的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 結(jié)冰情況下新舟600起飛性能計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，在結(jié)冰情況下飛機(jī)離地速度、滑跑距離、起飛距離等均出現(xiàn)增加，而造成這一現(xiàn)象主要是飛機(jī)結(jié)冰導(dǎo)致升力系數(shù)降低，原有在未結(jié)冰情況下的升力無法與飛機(jī)重力相平衡，這種情況下只有增加飛機(jī)的離地速度才能使飛機(jī)起飛。另外，結(jié)冰使得飛機(jī)阻力增加，起飛加速度減小，從而使飛機(jī)的滑跑距離和起飛距離增加。除此之外，飛機(jī)在結(jié)冰情況下，其平尾操縱性能會(huì)受到很大的影響，飛行員在拉桿過程中易出現(xiàn)拉桿過多，雖然在短時(shí)間內(nèi)可以使升力增加，但是容易出現(xiàn)迎角過大，在低速情況下會(huì)造成飛機(jī)失速。

2.2 對(duì)爬升性能的影響

飛機(jī)在起飛后需要爬升到對(duì)應(yīng)的巡航高度，而爬升過程中隨著飛行高度的增加，外部溫度不斷降低，飛機(jī)易出現(xiàn)結(jié)冰情況，因此有必要對(duì)結(jié)冰情況下飛機(jī)爬升性能進(jìn)行研究。初始飛行高度為2000 m，發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力情況下以0.4的馬赫數(shù)進(jìn)行爬升新舟600爬升性能計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 新舟600爬升性能計(jì)算結(jié)果

飛機(jī)在結(jié)冰后默認(rèn)飛機(jī)總重量不變，推力降低按5 %計(jì)算，其中：

(1)

式中，ΔP為剩余推力；θ為爬升角；vy為爬升率；v表示爬升速度；Gpj為飛機(jī)平均重量；Cx為阻力系數(shù)；P為推力；s為迎風(fēng)面積；d為空氣密度 。

通過表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，飛機(jī)出現(xiàn)結(jié)冰后其剩余推力降低導(dǎo)致飛機(jī)的爬升角、爬升率以及爬升的梯度均出現(xiàn)下降，若飛機(jī)爬升距離過長(zhǎng)很容易造成飛機(jī)因結(jié)冰而出現(xiàn)飛行事故。

2.3 對(duì)續(xù)航性能的影響

飛機(jī)在飛行過程中巡航階段往往占據(jù)總航程和總飛行時(shí)間的90 %，而飛機(jī)在巡航過程中出現(xiàn)結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)的續(xù)航性能，如式(2)所示為巡航階段的航程和巡航時(shí)間計(jì)算方式。

(2)

式中，K表示升阻比；V表示巡航速度；Z表示推力有效系數(shù)；Wxh表示巡航階段燃油重量；q為燃油消耗率；L表示航程；T表示巡航時(shí)間 。

根據(jù)式(2)，假定兩種狀態(tài)下V、Z、Wxh、Gpj均保持不變，當(dāng)升力系數(shù)減小5～15 %，阻力系數(shù)增加15～50 %時(shí)，根據(jù)計(jì)算此時(shí)升阻比將變?yōu)樵瓉淼?7～83 %，由式(2)可計(jì)算出續(xù)航時(shí)間和續(xù)航航程均減少了13～40 %。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)冰對(duì)飛機(jī)續(xù)航時(shí)間和航程有著很大的影響，但是飛機(jī)在實(shí)際巡航過程中因?yàn)樗俣容^快，在氣流作用下冰層會(huì)在一定程度上脫落，因此飛機(jī)在實(shí)際飛行中所受到的影響較小。

2.4 對(duì)著陸性能的影響

飛機(jī)著陸是飛機(jī)事故多發(fā)階段，若飛機(jī)在著陸過程中出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，輕則影響飛機(jī)著陸性能，重則會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡，因此有必要研究在結(jié)冰情況下飛機(jī)著陸性能。以新舟600為例，當(dāng)飛機(jī)著陸時(shí)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置，襟翼偏角設(shè)置為0°，新舟600著陸性能對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 新舟600 著陸性能對(duì)比結(jié)果

由表5可知，當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)結(jié)冰時(shí)，此時(shí)飛機(jī)的升力系數(shù)降低，失速速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)接地和進(jìn)場(chǎng)速度增加，最終使得著陸距離和滑跑距離增加，且飛機(jī)冰層厚度越厚對(duì)飛機(jī)著陸性能影響越大。除此之外，飛機(jī)在著陸過程中其平尾也可能出現(xiàn)結(jié)冰，從而導(dǎo)致配平困難，加之著陸速度較大，若為了降低著陸速度而放下襟翼則很容易因平尾處下洗過大而產(chǎn)生附加抬頭力矩。在這種情況下若飛行人員處置不當(dāng)極易造成飛機(jī)失速，進(jìn)而引發(fā)事故。

3 新舟600防冰、除冰技術(shù)

飛機(jī)在結(jié)冰情況下為了保證飛行安全，需要對(duì)飛機(jī)特定部位進(jìn)行防除冰處理，就新舟600而言需要采取防除冰處理的部位主要包括螺旋槳、機(jī)翼、空速管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、尾翼以及風(fēng)擋等部位。從工作方式上來分，防除冰技術(shù)主要包括機(jī)械除冰、液體防冰、熱力防冰，其中機(jī)械除冰主要包括氣動(dòng)除冰和電脈沖除冰，熱力防冰又可按加熱方式和熱源方式進(jìn)行劃分，飛機(jī)除防冰技術(shù)如圖2所示。

圖2飛機(jī)防除冰技術(shù)

氣動(dòng)除冰：氣動(dòng)除冰屬于機(jī)械除冰方式，該除冰方式通常用于機(jī)體部件前緣位置，在飛機(jī)部件前緣安裝膨脹管，在氣動(dòng)作用下膨脹管通過膨脹方式使冰層破碎脫落，通常該除冰方式多用于低速飛機(jī)的尾翼前緣處。

電脈沖除冰：該除冰方式是采用電脈沖在飛機(jī)待除冰部位通過釋放靜電能，使飛機(jī)蒙皮在彈性形變范圍之內(nèi)產(chǎn)生高速震動(dòng)，從而使蒙皮表面冰層脫裂，達(dá)到除冰效果。

液體防冰：液體防冰技術(shù)通常用于飛機(jī)風(fēng)擋、尾翼前緣等部位，當(dāng)防冰液與機(jī)體表面的過冷水滴混合后，可有效提高機(jī)體表面溫度，從而使機(jī)體表面溫度高于過冷水滴凝固點(diǎn)。對(duì)于已經(jīng)結(jié)冰的飛機(jī)可在結(jié)冰區(qū)域連續(xù)噴灑防冰液，這樣可使積冰融化形成雪泥，在氣流作用下被吹掉。

電熱除冰：電熱除冰主要用于飛機(jī)風(fēng)擋、空速管等部件，從工作原理上來看其將電能轉(zhuǎn)換為熱能從而使飛機(jī)部件表面溫度升高，起到防冰和除冰的效果。

氣熱防冰：氣熱防冰在使用中通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣以及機(jī)翼表面，在防冰過程中利用熱空氣加熱機(jī)翼表面和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣，防止空中出現(xiàn)結(jié)冰。

4 結(jié)語

飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重威脅飛行安全，飛機(jī)一旦出現(xiàn)結(jié)冰其氣動(dòng)性能將受到直接影響，進(jìn)而影響飛機(jī)起飛、爬升、巡航、著陸等各個(gè)階段的飛行性能。現(xiàn)階段對(duì)飛機(jī)結(jié)冰條件、過程以及結(jié)冰對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響仍需繼續(xù)探索，在現(xiàn)有飛機(jī)除防冰技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)加大對(duì)飛機(jī)除防冰技術(shù)的研究。