科普贴 飞行安全之飞机结冰与防冰

　　飞机为什么会结冰？

　　飞行安全一直是人们关注的焦点问题，飞机结冰是影响飞行安全的一大隐患。

　　飞机为什么会结冰呢？主要是由于空中的低温云层中存在着低于0℃的液态水滴，这些水滴撞击到飞机的迎风表面便会迅速冻结形成积冰。水滴可以在冰点以下以液态形式存在似乎很奇怪，但从热力学的角度来看这种现象是完全可能的。水滴要从液态变为固态，既要克服通常的相变能障，还要克服与表面张力作功有关的能障。我们把这种低于冰点温度的水滴称之为过冷水滴，过冷水滴处于一种非稳定状态。当飞机穿越含有过冷水滴的云层时，如果没有对飞机迎风表面进行加热防护的话，过冷水滴撞击到飞机表面后，水滴形态迅速改变，同时飞机表面为其提供了足够的凝结核，使得过冷水滴在飞机表面迅速冻结。

　　飞机机翼结冰以后会引起阻力增加，升力下降，操控性能变差；发动机进气系统结冰会引起发动机进气流场畸变，进气通道阻塞，发动机性能恶化；机翼或者发动机进气系统结冰脱落如果被发动机吸入后会损伤发动机内部的叶片，造成机械损伤；飞机传感器一旦结冰，会使得飞行人员无法获得准确的飞行参数，引起飞机自动操控系统误操作。飞机在飞行中结冰会严重危害飞机的安全飞行。

　　飞机结冰的类型

　　前面我们了解了飞行结冰的原因。那么飞机结冰的冰型都有哪些类型呢？不同类型的结冰又是什么原因造成的呢？

　　飞机迎风表面的结冰形状与许多参数有关，如飞机的速度、穿越云层的时间、云层的液态水含量、水滴的直径以及水滴的温度等。飞机表面形成的常见冰型大致可以分为三种：霜冰、透明冰、混合冰。水滴碰撞飞机迎风表面后，会立即全部或者部分冻结，冻结时释放的相变潜热会使冰层表面温度升高，但不会超过冰点温度。当气流温度不高、液态水含量不大时，撞击到飞机表面的过冷水滴瞬间发生完全冻结，来不及溢出的空气也被包裹在冻结的冰粒之间，形成了乳白色不透明的外观及相对松散的结构，称之为霜冰。当环境温度较高或者液态水含量较大时，撞击冻结的冰的表面温度就会等于冰点温度，并且只有一部分水会在撞击区冻结，未冻结的水会在气流剪切力和水的表面张力作用下形成溢流结冰，称之为透明冰。透明冰由于冰的形成过程较缓慢，冻结的冰中几乎不含空气泡，因此从外观上看透明冰具有光滑、干净及半透明的特征。此外，由于透明冰的形成与溢流水相关，因此往往呈现出不规则的形状，这对于飞机的空气动力学特性影响很大，透明冰的质地坚硬且与部件表面的粘附强度较大，因此一旦冻结不易除掉，其危害程度大于霜冰。混合冰是介于霜冰和透明冰之间的结冰形式，也可以理解为是霜冰和透明冰的混合体。

　　飞机的防冰与除冰

　　既然飞行结冰会带来这么多的问题甚至灾难，那么有没有什么方法可以阻止飞机结冰现象的产生呢？自从出现因为飞行结冰而导致航空事故以来，人类就开始了对飞行防冰及除冰的研究。顾名思义，防冰的意思是防止飞行结冰，即在飞行过程中不允许产生结冰现象；除冰的意思是除掉飞行过程中所结的冰，即在飞行过程中允许产生一定程度的、不会严重影响飞行安全的结冰。那么什么时候进行防冰，什么时候进行除冰呢？防冰一般是针对一些结冰会严重影响飞行安全的部位，当飞行过程中探测到结冰环境条件时，即开启防冰系统对部件进行防冰工作，防止部件表面产生结冰现象。除冰一般是针对一些允许有少量结冰不会影响飞行安全的部位设置的，这些部位可以允许有适量的积冰，当结冰量达到除冰标准时，即开启除冰系统进行除冰工作，除掉外表面的结冰，然后再关闭除冰系统。

　　飞机的防冰和除冰方式常用的有机械式除冰系统和加热式防/除冰系统。机械式除冰系统是依靠机械力的作用去除表面结冰的除冰装置，包括气动带除冰与电脉冲除冰两类。气动带除冰系统是通过向膨胀管内充入压缩空气使其膨胀，从而令表面冰层破碎脱落以达到除冰的目的；电脉冲除冰系统是利用高能量的电脉冲作用在除冰部位的蒙皮上，使蒙皮产生一种振幅很小但频率很高的振动，从而达到除冰目的。加热式防/除冰系统是目前使用最为普遍的防/除冰系统。按照加热的热源可将其分为热气防冰系统、电热防/除冰系统及采用其它热源的加热式防冰系统。热气防冰系统是目前应用最为广泛的防冰系统，热气来自于发动机的压气机引气。当开启防冰系统时，引气阀门打开，热空气通过相应管路流到需要防冰的部件内侧对部件进行加热，从而达到防冰的目的。电热防冰系统也是通过对部件进行加热来达到防/除冰目的的，只不过其热量来源是通过电能进行转化的。电热防/除冰系统不需要像热气防冰系统那样布置复杂的引气管路，也不需要考虑加热时的流道设计，因此在系统布置方面较为简单，并且易于实现加热功率的有效控制，可根据实际情况设定防/除冰工作模式。此外有些航空发动机的部件由于尺寸较小，也有采用热滑油来为其防冰提供防冰热量的，通常此类系统会将发动机的高温回油引入需防冰的部件内流道，在防冰的同时也降低了滑油的温度，可谓一举两得。

　　上面介绍的防冰/除冰方法已经比较成熟，但也都存在各自的缺点。目前科研人员仍然一直在努力寻找新型的防冰/除冰系统，如超疏水表面涂层防冰技术、微波防冰技术以及超声波防冰技术等。

　　飞机及发动机结冰研究一些新的问题

　　对于影响飞机及发动机结冰的气象条件、飞行参数、部件结构等目前已有了一定认识，但由于结冰受非常多的因素影响，飞机及发动机结冰是一个非常复杂的问题。近年来有关飞机结冰问题又有许多新的热点需要解决，如大过冷水滴引起的结冰问题，不完全蒸发系统溢流水结冰问题，冰晶气候条件下所引起的发动机内涵部件的结冰问题等。大过冷水滴撞击飞机表面后会形成水滴的破裂、飞溅、再附等复杂的撞击行为，使得飞机的结冰机理和结冰冰型更加复杂，从而对飞机防冰系统的设计带来困难。云层中存在的冰晶撞击到机翼不会产生结冰现象，但是这些冰晶被发动机吸入内涵道后由于压缩后高温气流的加热作用，这些冰晶会部分融化后在风扇后内涵的转子和静子部件上粘附结冰，从而引起非常严重的发动机失速、喘振等故障。近年来科研人员对于飞机大水滴的结冰和冰晶在发动机内涵结冰的机理也都开展了大量的研究工作。

　　结语

　　飞机结冰是过冷水滴撞击在飞机表面并发生相变的一种复杂现象。围绕飞机结冰所面临的问题，近年来我国的科研人员在飞机结冰形成机理、冰的形成规律与特征、结冰导致的异常空气动力学和飞行力学特性及其对飞行安全的影响，以及结冰防护理论和方法、地面模拟实验和飞行试验验证等方面开展了大量的研究工作，取得了许多可喜的成果。随着对飞机结冰形成的机理、结冰后的空气动力学与飞行力学的耦合作用及其危害飞行安全的机理、防除冰过程的复杂物理机理等方面的科学问题更加深入的研究，科研人员将会提出更加先进的防冰和除冰的理论与方法，更加确保飞机在结冰环境下的飞行安全。

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