_飞机结冰特性及防除冰技术研究

2 结冰对飞机的影响
飞机在结冰气象条件下飞行时 , 容易发生结冰 现象, 使机翼、 尾翼、 发动机进气道、 座舱玻璃、 空速 管等突出部件的表面结冰。不仅会增加飞机的飞行 重量, 同时也改变了飞机的气动外形 , 影响气流的流 动情况 , 造成阻力增大 , 升力减小, 操纵性、 稳定性恶 化。螺旋桨桨叶结冰则降低螺旋桨效率, 进而减小 发动机可用推力。升力及推力的减小导致失速速度 增大, 因为失速前没有预警 , 飞行员无法及时作出反 应 , 从而引起飞行事故。 2 . 1 结冰对气动特性的影响 结冰对飞 机的影响主要在于对气动外形的破 坏。形成的粗糙度能使边界层提前转捩、 促使气流 提早分离, 从而使临界迎角下降。同时, 流场的变化 造成翼面的升阻 特性明显恶化、 阻力增加、 升力减 小、 失速速度提高、 俯仰力矩发生改变、 稳定性程度 [ 5] 减少等 。 2 . 2 结冰对操稳特性的影响 结冰对飞机操纵性的影响
R esearch of A ircraft Icing Characteristics and A nti icing and D e icing Technology
ZHOU L i XU Hao jun, Prof. GONG Sheng k e LI Da w ei ( Eng in eering Inst itute , A ir Force Eng ineering Un iv ersity, X i 'an 710038 , Ch in a) Abstract : In order to assure flight safety, it is ex trem e ly i m portant to rea lize the danger of icing , to pre d ict the characteristics of ic ing and to develop anti icing and de ic ing m ethods . The form ation and m eas urem ent m ethods of icing are dep icted , ic ing effects on a ircraft perfo r m ance , stab ility and contro l are ana ly zed, and som e ant i ic ing and de icing techno lo gy are a lso presented . A t the sam e ti me , considerin g in es capab ility of fly ing under icing conditions , the aircraft system can be desig ned and operated in an ice toler ant m anner . In additio n , som e related operat io n suggestions are listed . It show s that different factors influ encin g the icin g of aircra ft can le ad to the d iv ersity o f ic ing severity, at the sam e ti me , the in flu ence of ic ing accret ion on the characterist ics o f aircraft is so grea t that flig ht perfor m ance w ill degrade . A s a resu l, t the use of ant i ic ing and de ic ing techno logy and the i m provem ent of ice to lerant capab ility are critica l to assure flig ht safety under icing cond it io ns. K ey w ords : aircraft ic in g ; flight safe ty ; anti ic ing; de icing ; ice to lerant 同结冰程度以及不同部位的结冰, 均是决定冰影响 程度的重要因素 , 会给飞行安全带来不同程度的危 害。机翼前缘结冰, 飞机的空气动力性能变坏 , 使飞 机的升力减小, 阻力增大, 影响飞机的安全性和操作 性 ; 在旋翼和螺旋桨叶上 结冰, 会造 成飞机剧烈颤 动 ; 发动机进气道结冰 , 可能会损坏飞机; 风挡结冰 , 妨碍目视飞行 ; 天线结冰 , 影响通信 或造成通信中
第 2 0卷 第 6 期 2 0 1 0 年 6 月
中 国 Ch ina
安 全 Safety
科 学 Science
学 报 Journa l
V o l. 2 0N o. 6 Jun . 2 0 1 0
飞机结冰特性及防除冰技术研究
周 莉
教授 龚胜科 李大伟 ( 空军工程大学 工程学院, 西安 710038)
第 6期
周 莉 等: 飞 机 结 冰 特 性 及 防 除 冰 技 术 研 究
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结冰后横航向稳定性的变化与纵向稳定性有相似之 处, 但具体指标实际如何变化 , 要根据飞机结冰程度 及自身参数来确定。 2 . 3 结冰对起降特性的影响 结冰对起飞性能的影响
[ 6]
响 , 但具体的变化情况要根据不同的结冰状况和机 型来确定。结冰会导致发动机工作性能变差、 可用 推力减小、 易喘振等。此外 , 结冰使飞机的气动特性 变差, 进而导致飞机发动机耗油率增加, 飞机的爬升 率减小 , 下降率增大 , 航程和航时减小, 飞行包线向
收稿日期 : 2010 - 01- 23 ;
修稿日期 : 2010- 05- 31
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中 国 Ch ina
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安 全 科 学 Safe ty Sc ience
学 报 Journa l
第 20卷 2010年
断, 这些因 素都可 能造 成意 想不 到的 事故
。从
更重要 , 因而又引用了结冰程度这一概念。所谓结 冰程度 , 是指飞机在结冰条件下飞行的整个时间内 , 表面上所结冰层的最大厚度。显然结冰程度是由冰 生成的速度和飞机在结冰条件下飞 行的时间决定 [ 4] 的 , 结冰程度的分类情况见表 2 。
表 2 结冰程度等级 等级 最大厚度 /mm 弱 结冰 轻度结冰 中度结冰 强结冰 0. 1~ 5. 0 5. 1~ 15. 0 15. 1~ 30. 0 > 30 . 0
1969 年到 2005 年 , 世界上由于结冰引起的飞行事 故已经造成 500 多人死亡, 并且造成财产的重大损 [ 2] 失 。因此 , 飞机结冰现象及其防冰除冰研究是飞 机研制必须认真考虑的问题。
结冰强度尚不能完全表达飞机 结冰的严重程 度, 如飞机处于强结冰条件下的时间很短, 那么表面 上结的冰量就不会很多 , 相反 , 如飞机处于弱结冰条 件下的时间很长 , 飞机上也可 以结成很厚的冰 层。 所以在实际飞行中 , 飞行员为了判断飞出危险区之 前结冰的危险程度 , 总的结冰厚度往往比结冰强度
0 引 言
飞机结冰是指飞机机体表面某些部位聚集冰层 的现象, 它主要由云中过冷水滴或降雨中的过冷雨 碰到飞机机体后凝固形成的, 也可由水汽直接在机 体表面凝华而成。只要有适当的空气湿 度, 在 5 时就会产生结冰现象。一般说来, 不同类型的冰、 不
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文章编号: 1003- 3033( 2010 ) 06- 0105 - 06 ;
中图分类号 : X949
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徐浩军
学科分类与代码 : 6203070( 安全系统工程 ) 基金项目 : 国家自然科学基金资助 ( 60572172) 。
文献标志码 : A
摘 要 了解结冰对飞行的危害、 预测结冰的特性和发展防除冰方法 , 对于保证飞行安全极为重 要 。阐述结冰的形成及其严重程度度量方法, 分析结冰对飞机气动 、 操稳及起降特性的影响 , 总结现 有的飞机防冰与除冰技术, 并对飞机防冰试验进行综述 。 考虑到带冰飞行是不可避免的, 强调容冰 技术对于保障安全飞行的重要性 , 并给出结冰条件下的操纵建议 。 研究表明, 影响飞机结冰的因素 不同导致结冰严重程度上存在差异, 结冰对飞机特性影响较大 , 导致飞行性能下降 , 而防除冰技术的 使用及容冰能力的提高对于确保结冰条件下的飞行安全意义重大 。 关键词 飞机结冰; 飞行安全; 防冰 ; 除冰; 容冰
表 1 以结冰速率划分的结冰强 度 结冰速率 /g cm - 2 0. 00~ 1. 00 1. 01~ 6. 00 6. 01~ 12. 00 > 12. 00 h- 1 结冰强度 弱结冰 ( trace) 轻度结冰 ( light) 中度结冰 ( m oderate) 强结冰 ( severe)
: 结冰后飞机的离地速
内萎缩。总之, 结冰会降低飞机的飞行性能, 危及飞 行安全。
度增大, 这是因为在飞机发生结冰后, 原来的起飞速 度不足以使升力和重力平衡以满足起飞条件; 滑跑距 离和时间将增加, 这是由于升力减小, 阻力增加 , 导致 起飞加速度也相应减小; 此外, 起飞空中段飞机速度 很小, 而迎角很大, 易发生飞机失速。另外, 在结冰导 致平尾操纵效率降低后, 容易引起飞行员的不当操 纵, 使飞机失速坠毁, 这是因为在发生结冰后飞行员 容易拉杆过多, 短时间内可以增大升力, 但当速度较 低时, 由于迎角过大, 使阻力增大, 易导致飞行事故的 发生。表 3 为飞机起飞阶段的速度及距离, 可以看出 结冰对相关参数的具体影响。据统计, 在由于结冰造 成的飞行事故中, 起飞阶段约占 1 /3 。
பைடு நூலகம்
1 飞机结冰的形成及度量
1 . 1 结冰的形成 飞行试验表明 , 飞机表面的实际结冰情况, 如所 结冰层的形状、 结冰区域范围以及结冰量的大小 , 主 [ 3] 要由 3 方面的因素决定 。一是飞机的外形形状, 特别是机翼前缘的几何形状对飞机结冰影响较大; 二是飞机的飞行状态, 如 飞行姿态 ( 主要是飞行迎 角 )、 飞行高度、 飞行速度等; 三是飞行气象条件, 如 液态水含量、 液态水滴直径、 云层范围、 云层温度等。 按结冰部件分类 : 飞机各部件的迎风面在结冰 气象条件下容易形成结冰, 如机翼结冰、 挡风玻璃结 冰、 发动机进气道结冰、 平尾结冰等。 按结冰物理过程分类: 飞机在不同的物理条件下 飞行时会结成不同的冰, 可分为霜冰、 明冰、 混合冰等。 按几何形状分类: 结冰条件的不同所结冰层的形 状也不同, 分为粗糙度冰、 角状冰、 流向冰和展向冰脊。 1 . 2 结冰严重程度的度量 结冰强度是衡量结冰对飞行安全危害的量度, 通常用结冰速率 (冰在飞机部件表面形成的速度 ) 来表示。表征结冰强度最直接的方法 , 是测量在一 定时间内、 单位面积上的结冰量 , 根据测量的数据, 给出结冰强度 的等级划分, 分别为弱结冰 ( trace )、 轻度结冰 ( light) 、 中度结冰 ( m oderate)和强结冰 ( se [ 4] vere), 各不同结冰强度所对应的结冰速率见表 1 。
[ 4]
: 平尾结冰使飞机
的操纵效率下降 , 则需要更大的升降舵偏角以保持 纵向平衡, 并会出现非操纵性的低头力矩 , 失速迎角 也会明显减小; 而操纵面结冰后 , 飞机的操纵效能和 操纵杆力均发生变化, 更为严重的是在操纵面缝隙 发生结冰的情况下, 不仅使飞机的操纵效率降低, 甚 至会出现卡死现象, 导致飞机操纵性能的完全失效。 [ 4] 结冰对飞机稳定性的影响 : 由于飞机结冰后 飞机的质量分布将发生改变 , 对质心的位置有一定 影响; 同时, 结冰也会改变翼型的气动外形 , 因而翼 型焦点的位置将发生改变 , 这两个位置的变化都会 影响飞机的纵向静稳定性。此外, 结冰后飞机纵向 的各个气动导数也会随气动外形的变化而改变 , 从 而影响到飞机的纵向动稳定性 , 响应特性也会改变。