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标  题: 飞机结冰的危害和解除
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Sep  7 17:49:06 2006), 站内

作者/出处：国际航空 日期：2004-06-25 15:35:23  

　　飞机在空中飞行时，在翼面前缘和发动机进气道内易发生结冰,致使飞机操稳
特性恶化，甚至造成机毁人亡,因此了解结冰对飞行的危害、预测结冰的特性和发
展消冰防冰方法，对于保证飞行全安极为重要。

　　虽然六十多年来人们一 直在解决飞机结冰问题，防冰系统也不断得到改善，
但由结冰引起的事故仍然威胁着飞行安全。另外新的飞行器的出现及新的性能要求
，需要发展更先进预测结冰的方法和能力，以及改进消冰防冰系统，因此90年代以
来许多国家又给以这个问题更多的重视。 

　　飞机结冰的危害

　　各种飞行器在含有水气的大气中飞行，当绕飞行器表面的气流温度低于零度时
，在该表面处就会结冰。一般说来，在低于6700米的高度飞行，结冰更为严重。

　　在无人飞机中，由结冰造成的事故占有相当大的比重。在1983年至1996年期间
，由结冰造成的事故约占总事故的12%，其中60%发生在飞机巡航和进场时，而大部
分是由于操作人员疏忽和恶劣气候引起。

　　避免无人机结冰事故的最为消极的方法是禁止在容易结冰的季节执行任务，例
如在科索沃行动中，美国陆军的无人机在10月至第二年4月期间的易结冰季节，就
不得不停飞无人机。

　　结冰常发生在翼面（机翼、尾翼和操纵面）和发动机内（因为那里有较低的局
部温度）。

　　发动机结冰造成的事故在结冰造成的事故中占很大比例。上世纪80年代中期，
FAA就公布了12起怀疑由于冰的生成和吸入引起涡轮螺桨发动机突然熄火的重大飞
机事故，其中有4起造成飞机坠地。

　　在F-22飞机上进行的发动机结冰试验中,飞行器表面上结冰形成的粗糙度能使
边界层提前转捩和分离，造成阻力增加和升力降低，并能改变非定常分离流的性状
，形成动态失速涡,影响了飞机的动态特性。 

　　结冰对飞机飞行特性的影响

　　根据对飞机的气动性能和操纵特性影响的程度不同,可以将冰形分为四类:一是
在机翼前缘处开始形成的少量的冰，或是防冰系统还没有起作用和/或消冰系统循
环之间形成的少量的冰，这种情况一般出现在机翼和尾翼上。高雷诺数的风洞试验
结果已证实了即使很小的冰(2～3立方厘米)也能引起最大升力和相应失速迎角的减
小，对单段翼，最大升力能减小约40%。

　　二是紧接在防冰系统后面形成的后流冰和脊冰,特别是在遇到大的水滴结冰期
间。对某些单段翼的几何外形，在低雷诺数的初步试验结果表明这类冰可使最大升
力损失80%。

　　三是飞机在遇到了更大的水滴结冰期间，结成更大并常常是不规则的冰，这是
无防冰系统或防冰系统损坏情况下造成的结果。研究表明这类冰对单段升力面的影
响可能是使最大升力损失60%。


　　四是当飞机停在地面上或在地面运行时在翼面上表面生成的霜冻冰。这类冰如
果不能在起飞前除去，它的影响与飞行中在翼面前缘和消冰系统内循环产生的冰的
影响很相似。

　　结冰对飞机飞行特性的影响除了取决于冰的结成特性外，也与升力面的形状有
关，目前得出的一些规律有：

　　 1．结冰对最大升力系数超过1.0的较厚的升力面的影响比升力性能较差的薄
的升力面的影响大。
　　 2．更小的薄翼，像尾翼，比起厚的翼面的冰的形成更为严重。在同样结冰条
件下，小部件比大部件在同样飞行速度下有更高的结冰速率,如平尾能比机翼结成
厚2～3倍的冰,所以尾翼表面对飞机造成的性能恶化也更为严重，甚至会造成尾翼
失速。
　　 3．结冰造成的最大升力和阻力减小的百分比，一般与翼面的段数成反比。例
如，对像大运输机上所用的有前缘襟翼装置的构型，影响就较小。相反，对大多数
较小的典型运输机具有固定前缘结构的影响就较大，事故的统计也证明了这点。

　　解除飞机结冰危害的研究

　　对于飞机结冰及其造成代价的了解在前四五十年期间内并没有太大的变化，包
括保证飞机在大多数冰环境中安全飞行的设计准则、硬件和飞行程序等。但是近十
年来，对防止飞机结冰飞行事故的研究有了明显的进展,特别对水平尾翼结冰的危
险有了进一步的认识，对飞机在起飞前结冰的不利影响的认识及消冰方法也有了进
一步提高。

　　随着飞行器性能要求及构型的变化，发动机排气量的变小，复合材料的利用等
，人们对防冰系统有了新的认识和提出了新的要求，并开始着手研制既能破坏冰结
成，又能满足气动特性要求的飞机构型。

　　另一方面，利用计算机辅助设计（CFD）在预测冰的生成方面也有了大的进展
，从而为研制新的防冰系统提供了良好的基础。智能防冰系统的开发和利用，大大
提高了飞行器飞行的安全性。合理的运用发动机进气道加热和点火也成为一种修补
因结冰带来不安全状况的一种有效方法。

　　一些传统的有效的消冰方法至今仍在使用，像充气靴，电热冰防护和引入喷气
发动机热气的热除冰等。特别是发电机系统有足够剩余的机械能，周期性的热系统
消冰能大大减少对热的需要，相比连续使用的热系统能节约热能90%。


　　在早期的对冷冻点抑制的冰防护系统设计中，曾经研究过向表面渗透一种防冻
液体，像与水混合的乙二醇等的方法。但这种方法的明显的局限性是飞机上液体的
供应量限制了防冰时间的延长。

　　现在一般把结冰强度一般分为4类：一是微量结冰。冰在小部件上形成，但冰
结成速率很慢，对飞行一般不会造成威胁，因而不需要使用任何防冰系统，除非在
不变的高度连续飞行。

　　二是轻度结冰，在没有任何防冰措施下，结冰发生，并以一定速率增长，如果
继续延长飞行时间，会对飞行造成威胁，然而可以通过使用防冰系统消除威胁。

　　三是中度结冰。冰以可能对飞行造成威胁的速度快速结成，需要使用防冰系统
或者改变飞行航线，以消除威胁。

　　四是重度结冰。冰以直接对飞行造成威胁的速率结成，已经很难通过防冰系统
解决问题，飞机的性能继续恶化，需直接强制飞行路线改变。

　　飞行员必须保持高度警觉

　　在可能形成结冰环境下飞行，飞行员不仅要了解结冰可能对飞机性能的影响，
同时要对可能的冰的形成保持高度的警觉。

　　飞机在快速上爬和下降飞行中很快通过冰云层时，结冰的强度要按冰云的特性
和飞机的类型来确定。对于同样的冰云特性，不同类型的飞机、不同的飞机部件产
生的结冰结果也是不同的。

　　如带有防冰系统的喷气飞机和无防冰系统的小的螺桨飞机在遇到同样的冰云时
，前者报告的是轻度结冰，后者会报告是中度或重度结冰，因此飞行员在报告结冰
时，同时必须报告飞机的类型。

　　飞机的飞行速度影响冰结成的速率，飞行速度快，结冰速率也将更快。飞行员
还要对外边冰云内的气温给以特别的关注，接近冷冻的温度将产生最危险的冰类型
。

　　飞行员必须对于防冰系统的局限性和冰环境的易变性有充分的认识，只有这样
，在出现结冰时，机组人员不会因为飞机上有防冰系统而对冰防护而放松警惕。例
如，仅依靠防冰系统来完全防冷冻雨是很困难的，也就是说，在飞行中可能会遇到
很强大的结冰状况。实际飞行例子表明，有时中度以上的严重结冰情况已超过了现
有防冰系统的能力。

　　结冰使失速迎角减小，导致飞机在失速警戒装置还没有发出警报前就失速。很
少有防冰系统能防止大水滴在环境温度接近冷冻点时打在飞机表面上在防冰系统所
防护表面的后面形成的后流冰。

　　飞行员特别要对形成的光亮冰予以高度警惕，大的双角的不规则形状的冰，使
飞机阻力增加，性能降低。

　　飞行员可以通过爬升和下降飞行，使在冰云中飞行的时间减至最小。在平层冰
云中飞行，飞行高度变化600米，可以使结冰几率减少80%。但是要避免不协调的飞
行和限制（侧向或前向侧滑）。由于结冰对俯仰操纵可能有不利影响，因此在可能
范围内最好使用横向风着陆。

　　此外要避免使用尾部迎风部件，因为有突然头向下控制输入的可能性，要警惕
冷冻雨、冷冻毛毛雨及混合状态（雪和/或冰粒子及液滴）以及下降的冰云可能导
致在防冰表面的后面结成很大的冰，因为当大水滴出现时有较高的冰结成效率，超
过了防冰系统的能力，如果不能打碎它，可能使飞机性能和操纵性严重恶化。

　　平尾失速的征兆与改出

　　飞行员特别要了解平尾结冰可能造成的失速，并能应用合适的修正动作，就可
以在大多数情况下防止事故的发生。反之，如果飞行员只了解机翼上结冰及其造成
的不利影响，忽略了平尾的结冰情况，对平尾结冰诱导的平尾失速的影响也不清楚
，一旦在某些飞机设计中若不能合适地清除平尾上的冰，或者防冰、消冰系统失灵
，或在翼型的关键地方有残余的冰，就有可能发生平尾失速。

　　平尾失速（或即将失速）一般发生在紧接后缘襟翼延伸到中间至全向下位置时
，通常会呈现以下一些征兆：

　　 1．升降舵控制的脉冲、振荡或振动；
　　 2．非正常的机头向下配平的改变；

　　 3．任何不经常的非常规的俯仰操作可能会导致驾驶杆诱发振荡（PIO）；
　　 4．升降舵效率的降低和失效；
　　 5．升降舵力突然改变紧跟着发生非指令性的机头下俯；
　　 6．突然非指令性的机头下俯。

　　当出现上述任一平尾失速征兆时，可用下述一些方法避免事故发生：

　　 1．直接收回襟翼调节到以前的位置，合理应用升降舵、动力，并保持精确的
空速控制，使飞机抬头。
　　 2．增加空速消除机翼抖振，但襟翼的构型不能超过飞机制造商建议的空速和
设置值。
　　 3．一旦遇到平尾失速，在相同的襟翼设置下，失速情况随着空速增加趋于恶
化。在襟翼设置超过飞机制造商建议的在该飞行和环境状态下的设置值，而在平尾
上又有不光亮的冰时，会导致平尾失速和非指令性的飞机下俯，要恢复就很难了。

　　 4．要使机头慢慢下俯。如果使用充气增压的消冰系统，系统要运作几次来清
洗平尾的冰。
　　 5．因为在尾翼上能形成比机翼上形成的冰还要大的冰，所以有时机翼上看不
见冰，但尾翼上的冰还存在。这时要特别注意不要使冰的厚度发展到超过消冰系统
的运行限制。

　　如果发现了上述的平尾失速征兆或怀疑平尾上结冰，那么要在较小的襟翼角下
着陆并与襟翼角相应地增加飞行速度。


　　将飞行结冰检测器与防冰系统一起使用，对于避免平尾结冰失速是非常有用的
，因为机组人员一般从驾驶舱不能看到平尾表面的结冰。还需要注意，探针型的冰
检测器常常不能对机翼上的冰结成报警，像后流冰。 

　　减少地面污染的影响

　　为了减少飞机在地面污染引起严重的飞行事故，FAA在1992年5月召开了有关飞
机地面消冰会议。会议提出了一些建议，其中最重要的一条是消冰设备要靠近飞机
起飞跑道。这样可将消冰和起飞的时间降到最小。

　　 当飞机等候起飞时用加热的消冰液冲洗飞机，跑道旁边的坑用来贮存二醇混
合液，以便重复使用，可以降低对环境的影响并降低了成本。

　　 防冰溶液用来消表面的冰，防止在突然降冻情况下冰的形成。飞机起飞前的
检查需要训练，要有如何清洗的知识。

　　 飞机性能的恶化随飞机表面粗糙度的增加而增加，也与在翼型上的位置有关
。更要注意关键部位上的消冰和防冰。

　　智能防冰系统的利用

　　智能防冰系统的基本概念是实时、直接地测量飞机上的冰对飞机性能的影响，
并使用这信息完成安全操作。对飞机性能的评估是靠飞机上安装的传感器测得的数
据。

　　智能防冰系统通过一种冰管理系统来增加安全性。冰管理系统是将数据、数据
评估和作出合适响应的决定集合在一起的计算和软件中心，并能及时地传给飞行员
，和进行自动控制。具体功能如下：

　　 1．传感冰的出现和特征，及其对飞机性能和操稳特性的影响，传感防冰系统
的性能和冰的结成。
　　 2． 自动的运作和管理防冰系统，并提供飞行员对飞机和防冰系统状态和性
能的反馈。
　　 3．如果飞行性能在恶化，使用飞行控制系统使飞机改变飞行包线来避免飞行
不可控制，那么冰管理系统能注意飞行员的动作的执行。
　　 4． 在所处理的飞行包线内，可以自动进行适度的控制，确保飞行安全。 

(编辑：蒋永光) 
 
http://www.univs.cn/newweb/univs/nwpu/2004-06-25/253743.html


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