浅析飞机积冰的原因及防冰策略

浅析飞机积冰的原因及防冰策略
摘要：飞机积冰会严重影响飞机的性能并危及到飞行的安全，现代飞机都装有先进的防冰系统，该文主要对形成积冰的原因并主要探讨了从飞行中和起飞前地面除、防冰两个方面，说明了积冰对飞行的影响以及正确的防范措施说明积冰的处置和除、防冰的方法。

关键词：飞机积冰飞行安全防范措施
Reason analysis of aircraft icing and ice prevention strategies
Abstract:Aircraft Icing will seriously affect the performance of aircraft and endanger the flight safety, the modern aircraft are equipped with anti icing system,this paper focuses on the reasons for the formation of icing and mainly discusses from two aspects of flight and flight before the ground except, anti icing, illustrates the effect of ice accretion on flight and preventive measures to correct description of the disposal and method of removing ice, ice.
Key words:Aircraft icing Flight safety Preventive measures.
给生活带来乐趣的雪和冰，对于飞机的运营来说，却变成了一个无形的杀手。

冰和雪极大的威胁着飞机的安全运行，跑道道面上结冰和大量积雪就是其中之一。

冰和雪会减少刹车效果、降低加速性能，给飞机起降性能造成很大影响，这一点早就被人们所认识并一直在采
取对策。

为了保证安全运航，需要除去跑道上的冰雪，因此常常打乱正点运航。

1994年10月31日，西蒙斯航空公司4184航班，ATR72从印度安纳波里斯到芝加哥，突然翻滚并从大约10,000英尺猛冲下去，机上68人顷刻死去；1996年5月26日，英国航空公司一架BAe146飞机8845m高空遭遇雷暴和颠簸，飞机严重积冰，四发全部失效。

最后在飞机迫降接地前，2号发动机启动成功，险象还生。

据美国航空局综合分析，飞机结冰导致的失事每年近30起，其中飞机上有霜、雪、冰等起飞失事每年13起，起飞、巡航与着陆过程中因结冰导致的失事各占1/3。

1989年3月至1992年3月的3年中，世界上共发生四起运输机与结冰有关的飞行事故，共死亡53人。

现代运输机的巡航高度在5000至10000m左右，大都在气温0℃以下，由于飞机结冰引起的事故数目高居不下，其中与飞行员疏忽大意或对系统的非正确使用是一个重要原因。

为避免类似事故的发生，深入彻底的了解现代飞机防冰系统的工作、特点是非常必要而关键的。

1 积冰的成因
我们以形象的方式来观看结冰的过程。

（参见图1）设想飞机从清洁的大气飞入包含结冰条件的云中：机翼象钝刀子一般劈开云层，分开空气，为它重新导向，把它向下推，造成升力。

刚进入的云层是
细小水滴的薄雾，水滴悬浮于空中是“过冷的”，低于0℃，它们一接触到固态物体就立刻冻结在该物体上。

大多数细小的水滴惯性极小，紧随流线；机翼在这些水滴间平滑的快速前进，把它们推开而不接触它们，水滴穿透了刚好在驻点前面的紊乱空气，撞击前缘并冻结。

过冷水滴的大小很大地影响着飞行中机翼结冰的严重程度和位置。

大一些的水滴，惯性更大，穿透流线更容易，并打击在机翼更靠后的部位。

在水滴教大的区域，较大的水滴和较小的水滴一样跟随流线，某些较大的水滴击中缘的上部与下部表面并冻结。

最大的水滴比较小的水滴撞击机翼更远的后部。

某些较大的水滴也飞溅在机翼上并在它们全冻结前沿机翼跑向后部，如果它们足够大，它们将实际上撞击由除冰靴保护的区域后面的机翼部分。

冰继续在机翼上沉积，污染精心设计的机翼形状，靠近机翼的流线开始破裂，越来越多的机翼能量被浪费在把空气分子运送入无益的小旋涡中滚动。

机翼的升力降低，阻力增加。

与此相似的机理，冰会沉积于飞机发动机整流罩前端，风挡，全/静压探针，无线电天线等部位。

飞机结冰不仅回使气动性能恶化，导致失速，而且使发动机功率下降或吸入冰块，风挡视界不清、有关仪表读数不准，直接影响飞行安全。

飞机积冰的概率取决于很多因素，主要是：天气条件、飞行高度上云的概率、云的含水量、气温、云中水滴和冰晶的大小及它们在单位时间内落在单位面积上的数量、水滴的冻结速度、气流绕过飞机各部位的特点（飞机的空气动力特性）以及飞行速度。

过冷水滴组成的
浓积云中积冰概率最大。

以下几个方面为造成飞机积冰的不同因素。

(1)温度。

通常飞机积冰形成于温度低于0℃的云中。

但云中温度越低，过冷水滴越少，故在温度低于-20℃的云中飞机积冰的次数是很少的，根据观测资料，气温在0～20℃范围内的积冰占80%；-2～-10℃范围占68.3%；强积冰也多发生在-2～-10℃范围内。

因此，在飞行中了解0℃、-2℃、-10℃及-20℃各等温线的高度。

对判断积冰的可能性和强度有重要作用。

云中温度在+2～0℃范围内也有积冰，云中温度略高于0℃时产生积冰的原因是：在云中相对湿度小于100%，飞行速度又不大的情况下，水滴碰到机体上后，强大的气流使水滴强烈蒸发而降温，若降温作用超过了动力增温作用，则机体表面温度降至0℃以下，于是形成积冰；或者是原在地低于0℃区域飞行的飞机，突然进入（如降低飞行高度）暖湿区域中，由于集机体表面温度仍在0℃以下，于是水汽在机体表面凝华，形成一层薄霜。

此外，在喷气发动机进气口和螺旋桨发动机汽化器等部位，由于流经该处的空气发生膨胀冷却，温度可降低几度，也能产生积冰。

飞机积冰与云中温度的关系，还与飞行速度有关。

有利于积冰的云中温度，低速飞机相对高一些，高速飞机相对低一些，这是因为动力增温值不同的缘故。

飞机积冰与空速和云中气温的关系。

(2)飞机积冰还与云中湿度有关，温度露点差可以反映云中相对
湿度的大小。

显然，云中温度露点差值越小，相对湿度就越大，越有利于积冰的形成。

据统计，飞机积冰一般发生在云中温度露点差<7℃范围内，以0～5℃发生积冰最多，强积冰多发生在温度露点差为0～4℃范围内。

(3)飞机积冰与云的关系是极为密切的。

在温度低于-2℃的云中飞行，都有可能产生积冰，由于不同云中的含水量和雨滴大小不同，故积冰也有不同的特点。

由(表1)可见，云滴半径以浓积云和积雨云最大，高层云最小；云中平均含水量，以积雨云、浓积云和淡积云最大；高层云、高积云最小。

云中水滴的物态，当云中温度为0～-15℃时，多为过冷水滴；-15～-30℃时，为过冷水滴与冰晶共存；-30℃以下为冰晶。

积云（主要是浓积云）、积雨云中的上升气流强，云中含水量和水滴都很大，所以云中积冰较强。

尤其是云的上半部含水量和水滴最大，所以是积冰最强的区域通常以明冰居多。

云的顶部和边缘部分积冰较弱，云的下部因温度在0℃以上，所以没有积冰发生。

在积云中，积冰的特点是：积冰的水平范围较窄，强度变化大，在含水量和水滴处是最大处，可产生较强的积冰，而且伴有强颠簸。

另外，积冰的强弱还与积雨云发展的各个阶段有关，在不同的阶段有不同的积冰特点。

层云和层积云是由于空气波状运动和湍流混合而成的。

多出现在
逆温层的下面，云中含水量的分布由云底向上增大。

因此云中积冰一般是轻到中等强度，云的上部比下部要强些。

由于层云和层积云出现的范围较大，如果在云中长时间飞行，应该注意积冰。

冬季，由于云中多为过冷水滴，积冰较多；如果云中有过冷毛毛雨或小雨，飞行时可能会发生较强积冰，但由于这些云高较低，云层也不太厚，所以可以爬升到云上飞行，避开积冰区。

夏季，层云和层积云的温度均在零度以上，云中飞行不会积冰。

高积云中的含水量和水滴分布与层积云相似，但含水量和水滴要小些，所以云中积冰强度较弱，通常为弱积冰。

当云层很厚时，也可能有中度积冰，危及飞行。

例如：1989年3月16日，某部一架米8直升机，在榆中起飞后，飞行高度在2800m入高积云，15时52分出云，由于在云中飞行时有积冰，16时23分机组报告右发停车，飞行高度降至2400m，随即高度不断降低，于16时36分迫降于麟游县，偏西方向37.5km的海拔高度为1460m山坡上，直升机报废，重伤4人。

雨层云和高层云中的含水量和水滴都比积状云小，而且分布随高度减小，所以云中积冰较弱。

强度随高度也减小。

只有在锋线附近的雨层云下部飞行，或者在冻雨或冻毛毛雨中飞行时才会出现较强积冰。

雨层云和高层云多为锋面云系，范围广，云层厚度较大，因而积冰区的范围也较大。

沿锋线方向，积冰区有时可达1000km之多，宽
度也可达200～400km。

虽积冰强度较弱，但如在云中长时间飞行也会形成较厚的积冰，对没有防冰装置的飞机会造成严重影响。

卷云、卷积云和卷层云都是由冰晶构成，过冷雨滴极少，所以很少出现积冰。

只是在伪卷云中飞行有时有弱积冰。

(4)地形对积冰也有影响。

由于地形的抬升作用，在山的迎风面上空，有利于云层生成、增厚，其中过冷水滴比平原或者山的背风面上空的云中都要多些，大些，因此出现飞机积冰就较为严重。

根据国外积冰的研究说明，大多数的严重积冰是出现在飞机越山或者是穿越锋面时，或者是两者结合的情况下。

2 积冰的种类
积冰有四种：明冰、毛冰、雾凇和霜。

在温度为0-10℃的冷雨中或由大水滴组成的云中，由于温度较高，水滴较大，冻结较慢，每个过冷水滴碰上机体后并不全在相碰处冻结，而是部分冻结，部分顺气流蔓延到较后的位置上冻结，在机体上形成了透明光滑的冰层—明冰。

在有降水的云中飞行时，明冰的聚积速度往往很快，冻结得又比较牢固。

虽用除冰设备也不易使它脱落，因而对飞行危害较大。

而在没有降水的云中飞行时，这种冰的成长就慢得多，危害性也小一些。

在温度为-5～-15℃的云中，因为这样的云中往往是大小过冷水
滴同时并存，所以形成的积冰也就既具有大水滴冻结的特征，又具有小水滴冻结的特征。

有时，在过冷水滴与冰晶混合组成的云中飞行，由于过冷水地滴夹带着冰晶一起冻结，也能形成粗糙的不透明的毛冰。

由于毛冰表面粗糙不平，会破坏飞机的流线造型，同时又冻结得比较牢固，所以对飞行的影响不亚于明冰。

在温度为-20℃左右的云中，过冷水滴通常很小，相应的过冷水滴的数量也较少。

碰在飞机上冻结很快，几乎还能保持原来的形状，所以形成的冰层看起来就像“砂纸”一样粗糙。

同时由于各小冰粒之间一般都存在着空隙，所以冰层是不透明的。

雾凇的积聚速度较慢，多出现在飞机的迎风部位如机翼前沿。

与明冰相比，雾凇是较松脆的，很容易除掉，对飞行的危害要小得多。

霜是在晴空中飞行时出现的一种积冰，它是飞机从寒冷的高空迅速下降到温暖潮湿但无云的气层时形成的，或从较冷的机场起飞，穿过明显的逆温层时形成。

它不是由过冷水滴冻结而成，而是当未饱和空气与温度低于0℃的飞机接触时，如果机身温度低于露点，由水汽在寒冷的机体表面直接凝华而成，其形状与地面物体上形成的霜近似。

霜的维持时间不长，机体增温后消失，只要飞机表面温度保持在0℃以下，霜就一直不会融化。

虽然霜很薄，但它对飞行依然有影响，下降高度时在挡风前结霜，会影响目视飞行。

冬季停放在地面上的飞机也可能结霜，一般要求清除机体上的霜层后才能起飞。

3 积冰的强度
一个相同的积冰天气环境下，积冰的强度取决于飞机的类型，飞机的设计，飞行的高度，飞行的速度等因素。

积冰强度通常是指单位时间内机体表面所形成冰层的厚度，单位是毫米/分，分为弱、中、强、极强四个等级，如表2所示。

这种划分积冰的方法只有专门探测装置才能准确测定。

实际过程中用所积冰层的厚度来衡量，以厘米为单位。

同样分为四个等级用以说明积冰情况的严重性。

弱积冰是指冰层的生成速度略大于其升华速度，这种积冰没有明显危害，无需启动防冰除冰设备，也无需改变飞行高度或航向，除非这种积冰达到1h以上。

如果中度积冰持续1h以上，则对飞行将构成威胁，因此间断使用防冰除冰设备成为必要，如果需要在这种环境下长时间飞行，则必须改变高度或改变航向。

即使短时间遇到强积冰也会有潜在的危险性，遇到这种情况必须及时使用防冰设备，同时也可以考虑飞行高度或航向。

在极强积冰下，防冰设备已不能减少或控制积冰，必须立即改变航向。

还应特别注意的是，以上描述是不够明确的，因为不同类型飞机在相同的环境下，对积冰程度的反应是不一样的，如驾驶大型飞机的机组所报告的轻度积冰对一架TB—20飞机来说，可能是严重积冰。

4 积冰的处置措施
任何一件事都有其应对方法，飞机积冰也有其相应的处置措施。

(1)要对积冰的危险区域有清醒的认识。

一般认为，积冰的环境条件是可见湿度（云、雾、雨和雪）和结冰温度。

有的事故记录表明，上述积冰条件中的结冰温度并不是绝对的，出现积冰是的环境温度不一定要限制在冰点以下。

以下3种情况就是应该注意的积冰危险区域：
下降阶段。

当飞机在较高航线飞行时，飞机表面温度可以是在0℃以下。

如飞机下降过程中遇到潮湿空气，即使此时环境温度在冰点以上也可能形成透明冰或霜。

即使周围环境温度在冰点以上，机翼油箱部位的表面温度也有可能低于0℃，当遇到降雨时就可能形成冰并粘附在机翼上。

虽然在飞行高度上的温度在冰点以上，但遇到过冷雨滴，也可能在飞机上形成透明冰。

(2)要根据情况预计积冰的产生。

如何预计积冰危险的存在对飞行来说是很重要的，预计积冰危险的措施一般以下几种：第一、了解已知的积冰：查看其他飞行员的报告，了解是否已有有关积冰情况的报告，这对于预计什么地点会出现积冰是否是很有用的。

第二、收集积冰预报资料：飞行航务部门利用国家气象资料，根据湿度和温度对某一高度上可能积冰情况作出预报，对飞行员来说，掌握这些重要的气象情报资料可以帮助其做出对积冰危险的预计。

第三、确定积冰条
件：要正确判断是否可能出现积冰，飞行员要懂得造成积冰的一些原因和条件。

虽然飞行员在飞行前没有得到有关积冰的报告或预报，在飞行中也应该随时注意观察外部温度和其他气象情况，这有助于及时发现突然遇到的积冰危险。

(3)要懂得预防积冰的基本措施。

飞行员在处理积冰问题时应采取以下措施：
①尽可能地收集你将要飞行区域的气象资料和详尽的简报，包括：气象预报、天气变化情况、重要的气象情报和飞行报告等。

另外，与刚结束飞行的飞行员交谈，从中了解飞行区域的有关积冰情况。

②在已知会有积冰的情况下，如果不是不得已不要在积冰区域飞行。

③保持对周围环境条件的注意，特别是在夜晚的时候，要注意观察外界气温和其他情况。

察看风挡边角处和突出部位，因为这些部位比机翼更早出现积冰。

④在遇到有可能出现积冰的温度和湿度时，要应用空速管防冰设备。

⑤在下降过程和减少动力的时候，要使用足够的汽化器加热。

⑥当平尾有积冰时，要用尽可能小的襟翼设定着陆。

⑦要掌握机上的防冰设备，要懂得何时如何使用它。

⑧在起飞前要确保机翼和尾翼表面没有霜、雪和别的污染，不要认为雪可以在起飞滑跑过程中被吹尽而不采取清楚措施。

⑨如果你的飞机开始积冰，则绕过或避开结冰区。

如果不能这么做。

则考虑以温度较高的高度或没有结冰的高度飞行。

总的来说，预防积冰事故最根本的措施是，飞行员要认识到积冰问题的严重性，要保持高度的警觉性，不能有麻痹大意的思想。

(4)了解常见积冰部位及防冰方法(表3）。

现有的防冰系统可以分为两大类：一类称为防冰系统，即不允许飞机部件上产生结冰的系统。

另一类称为除冰系统，此类系统允许飞机部件结少量的冰，然后期的把冰除去。

根据防冰所采用能量的方式不同，有机械除冰系统、液体防（除）系统、气热防（除）冰系统、电热防（除）冰系统等。

此外还应该注意三点：
①合理使用防冰液。

如果飞机由于天气原因在地面已有积冰或者为了有效防止积冰，则应在地面时喷洒防冰液。

防冰液不仅能有效除去飞机表面已有的积冰，还能在飞机蒙皮上形成保护膜，防止进一步积冰。

地面停放的飞机在起飞前，如果已经积冰，一定要彻底清除机身积冰然后再起飞。

这是防止空中积冰和飞行安全的重要环节。

否则会带来不安全因素或造成飞行事故。

例如，1980年2月16日，里特卡特货运有限公司的一架布里撕托尔至布里达斯尼亚253F飞机，从马萨诸塞州比尔里卡的波士顿机场起飞后8min坠毁，机上7人死亡，1人重伤。

其主要原因就是飞机在起飞前机体上已积聚有冰和雪，未清除彻底起飞，飞机的空气动力性能降低，在上升中又进入中强积冰区，机体积冰进一步积累，飞机的动力性能变得更差，无力爬高，最大上升高度仅为518m。

②正确使用防冰系统。

无论是在空中、地面或是起飞着陆时只要有积冰条件存在或预计有积冰时，如空中大气气温10℃或低于10℃，可见水气、云、能见度小于1海里、雾、雨、雪、冰晶等，都要及时使用防冰系统，下面以Boeing737为例介绍一下防冰系统的使用：Boeing737使用手册指出，“当外界温度在10℃或低于10℃时，出现任何形式的可见水气，如云，能见度小于1海里的雾、雨、雪、雨夹雪和冰晶，都需要防冰，在有积冰条件存在或预计可能出现积冰时，在整个地面工作中，机翼防冰必须接通。

机翼防冰电门开。

机翼防冰活门打开灯，监视。

检查两个活门打开灯，先明亮后暗亮。

飞行中主要的方法是用于除冰，也就是在接通机翼防冰前允许有积冰形成，驾驶舱风挡框架，风挡中部隔架，或风挡雨刷臂这些都可以作为一种构成积冰情况及需要接通机翼防冰的信号指示，使用机翼防冰用作除冰将提供最清洁的翼面，冰层脱落后重新积冰的可能最小，可使用推力和燃油消耗保持最佳经济状态还有一种方法是在积冰前使用机翼防冰系统，只在长时间的中度到严重积冰条件下飞行，如等待才使用机翼防冰系统作为防冰。

在巡航阶段，防冰设备要有预见性地提前打开，千万不要等到结冰以后再打开，“防冰”着重在防。

但翼面的防除冰与发动机防冰不同。

机翼防除冰的打开时机不能太早也不能太晚。

因为机翼的防除冰装置只在前缘襟翼和翼面前部有，后缘襟翼，缝翼均无防冰装置。

若提前打开翼面防冰装置，或结冰达不到一定程度时，打开防冰装置，那么此时翼面前缘便会无法积冰或加温或水珠滑向翼面后部，致使翼面后部积冰，影响翼面后部的气动性能和各部件的运转，危及飞行安全。

所以翼面的防除冰要恰到好处，等机翼已结冰到一定程度打开机翼防冰，等到冰已从机翼上脱落后再关掉。

机翼防冰系统最好是机翼与尾翼交替使用，若同时使用翼面和尾翼防除冰将会导致发动机引气过多，致使爬升功率减小从而对安全不利。

机翼防冰在起飞和着陆过程中建议不使用，以保证发动机有足够的功率。

③正确的飞行操纵。

飞机积冰后，应避免做剧烈的动作，尽量保持平飞，保持安全高度；着陆时也不要把油门收尽，否则会有导致飞
机失速的危险。

对于尾翼积冰来说，在有可能积冰的天气条件下飞行员最好就选择小角度襟翼落地，并且尽可能分几次将襟翼放到最后预选角度，一旦发生平尾失速，飞行员若能及时拉杆并收上襟翼还是有可能挽救的。

飞机遇到积冰时，应该改变飞行的高度和航线等方法避开积冰区。

当飞机进入积冰区已经开始积冰时，应该利用防冰装置和除冰装置及时清除。

如果积冰较弱，对飞行没有多大影响，飞行时间又不长时可以继续飞行；如果积冰强度较强，影响到飞行的操纵时，应该迅速脱离积冰区。

实际飞行中通常采用改变高度的方法，因为强积冰区的厚度很少超过1000m，改变高度的比较容易减轻积冰的强度。

例如1986年12月18 日，一架安24飞机从北京飞往南京，12时许到达南京上空时，高度在900m以上无云，当下降到900时进云，云层中较黑暗，飞机三转弯时高度600m发现飞机严重积冰，座舱风挡玻璃瞬间积冰模糊不清，飞机操纵困难，飞行员立即打开全部的加温设备，并上升高度到云上，在机场上空转了一圈，然后再下降安全落地。

高速飞机发现积冰，可用加大速度的方法来减轻或消除积冰。

在飞机积冰的情况下，应尽量急转弯、急剧上升和小半径盘旋飞行等剧烈动作，着陆时也不要把油门完全收完，否则会导致飞机失速的危险。

总而言之，飞行员了解飞机翼面上结冰的危险性是非常重要的。

即使被允许在结冰状况下飞行的飞机，自然也有界限。

不具备关于结
冰的知识（例如结冰的影响及防、除冰系统的适当训练和经验）者，应避免在预知的或可能有积冰状况下飞行。

重要的是要知道飞行员和飞机的界限。

飞行员要熟知与机体表面结冰有关的气象类型，了解发现在机体表面结冰的方法，知道结冰对系统，操纵，性能造成的恶劣影响。

还应知道，一旦不幸遇到结冰的状况时，如何应付那种状况。

因为即刻认识可能与结冰事故有关的原因，作出适时的判断才能避免出现最坏的事态。

除以上我们还要充分了解自己所飞航线区域的天气情况（特别是冬季飞行）收集积冰预报资料，确保可能结冰条件制定出预防措施和应急措施（如脱离结冰区的办法，返航备降等）我们时刻清楚，作好充分的准备，尽量避免任何一种特情的出现。

严格遵守法规和机组操作手册和规范，就能安全的飞行。

5 结语
现代飞机的防冰系统在一定程度上提高了飞机在恶劣环境下的适航性，提高了飞机的安全性。

然而防冰系统设计有其工作条件、能力的限制，对于飞行计划的制定和操作者——飞行员，我们还必须遵守在恶劣的积冰天气以“避让”作为第一黄金定律，这也是最行之有效与安全的方法。

参考文献
[1] 吴玉梅.机翼积冰对飞行安全的影响[D].南京航空航天大学,2012.。