航空器结冰现象产生防护措施研究
航空器结冰现象产生防护措施研究
摘
飞机空中结冰现象航行程危害轻飞机性降重引发飞行事导致机毁亡效预防结冰现象降低发生造成影响保证飞机雨雪天气中够稳定安全行驶代航空工业现阶段需解决务急航空工业研究学者说疑挑战
文采文献研究较分析方法首先针结冰现象产生原进行分析产生原结飞机机体某迎风表面水分温度低冰点聚集冻结成冰次防冰技术防冰系统展开研究查询文献知常见防冰技术机械冰液体防冰气热防冰电热防冰等结合前流型号飞机防冰装置进行分析防冰技术系统外研究容冰技术该技术飞机显示定量结冰飞行控制系统旧具定安全性提出飞机智防冰系统飞机设计飞行员飞行操航空气象预报机务员维护四角度飞机结冰现象具体问题提出具体防控措施
关键词：飞机结冰 飞行安全 防冰 冰 容冰
Aircraft icing phenomenon and the protective measures of research
ABSTRACT
The air ice phenomenon of the aircraft has great harm to the navigation process of the aircraft the light makes the aircraft performance decline and the heavy causes the flight accident to cause the aircraft to destroy the person Therefore how to effectively prevent the icing phenomenon and reduce its impact to ensure that the aircraft in the rain and snow weather can be a stable and safe operation this is the contemporary aviation industry at the present stage of the urgent need to solve aviation industry research scholars are no doubt a big challenge
Firstly in this paper it analyzes the causes of the icing phenomenon by utilizing literature research and comparative analysis It concludes that the main reason is that the moisture on some windward surfaces of the aircraft body collects and freezes into ice because the temperature is lower than the freezing point Secondly the research on antiicing technology and antiicing system is carried out and it is found that the common antiicing techniques are mechanical deicing liquid antiicing gasheat antiicing electricthermal antiicing and so on Combined with the current mainstream aircraft antiicing device analysis Besides that the antiicing technology and system the iceblocking technology are also studied Airplane icetolerant refers to the aircraft under a certain degree of ice the pilot system can still maintain the flight route and have a certain safety margin and Smart Icing System has been proposed Finally from the four angles of aircraft design pilot flight control aviation weather forecast and maintenance of crew the concrete prevention and control measures of aircraft icing phenomenon are put forward
Key words： Aircraft icing Flight safety Antiicing Deicing Icetolerant
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 引 言 1
11 结冰产生空难 1
12国外飞机结冰研究进展 2
2 飞机结冰现象产生影响 2
21 结冰条件 2
22 结冰气象条件 3
221 云层温度 3
222 云层范围 3
223 水滴直径 4
224 液态水含量 4
23结冰飞机影响 5
231 发动机结冰 5
232 螺旋桨机翼尾翼结冰 5
233 空速静压孔结冰 5
3 飞机防冰冰技术 6
31 飞机防冰技术 6
311 机械冰 6
312 液体防冰 6
313 气热防冰 6
314 电热防冰 7
32 飞机防冰系统 7
321 发动机防冰系统 7
322 螺旋桨机翼防冰系统 8
323 空速防冰系统 9
324 风挡玻璃防冰系统 9
325 飞机结冰信号装置 10
33 类型飞机防冰系统防冰举例 10
331 波音727飞机冰系统 10
332 A380防冰系统 11
333 空客A320V2500发动机防冰系统 11
334 波音737600700800900飞机CFM56发动机进气道防冰系统 12
34 飞机容冰系统 12
4 飞机结冰预防控制措施 13
41飞机设计 14
42 飞行员飞行操 14
43 航空气象预报 14
44 机务员维护 14
5 结 语 15
参考文献 16
谢 辞 17
1 引 言
步入新世纪国航空航天工业发展水突飞猛进初飞机仅特定军事领域民航空逐步发展壮现通航空兴起飞机范围越越广泛众生活越越接时飞机运行安全性提出更高求时候必须确保飞机达安全飞行条件完成计划飞行务事实飞机空中处环境具高稳定性时需面恶劣天气条件中寒冷天气条件飞行时候飞机容易造成航空器凝结成冰现象航空器结冰指特定气象条件飞机机体迎风程中机身表面水分凝结成冰现象飞机程度位置结冰情况面着问题：机翼尾翼发生结冰会影响飞机气动外形导致飞行阻力系数增升力系数减甚飞机产生抖动会增加飞机操难度飞机挡风玻璃结冰会降低见度严重干扰飞行员视线空速结冰会重仪表指示失效天线结冰会影响通讯严重时会中断联络发动机进气口结冰会降低进气量增加推力损失严重会引起空中停车疑飞行安全构成非常威胁造成难挽回事
相关研究数表明全球约20％飞行事天气引起天气素引起事中结冰问题导致飞机事约占15年世界飞机飞行结冰现象导致类事发生降低飞机雨雪天气结冰问题发生率确保飞机够稳安全行驶航空研制中必须认真探讨问题
11 结冰产生空难
美国国家运输安全委员会官方统计数表明1978年全球范围少800起飞行事事件飞机结冰相关仅航空部门遭受重财产损失事中遇难数触目惊心定程度客坐飞机否真正安全产生疑问
教科书中飞机结冰引起空难进行举例1982年1月3日佛罗里达航空90号航班架波音7371982年1月3日华盛顿起飞起飞失联系久波托马克河坠毁失事原起飞阶段飞机发生结冰问题机师没时开发动机防冰加温装置进行二次冰失误飞机表面积雪结冰冰彻底起飞马力足终造成飞机失事机79全部遇难身亡样例子2009年6月1日A330203法国航空447号班机皮托结冰导致飞机失速终巴西圣佩德罗岛圣保罗岛附坠毁机228生
国发生类似事架空警200预警飞机2006年6月3日执行务时次越结冰区产生冻结导致飞机严重失速终坠毁安徽省广德县机40全部丧生军成立严重空难时机机组员外专家工程师次事国航空事业说疑非常惨痛次教训
12国外飞机结冰研究进展
早1920年代1930年代美国加前苏联英国德国法国等发达国家学者开始量研究飞机结冰现象首开始研究德国学者1923年WPeppier开始观察云中冷水结构特征研究气中结冰程1940年代1940年代美国NACA道格拉斯飞机公司提供关云中冷水类型数1950年代美国制定飞机然环境结冰飞行标准求飞机制造商该标准进行设计制造飞机数国家制订符合国情标准
着航空业发展飞行器类生活息息相关保证飞行安全国外未停止飞机结冰现象研究中研究成果出色数美国航空航天局NASA投入许力财力全方面研究飞机结冰现象防护措施飞机结冰相关全部方面研究开发许软件量研究数
相国飞机结冰方面起步较晚研究较少现国航空部门数结冰数均基国外研究结果1986年哈尔滨飞机制造公司Y12Ⅱ型飞机进行工界冰然结冰干燥空气中飞行试验 通飞行实验中获结冰数进行分析出飞机冻结位置保护措施方法首先飞行进行分析演示验证模型进行修改确定1990年代初期中国瑞典航空研究顾问指导研究模拟冰系云起带影响出系列判断运气否结冰条件安全飞行结果1997年中国飞行试验研究院Y7200A型飞机执行结冰试飞务中国首次CCAR25进行结冰研究飞行试验 张杰周磊张洪等 飞机结冰探测技术[J] 仪器仪表学报 2006(12)
2 飞机结冰现象产生影响
21 结冰条件
飞机结冰指特定气象条件飞机机体迎风程中某迎风面会低温产生水分结冰结冰现象结冰现象通常三种形式水滴结冰流层云层中常存冷水滴飞行程中飞机表面温度低冰点温度时机身表面冷水滴碰撞冷水滴会立结冰凝聚飞机表面二干结冰果云层中含冰晶雨夹雪时飞机穿云层冰晶碰撞飞机表面温度低冰点冰晶融化立刻结冰聚集飞机表面三升华结冰飞机温度低方飞入温度高方飞机表面温度周围温度温差空气中水汽瞬时结冰聚集飞机表面现实飞行结冰现象中干结冰现象少会遇升华结冰现象融化速度较快存太危险文结冰现象中水滴结冰现象进行研究
22 结冰气象条件
气层高度面底层分流层流层臭氧层中间层热层散逸层球外部星际空间流层中含氧气氮气二氧化碳部分惰性气体等组成干空气外含海洋湖泊江河水分蒸发产生水蒸气
然界中雨雪雹霜露云雾等天气现象四季变化部分发生流层流层气中云空气中水蒸气饱形成空气块成分冰晶水晶形成定海拔范围结冰气象环境
民客机需流层方飞行军飞机通常流层中飞行流层气象条件较流层更复杂变冰晶水晶包裹骤冷环境更容易发生结冰现象研究显示飞机结冰面积表面结冰量结冰层形状四气象条件决定：云层温度云层范围水滴直径液态水含量 黄仪方朱忠愚 航空气象[M] 成西南交通学出版社 2002
221 云层温度
云层温度0~40℃浮动甚更低时飞机会结冰云层中液态水含量温度相关温度越低时云中液态水含量越少温度低20℃时飞机云中结冰次数低根分析温度结冰发生率出：温度0~20℃时飞机结冰概率80中温度2~10℃时飞机结冰概率683温度2~10℃时飞机结冰频率高发生强烈结冰温度28°C间然飞机结冰现象发生零温度温度高达5~10℃时发动机进气道前缘气流进气部件时发生绝热膨胀降温液体汽化器中蒸发吸热
222 云层范围
云层范围指云垂直厚度水长度影响着飞机结冰时间结冰层厚度云层范围云层范围面积越飞机云层中飞行时间会越长飞机表面结冰层厚度越厚云层范围直接影响着飞机结冰时长影响着飞机结冰程度
根数统计99结冰现象发生云层水长度281km
223 水滴直径
水滴直径指包含云层中冷水滴算术均直径会影响飞机结冰面积飞机结冰形状 根数统计中结冰率达95％更高水滴均效直径30μm
224 液态水含量
液态水含量指单位体积结冰云中含冷水滴质量液态水含量越高时飞机表面碰撞水越结冰情况越严重根数统计部分结冰现象发生液态水含量低1gm³液态水含量仅受云层温度影响受水滴直径影响高度相温度时液态水含量着水滴直径增二减（图21示） 蒋天俊 结冰飞机性影响研究[D] 南京：南京航空航天学2008
图 2 1 温度水底直径液态水含量关系
国民航空规章CCAR25R4附录C中指出飞机处云层温度均水滴效直径液态水含量三变量决定飞机结冰强度明确规定民运输机然结冰试验试飞必须非常严苛特殊气象条件进行
23 结冰飞机影响
231 发动机结冰
发动机结冰现象通常发生进气口前缘第级压片机叶片前方导叶片发动机整流罩等处发动机进气道结冰会导致进气道表面空气动力学特性改变造成气流速度散布均匀发动机正常运行会造成发动机叶片变形引起发动机喘振破坏发动机甚导致发动机熄火 压缩机叶片冰层脱落破坏转子动态衡动力装置振动 更严重情况损坏发动机轴承掉落冰层气流进入压片机撞击刀片会造成压片机损坏
232 螺旋桨机翼尾翼结冰
螺旋桨结冰现象通常发生螺旋桨整流罩浆叶螺旋桨结冰时容易气动外形造成破坏时会增加翼型阻力会降低螺旋桨效率甚会飞机振动冰层甩脱时极会飞机部件发动机部件造成损坏外会击穿气密舱蒙皮严重威胁着飞机飞行安全机翼尾翼前缘表面结冰时极会改变飞机翼型破坏机翼表面边界层迎角减升力系数减时降低飞机性失速速度增升力损失增加 水稳定器轻结冰极影响机翼表面空气动力特性会影响飞机操作性稳定性副翼襟翼操性 周洁敏 飞机电气系统原理维护[M] 北京：北京航空航天学出版社2015：343366
233 空速静压孔结冰
飞机空速静压孔结冰会导致重仪器（例空速仪速度计气压高度计）指示变形导致完全失效飞机进入危险飞行状态时果飞行员没察觉飞行仪器失真会严重危害飞机飞行安全
外飞机天线结冰现象天线结冰导致线电通信失效联络中断影响飞机飞行通信质量会损坏天线损坏机身引擎飞机挡风玻璃结冰会影响见度干扰飞行员视野严重阻碍飞行员正常飞行
3 飞机防冰冰技术
31 飞机防冰技术
飞机结冰会飞行造成安全隐患确保飞机表面结冰情况安全飞行学者已研制出系列防冰冰技术面结冰情况结冰影响开发出种样防冰方法常见防冰技术包括机械防冰液体防冰气热防冰电热防冰
311 机械冰
机械冰通机械方法破冰层分气动带冰技术电脉冰技术气动皮带冰技术：通膨胀放置飞机前缘膨胀定期充气膨胀释放压力时产生压缩作冰层破裂气流吹散应飞机机翼尾翼前缘等部位冰彻底会残冰遗留现已少气动带冰技术电脉冰技术：释放静态量产生超声波存储保护飞机蒙皮蒙皮弹性范围高速振动表层冰层破裂达冰效果应飞机机身机翼等部位
312 液体防冰
液体防冰通喷涂冰点低防冰液飞机防护易结冰表面部件撞击飞机表面冷水滴混合降低混合液凝固点凝固点低表面温度易凝固液体防冰分面飞行中两种面液体防冰采周期性喷射方法会冰瘤产生防冰表面停止喷射短时防冰效果民机场采防冰技术飞行中液体防冰采连续性喷射方法防冰液消耗系统重量增加喷孔易堵塞维护修理带麻烦现已较少应飞机前缘机身机翼桨叶旋翼风挡雷达罩等表面 刘根林沈海军 飞机防冰冰技术综述[J] 江苏航空 2003(4)1820
313 气热防冰
气热防冰发动机压缩机空气进行放气传输飞机部件冰表面 防止结冰效果通加热表面实现发动机具热空气源通汽油加热器加热压空气获活塞发动机热空气源发动机压缩机获喷气发动机热空气源气热防冰分两种：湿式冰干式冰湿防冰种防冰方法防止保护区收集水通连续加热蒸发干防冰通持续加热保护区域保护区域没结冰现象产生清已形成积冰机翼尾翼发动机进气道前缘等
314 电热防冰
电热防冰电转换热通电阻元件通电升温加热保护区域达防冰效果电热防冰分间断加热连续中断两种防冰技术间断加热采加热耗电量允许少量积冰部件机翼尾翼等连续加热采加热耗电量允许积冰部件空速风挡等电冰加热均匀操作简单功率损耗广泛型民航客机
32 飞机防冰系统
常见飞机结冰部位发动机进气道前缘进气部件螺旋桨机翼尾翼直升机旋翼风挡玻璃空速针结冰部位采取防冰冰系统相
321 发动机防冰系统
发动机进气道防冰系统加热元件加热导线温度调节装置组成（图31）进气道结冰范围面积广加热导线应该合理布置
图 3 1 发动机进气道冰系统结构图
发动机进入气道热气防冰系统（图32）防冰电门处机翼发动机发动机位置时热引气会运输应发电机冷空气入口发动机进气口防冰保护
图 3 2 发动机进气道热防冰元件
322 螺旋桨机翼防冰系统
螺旋桨防冰（图33）：温度调节装置电加热导线安置螺旋桨容易结冰部位电加热元件发热冰块融化
图 3 3 螺旋桨电加热元件
机翼前缘防冰：防冰系统（图34）机翼热防冰阀喷雾剂道引气道机翼发动机防冰控制面板测试面板组成（图35）采发动机引气防冰机翼供3外部斜面热气防冰器机翼发动机防冰控制面板机翼防冰开关控制机翼防冰时控制发动机进气口热防冰测试面板机翼防冰窗口探测热开关机翼热气防冰TAI系统面测试
图 3 4 机翼热防冰结构图
图 3 5 机翼发动机防冰控制面板
323 空速防冰系统
空速防冰系统包括空速辅助报警器面板测试面板飞机机身4根（边2根）空速电气加热防止结冰错误读取信息（图36）
图 3 6空速面板布局空速机身位置
324 风挡玻璃防冰系统
风挡玻璃防冰系统（图37）通常块玻璃分组合汇流条通电组玻璃提供电流确保某支流电源失效时正副驾驶员前方玻璃受热会出现全部短点情况加温控制器计算机控制着组风挡玻璃加热控制设备电源组件热控制组件温度控制组件功率控制组件等组成
图 3 7 风挡玻璃加热原理
325 飞机结冰信号装置
结冰信号装置分动结冰信号器飞行员直观式两类旦飞机结冰动结冰信号器会准确结冰信号发送飞行员时会动连接防冰加温系统飞行员直观式装置通常安装容易飞行员见方出现结冰情况时飞行员会手动接通防冰系统常飞机结冰信号装置：探冰棒探冰灯差压式结冰信号器金属导电环式结冰信号器放射性位素结冰信号器探冰马达等 周洁敏 飞机电气系统原理维护[M] 北京：北京航空航天学出版社2015：343366
33 类型飞机防冰系统防冰举例
331 波音727飞机冰系统
波音727飞机机翼热电冰系统（图38）图中黑色粗线表电热加热线达方够进行防冰冰驾驶舱P5控制面板说明操控冰控制
图 3 8 波音727飞机机翼冰系统
332 A380防冰系统
A380飞机冰系统（图39）受冰条件控制机翼引擎冰功引擎部热压缩空气底舱加热废水排水口加热空速等加热采电气加热方法
冰检测系统控制机翼发动机防冰开始暂停机务员时候手动启动防冰系统发动机防冰进气口压缩空气流出口安装防冰阀门机翼防冰采压缩空气热空气通阀门加机翼机翼防冰需取发动机尾气面起飞时绝允许
图 3 9 A380飞机防冰系统
333 空客A320V2500发动机防冰系统
V2500发动机三部位需防冰分进气整流锥压力探头（探头）进气道前缘进气锥锥头部橡胶头动防冰橡胶头粘整流锥顶部锥头表面结冰橡胶头衡会破坏引起橡胶头振动橡胶头振动会冰破碎细冰块会发动机吸入冰块会损坏风扇叶片压气机发动机工作程中进气锥顶部先结冰
探头电加热防冰探头电加热线圈发动机工作发动机电子控制系统会飞机115V交流电送加热线圈探头加热发动机工作程中探头直加热
进气道前缘高压压气机热空气加热防冰整防冰系统（图310）含防冰电门防冰活门防冰供气路热空气高压压气机（HPC7）需防冰时接通位驾驶舱头顶面板防冰电门防冰活门开HPC7空气送进气道前缘部喷气环 赵洪利 现代民航空燃气涡轮发动机[M] 北京：中国民航出版社2010：261264
图 3 10 V2500发动机防冰系统
334 波音737600700800900飞机CFM56发动机进气道防冰系统
发动机进气口防冰空气发动机引气系统（图311）该接口位发动机引气系统中预冷器关断活门游防冰空气受关断活门影响防冰空气防冰活门进入进气道前缘喷气环热空气喷气环喷出前缘加热加热空气进气道底部排气口进入气 赵洪利 现代民航空燃气涡轮发动机[M] 北京：中国民航出版社2010：264268
图 3 11 CFM56发动机进气道防冰系统
34 飞机容冰系统
影响飞机飞行程否安全素飞机表层结冰说中较重素结冰会严重危害飞行安全国外直结冰作研究重方早期研究重点防止飞机结冰消机身结冰现阶段冰技术达冰系统期预期效果飞机难免会带冰飞行情况确保飞机飞行安全目前国外飞机研究中方提高飞机容冰力
飞机容冰性指飞机定结冰情况时驾驶驱动系统保持预定飞行路线具定安全裕度保证飞机安全飞行1998年基础美国伊利诺州学Bragg教授提出飞机智防冰系统（Smart Icing System SIS）设想设想容冰思路：实时实飞机进行检测测试防冰系统性飞机结冰现象飞机性影响动启动防冰系统收集飞机结冰情况时反馈飞行员系统合理修改飞行包线调整飞机控制规律维持正常飞机样飞行品质飞机安全原定计划线路飞行
SIS控制中心结冰理系统（Ice Management System IMS）4功：概述结冰影响运作防冰系统保护飞行包线修改飞行控制律飞机安装SIS结冰情况飞行模式（图312） 郭龙沈宏良施永毅 飞机容冰技术研究进展[J] 飞行力学200523（1）：7578
：
图 3 12 SIS飞机结冰运行模式
科学技术突飞猛进现代社会特计算机技术控制技术领域提高飞机容冰力指日结冰严重危害飞机飞行安全降低结冰飞机飞行安全影响十分必飞机容冰技术进行深入探讨
4 飞机结冰预防控制措施
飞机结冰严重危害飞机飞行安全飞机结冰问题觑需飞机设计飞行员飞行操航空气象预报机务员维护等方面采取措施确保飞机飞行安全
41飞机设计
飞机设计中分防冰系统冰系统两类防冰系统阻止冰形成飞机某允许发生结冰部位安装热气加热设备电加热设备确保飞机允许结冰部位情况会发生结冰冰系统飞机某部位允许定程度结冰需冰块脱落前飞行员根结冰探测器提示开冰装置机体表面结冰进行外飞机配备飞机智防冰系统动修改飞行包线时控制飞机飞行状态飞机够安全飞行
42 飞行员飞行操
飞机起飞前飞行员应解飞行航线气象条件评估飞机飞行包线次练飞机失速模式旦飞机发生结冰做沉着冷静操飞机避免慌张出现操作失误飞行时果遭遇结冰应先冰装置处理结冰继续飞行果强结冰防冰装置起作飞行员应保持水飞行保持飞行高度避免猛烈升急转弯半径盘旋飞行等猛烈动作时联系备降场附寻找合适方降落着陆期间飞行员切勿收紧油门否飞机失速
43 航空气象预报
气象员需飞行员提供较准确气象预报结冰气象预报采统计分析方法气象卫星云图探空资料机载气象雷达等数进行分析结合航线备降场航路点目标机场等形特点气象条件样出气象预报具信度飞行员飞行前应仔细研究航线天气情况熟悉冰层积聚预报数制定出脱离防冰区方法应急措施确保飞机飞行安全
44 机务员维护
机务员飞机飞行前应仔细检查防冰装置否正常工作检查确认飞机重表面没冰雪霜结冰天气时应彻底清理停场未起飞飞机表面冰霜做飞机表面清洁时合理面时飞机喷射防冰液飞机表面积冰形成保护膜防止积冰
5 结 语
现阶段国外学者飞机结冰问题研究已取定进展气温骤降导致结冰现象然存结冰问题造成飞行事屡见鲜文飞机结冰问题国外研究现状进行阐述总结飞机结冰现象种产生原恶劣影响提出针结冰现象飞机防冰方法预防控制措施
文针飞机防冰问题提出四种方法：
1 飞机必须安装防冰系统冰系统两系统
2 飞行员需熟知结冰问题空中解决方案遇结冰情况时沉着冷静操飞机
3 气象员加强气象预报时分析气象条件提供飞行员
4 机务员机前必须认真检查飞机防冰系统工作状态
学者已提出项飞机结冰现象具体原未完全飞机结冰现象产生原需继续研究飞机防冰技术容冰技术等系列应需加研究力度断完善提升安全水外相关部门机构应针结冰气象条件实时天气告警机制更迅速时
笔者水限飞机结冰研究方面许足处需完善工作中努力学研究争取航空事业添砖加瓦
参考文献
[1] 刘根林沈海军 飞机防冰冰技术综述[J] 江苏航空 2003(4)1820
[2] 郭龙沈宏良施永毅 飞机容冰技术研究进展[J] 飞行力学200523（1）：7578
[3] 张杰周磊张洪等 飞机结冰探测技术[J] 仪器仪表学报 2006(12)
[4] 周莉 飞机结冰特性防冰技术研究［J］ 中国安全科学学报 201020(6)105110
[5] 赵安家孟哲理 飞行包线飞行安全影响研究[J] 飞机设计201737（1）：1116
[6] 黄仪方朱忠愚 航空气象[M] 成西南交通学出版社 2002
[7] 赵洪利 现代民航空燃气涡轮发动机[M] 北京：中国民航出版社2010：259268
[8] 周洁敏 飞机电气系统原理维护[M] 北京：北京航空航天学出版社2015：343366
[9] 蒋天俊 结冰飞机性影响研究[D] 南京：南京航空航天学2008
[10] Bragg M B Hutchison T Merret J et al Effect of Ice Accretion on Aircraft Flight Dynamics[R] AIAA 000360 2000
[11] Bradley J J Sivier K R Anderson A E et al The Impact of Smart Icing Systems on Commuter Aircraft[R]AIAA 0003622000
[12] Kind R J Scaling of Icing TestsA Review of Recent Progress[R] AIAA200312162003
[13] Hossain K N Sharma V Bragg M B et al Envelope Protection and Control Adaptation in Icing Encounters[R] AIAA 030025 2003
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航空器结冰现象产生防护措施研究
航空器结冰现象产生防护措施研究
摘
飞机空中结冰现象航行程危害轻飞机性降重引发飞行事导致机毁亡效预防结冰现象降低发生造成影响保证飞机雨雪天气中够稳定安全行驶代航空工业现阶段需解决务急航空工业研究学者说疑挑战
文采文献研究较分析方法首先针结冰现象产生原进行分析产生原结飞机机体某迎风表面水分温度低冰点聚集冻结成冰次防冰技术防冰系统展开研究查询文献知常见防冰技术机械冰液体防冰气热防冰电热防冰等结合前流型号飞机防冰装置进行分析防冰技术系统外研究容冰技术该技术飞机显示定量结冰飞行控制系统旧具定安全性提出飞机智防冰系统飞机设计飞行员飞行操航空气象预报机务员维护四角度飞机结冰现象具体问题提出具体防控措施
关键词：飞机结冰 飞行安全 防冰 冰 容冰
Aircraft icing phenomenon and the protective measures of research
ABSTRACT
The air ice phenomenon of the aircraft has great harm to the navigation process of the aircraft the light makes the aircraft performance decline and the heavy causes the flight accident to cause the aircraft to destroy the person Therefore how to effectively prevent the icing phenomenon and reduce its impact to ensure that the aircraft in the rain and snow weather can be a stable and safe operation this is the contemporary aviation industry at the present stage of the urgent need to solve aviation industry research scholars are no doubt a big challenge
Firstly in this paper it analyzes the causes of the icing phenomenon by utilizing literature research and comparative analysis It concludes that the main reason is that the moisture on some windward surfaces of the aircraft body collects and freezes into ice because the temperature is lower than the freezing point Secondly the research on antiicing technology and antiicing system is carried out and it is found that the common antiicing techniques are mechanical deicing liquid antiicing gasheat antiicing electricthermal antiicing and so on Combined with the current mainstream aircraft antiicing device analysis Besides that the antiicing technology and system the iceblocking technology are also studied Airplane icetolerant refers to the aircraft under a certain degree of ice the pilot system can still maintain the flight route and have a certain safety margin and Smart Icing System has been proposed Finally from the four angles of aircraft design pilot flight control aviation weather forecast and maintenance of crew the concrete prevention and control measures of aircraft icing phenomenon are put forward
Key words： Aircraft icing Flight safety Antiicing Deicing Icetolerant
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 引 言 1
11 结冰产生空难 1
12国外飞机结冰研究进展 2
2 飞机结冰现象产生影响 2
21 结冰条件 2
22 结冰气象条件 3
221 云层温度 3
222 云层范围 3
223 水滴直径 4
224 液态水含量 4
23结冰飞机影响 5
231 发动机结冰 5
232 螺旋桨机翼尾翼结冰 5
233 空速静压孔结冰 5
3 飞机防冰冰技术 6
31 飞机防冰技术 6
311 机械冰 6
312 液体防冰 6
313 气热防冰 6
314 电热防冰 7
32 飞机防冰系统 7
321 发动机防冰系统 7
322 螺旋桨机翼防冰系统 8
323 空速防冰系统 9
324 风挡玻璃防冰系统 9
325 飞机结冰信号装置 10
33 类型飞机防冰系统防冰举例 10
331 波音727飞机冰系统 10
332 A380防冰系统 11
333 空客A320V2500发动机防冰系统 11
334 波音737600700800900飞机CFM56发动机进气道防冰系统 12
34 飞机容冰系统 12
4 飞机结冰预防控制措施 13
41飞机设计 14
42 飞行员飞行操 14
43 航空气象预报 14
44 机务员维护 14
5 结 语 15
参考文献 16
谢 辞 17
1 引 言
步入新世纪国航空航天工业发展水突飞猛进初飞机仅特定军事领域民航空逐步发展壮现通航空兴起飞机范围越越广泛众生活越越接时飞机运行安全性提出更高求时候必须确保飞机达安全飞行条件完成计划飞行务事实飞机空中处环境具高稳定性时需面恶劣天气条件中寒冷天气条件飞行时候飞机容易造成航空器凝结成冰现象航空器结冰指特定气象条件飞机机体迎风程中机身表面水分凝结成冰现象飞机程度位置结冰情况面着问题：机翼尾翼发生结冰会影响飞机气动外形导致飞行阻力系数增升力系数减甚飞机产生抖动会增加飞机操难度飞机挡风玻璃结冰会降低见度严重干扰飞行员视线空速结冰会重仪表指示失效天线结冰会影响通讯严重时会中断联络发动机进气口结冰会降低进气量增加推力损失严重会引起空中停车疑飞行安全构成非常威胁造成难挽回事
相关研究数表明全球约20％飞行事天气引起天气素引起事中结冰问题导致飞机事约占15年世界飞机飞行结冰现象导致类事发生降低飞机雨雪天气结冰问题发生率确保飞机够稳安全行驶航空研制中必须认真探讨问题
11 结冰产生空难
美国国家运输安全委员会官方统计数表明1978年全球范围少800起飞行事事件飞机结冰相关仅航空部门遭受重财产损失事中遇难数触目惊心定程度客坐飞机否真正安全产生疑问
教科书中飞机结冰引起空难进行举例1982年1月3日佛罗里达航空90号航班架波音7371982年1月3日华盛顿起飞起飞失联系久波托马克河坠毁失事原起飞阶段飞机发生结冰问题机师没时开发动机防冰加温装置进行二次冰失误飞机表面积雪结冰冰彻底起飞马力足终造成飞机失事机79全部遇难身亡样例子2009年6月1日A330203法国航空447号班机皮托结冰导致飞机失速终巴西圣佩德罗岛圣保罗岛附坠毁机228生
国发生类似事架空警200预警飞机2006年6月3日执行务时次越结冰区产生冻结导致飞机严重失速终坠毁安徽省广德县机40全部丧生军成立严重空难时机机组员外专家工程师次事国航空事业说疑非常惨痛次教训
12国外飞机结冰研究进展
早1920年代1930年代美国加前苏联英国德国法国等发达国家学者开始量研究飞机结冰现象首开始研究德国学者1923年WPeppier开始观察云中冷水结构特征研究气中结冰程1940年代1940年代美国NACA道格拉斯飞机公司提供关云中冷水类型数1950年代美国制定飞机然环境结冰飞行标准求飞机制造商该标准进行设计制造飞机数国家制订符合国情标准
着航空业发展飞行器类生活息息相关保证飞行安全国外未停止飞机结冰现象研究中研究成果出色数美国航空航天局NASA投入许力财力全方面研究飞机结冰现象防护措施飞机结冰相关全部方面研究开发许软件量研究数
相国飞机结冰方面起步较晚研究较少现国航空部门数结冰数均基国外研究结果1986年哈尔滨飞机制造公司Y12Ⅱ型飞机进行工界冰然结冰干燥空气中飞行试验 通飞行实验中获结冰数进行分析出飞机冻结位置保护措施方法首先飞行进行分析演示验证模型进行修改确定1990年代初期中国瑞典航空研究顾问指导研究模拟冰系云起带影响出系列判断运气否结冰条件安全飞行结果1997年中国飞行试验研究院Y7200A型飞机执行结冰试飞务中国首次CCAR25进行结冰研究飞行试验 张杰周磊张洪等 飞机结冰探测技术[J] 仪器仪表学报 2006(12)
2 飞机结冰现象产生影响
21 结冰条件
飞机结冰指特定气象条件飞机机体迎风程中某迎风面会低温产生水分结冰结冰现象结冰现象通常三种形式水滴结冰流层云层中常存冷水滴飞行程中飞机表面温度低冰点温度时机身表面冷水滴碰撞冷水滴会立结冰凝聚飞机表面二干结冰果云层中含冰晶雨夹雪时飞机穿云层冰晶碰撞飞机表面温度低冰点冰晶融化立刻结冰聚集飞机表面三升华结冰飞机温度低方飞入温度高方飞机表面温度周围温度温差空气中水汽瞬时结冰聚集飞机表面现实飞行结冰现象中干结冰现象少会遇升华结冰现象融化速度较快存太危险文结冰现象中水滴结冰现象进行研究
22 结冰气象条件
气层高度面底层分流层流层臭氧层中间层热层散逸层球外部星际空间流层中含氧气氮气二氧化碳部分惰性气体等组成干空气外含海洋湖泊江河水分蒸发产生水蒸气
然界中雨雪雹霜露云雾等天气现象四季变化部分发生流层流层气中云空气中水蒸气饱形成空气块成分冰晶水晶形成定海拔范围结冰气象环境
民客机需流层方飞行军飞机通常流层中飞行流层气象条件较流层更复杂变冰晶水晶包裹骤冷环境更容易发生结冰现象研究显示飞机结冰面积表面结冰量结冰层形状四气象条件决定：云层温度云层范围水滴直径液态水含量 黄仪方朱忠愚 航空气象[M] 成西南交通学出版社 2002
221 云层温度
云层温度0~40℃浮动甚更低时飞机会结冰云层中液态水含量温度相关温度越低时云中液态水含量越少温度低20℃时飞机云中结冰次数低根分析温度结冰发生率出：温度0~20℃时飞机结冰概率80中温度2~10℃时飞机结冰概率683温度2~10℃时飞机结冰频率高发生强烈结冰温度28°C间然飞机结冰现象发生零温度温度高达5~10℃时发动机进气道前缘气流进气部件时发生绝热膨胀降温液体汽化器中蒸发吸热
222 云层范围
云层范围指云垂直厚度水长度影响着飞机结冰时间结冰层厚度云层范围云层范围面积越飞机云层中飞行时间会越长飞机表面结冰层厚度越厚云层范围直接影响着飞机结冰时长影响着飞机结冰程度
根数统计99结冰现象发生云层水长度281km
223 水滴直径
水滴直径指包含云层中冷水滴算术均直径会影响飞机结冰面积飞机结冰形状 根数统计中结冰率达95％更高水滴均效直径30μm
224 液态水含量
液态水含量指单位体积结冰云中含冷水滴质量液态水含量越高时飞机表面碰撞水越结冰情况越严重根数统计部分结冰现象发生液态水含量低1gm³液态水含量仅受云层温度影响受水滴直径影响高度相温度时液态水含量着水滴直径增二减（图21示） 蒋天俊 结冰飞机性影响研究[D] 南京：南京航空航天学2008
图 2 1 温度水底直径液态水含量关系
国民航空规章CCAR25R4附录C中指出飞机处云层温度均水滴效直径液态水含量三变量决定飞机结冰强度明确规定民运输机然结冰试验试飞必须非常严苛特殊气象条件进行
23 结冰飞机影响
231 发动机结冰
发动机结冰现象通常发生进气口前缘第级压片机叶片前方导叶片发动机整流罩等处发动机进气道结冰会导致进气道表面空气动力学特性改变造成气流速度散布均匀发动机正常运行会造成发动机叶片变形引起发动机喘振破坏发动机甚导致发动机熄火 压缩机叶片冰层脱落破坏转子动态衡动力装置振动 更严重情况损坏发动机轴承掉落冰层气流进入压片机撞击刀片会造成压片机损坏
232 螺旋桨机翼尾翼结冰
螺旋桨结冰现象通常发生螺旋桨整流罩浆叶螺旋桨结冰时容易气动外形造成破坏时会增加翼型阻力会降低螺旋桨效率甚会飞机振动冰层甩脱时极会飞机部件发动机部件造成损坏外会击穿气密舱蒙皮严重威胁着飞机飞行安全机翼尾翼前缘表面结冰时极会改变飞机翼型破坏机翼表面边界层迎角减升力系数减时降低飞机性失速速度增升力损失增加 水稳定器轻结冰极影响机翼表面空气动力特性会影响飞机操作性稳定性副翼襟翼操性 周洁敏 飞机电气系统原理维护[M] 北京：北京航空航天学出版社2015：343366
233 空速静压孔结冰
飞机空速静压孔结冰会导致重仪器（例空速仪速度计气压高度计）指示变形导致完全失效飞机进入危险飞行状态时果飞行员没察觉飞行仪器失真会严重危害飞机飞行安全
外飞机天线结冰现象天线结冰导致线电通信失效联络中断影响飞机飞行通信质量会损坏天线损坏机身引擎飞机挡风玻璃结冰会影响见度干扰飞行员视野严重阻碍飞行员正常飞行
3 飞机防冰冰技术
31 飞机防冰技术
飞机结冰会飞行造成安全隐患确保飞机表面结冰情况安全飞行学者已研制出系列防冰冰技术面结冰情况结冰影响开发出种样防冰方法常见防冰技术包括机械防冰液体防冰气热防冰电热防冰
311 机械冰
机械冰通机械方法破冰层分气动带冰技术电脉冰技术气动皮带冰技术：通膨胀放置飞机前缘膨胀定期充气膨胀释放压力时产生压缩作冰层破裂气流吹散应飞机机翼尾翼前缘等部位冰彻底会残冰遗留现已少气动带冰技术电脉冰技术：释放静态量产生超声波存储保护飞机蒙皮蒙皮弹性范围高速振动表层冰层破裂达冰效果应飞机机身机翼等部位
312 液体防冰
液体防冰通喷涂冰点低防冰液飞机防护易结冰表面部件撞击飞机表面冷水滴混合降低混合液凝固点凝固点低表面温度易凝固液体防冰分面飞行中两种面液体防冰采周期性喷射方法会冰瘤产生防冰表面停止喷射短时防冰效果民机场采防冰技术飞行中液体防冰采连续性喷射方法防冰液消耗系统重量增加喷孔易堵塞维护修理带麻烦现已较少应飞机前缘机身机翼桨叶旋翼风挡雷达罩等表面 刘根林沈海军 飞机防冰冰技术综述[J] 江苏航空 2003(4)1820
313 气热防冰
气热防冰发动机压缩机空气进行放气传输飞机部件冰表面 防止结冰效果通加热表面实现发动机具热空气源通汽油加热器加热压空气获活塞发动机热空气源发动机压缩机获喷气发动机热空气源气热防冰分两种：湿式冰干式冰湿防冰种防冰方法防止保护区收集水通连续加热蒸发干防冰通持续加热保护区域保护区域没结冰现象产生清已形成积冰机翼尾翼发动机进气道前缘等
314 电热防冰
电热防冰电转换热通电阻元件通电升温加热保护区域达防冰效果电热防冰分间断加热连续中断两种防冰技术间断加热采加热耗电量允许少量积冰部件机翼尾翼等连续加热采加热耗电量允许积冰部件空速风挡等电冰加热均匀操作简单功率损耗广泛型民航客机
32 飞机防冰系统
常见飞机结冰部位发动机进气道前缘进气部件螺旋桨机翼尾翼直升机旋翼风挡玻璃空速针结冰部位采取防冰冰系统相
321 发动机防冰系统
发动机进气道防冰系统加热元件加热导线温度调节装置组成（图31）进气道结冰范围面积广加热导线应该合理布置
图 3 1 发动机进气道冰系统结构图
发动机进入气道热气防冰系统（图32）防冰电门处机翼发动机发动机位置时热引气会运输应发电机冷空气入口发动机进气口防冰保护
图 3 2 发动机进气道热防冰元件
322 螺旋桨机翼防冰系统
螺旋桨防冰（图33）：温度调节装置电加热导线安置螺旋桨容易结冰部位电加热元件发热冰块融化
图 3 3 螺旋桨电加热元件
机翼前缘防冰：防冰系统（图34）机翼热防冰阀喷雾剂道引气道机翼发动机防冰控制面板测试面板组成（图35）采发动机引气防冰机翼供3外部斜面热气防冰器机翼发动机防冰控制面板机翼防冰开关控制机翼防冰时控制发动机进气口热防冰测试面板机翼防冰窗口探测热开关机翼热气防冰TAI系统面测试
图 3 4 机翼热防冰结构图
图 3 5 机翼发动机防冰控制面板
323 空速防冰系统
空速防冰系统包括空速辅助报警器面板测试面板飞机机身4根（边2根）空速电气加热防止结冰错误读取信息（图36）
图 3 6空速面板布局空速机身位置
324 风挡玻璃防冰系统
风挡玻璃防冰系统（图37）通常块玻璃分组合汇流条通电组玻璃提供电流确保某支流电源失效时正副驾驶员前方玻璃受热会出现全部短点情况加温控制器计算机控制着组风挡玻璃加热控制设备电源组件热控制组件温度控制组件功率控制组件等组成
图 3 7 风挡玻璃加热原理
325 飞机结冰信号装置
结冰信号装置分动结冰信号器飞行员直观式两类旦飞机结冰动结冰信号器会准确结冰信号发送飞行员时会动连接防冰加温系统飞行员直观式装置通常安装容易飞行员见方出现结冰情况时飞行员会手动接通防冰系统常飞机结冰信号装置：探冰棒探冰灯差压式结冰信号器金属导电环式结冰信号器放射性位素结冰信号器探冰马达等 周洁敏 飞机电气系统原理维护[M] 北京：北京航空航天学出版社2015：343366
33 类型飞机防冰系统防冰举例
331 波音727飞机冰系统
波音727飞机机翼热电冰系统（图38）图中黑色粗线表电热加热线达方够进行防冰冰驾驶舱P5控制面板说明操控冰控制
图 3 8 波音727飞机机翼冰系统
332 A380防冰系统
A380飞机冰系统（图39）受冰条件控制机翼引擎冰功引擎部热压缩空气底舱加热废水排水口加热空速等加热采电气加热方法
冰检测系统控制机翼发动机防冰开始暂停机务员时候手动启动防冰系统发动机防冰进气口压缩空气流出口安装防冰阀门机翼防冰采压缩空气热空气通阀门加机翼机翼防冰需取发动机尾气面起飞时绝允许
图 3 9 A380飞机防冰系统
333 空客A320V2500发动机防冰系统
V2500发动机三部位需防冰分进气整流锥压力探头（探头）进气道前缘进气锥锥头部橡胶头动防冰橡胶头粘整流锥顶部锥头表面结冰橡胶头衡会破坏引起橡胶头振动橡胶头振动会冰破碎细冰块会发动机吸入冰块会损坏风扇叶片压气机发动机工作程中进气锥顶部先结冰
探头电加热防冰探头电加热线圈发动机工作发动机电子控制系统会飞机115V交流电送加热线圈探头加热发动机工作程中探头直加热
进气道前缘高压压气机热空气加热防冰整防冰系统（图310）含防冰电门防冰活门防冰供气路热空气高压压气机（HPC7）需防冰时接通位驾驶舱头顶面板防冰电门防冰活门开HPC7空气送进气道前缘部喷气环 赵洪利 现代民航空燃气涡轮发动机[M] 北京：中国民航出版社2010：261264
图 3 10 V2500发动机防冰系统
334 波音737600700800900飞机CFM56发动机进气道防冰系统
发动机进气口防冰空气发动机引气系统（图311）该接口位发动机引气系统中预冷器关断活门游防冰空气受关断活门影响防冰空气防冰活门进入进气道前缘喷气环热空气喷气环喷出前缘加热加热空气进气道底部排气口进入气 赵洪利 现代民航空燃气涡轮发动机[M] 北京：中国民航出版社2010：264268
图 3 11 CFM56发动机进气道防冰系统
34 飞机容冰系统
影响飞机飞行程否安全素飞机表层结冰说中较重素结冰会严重危害飞行安全国外直结冰作研究重方早期研究重点防止飞机结冰消机身结冰现阶段冰技术达冰系统期预期效果飞机难免会带冰飞行情况确保飞机飞行安全目前国外飞机研究中方提高飞机容冰力
飞机容冰性指飞机定结冰情况时驾驶驱动系统保持预定飞行路线具定安全裕度保证飞机安全飞行1998年基础美国伊利诺州学Bragg教授提出飞机智防冰系统（Smart Icing System SIS）设想设想容冰思路：实时实飞机进行检测测试防冰系统性飞机结冰现象飞机性影响动启动防冰系统收集飞机结冰情况时反馈飞行员系统合理修改飞行包线调整飞机控制规律维持正常飞机样飞行品质飞机安全原定计划线路飞行
SIS控制中心结冰理系统（Ice Management System IMS）4功：概述结冰影响运作防冰系统保护飞行包线修改飞行控制律飞机安装SIS结冰情况飞行模式（图312） 郭龙沈宏良施永毅 飞机容冰技术研究进展[J] 飞行力学200523（1）：7578
：
图 3 12 SIS飞机结冰运行模式
科学技术突飞猛进现代社会特计算机技术控制技术领域提高飞机容冰力指日结冰严重危害飞机飞行安全降低结冰飞机飞行安全影响十分必飞机容冰技术进行深入探讨
4 飞机结冰预防控制措施
飞机结冰严重危害飞机飞行安全飞机结冰问题觑需飞机设计飞行员飞行操航空气象预报机务员维护等方面采取措施确保飞机飞行安全
41飞机设计
飞机设计中分防冰系统冰系统两类防冰系统阻止冰形成飞机某允许发生结冰部位安装热气加热设备电加热设备确保飞机允许结冰部位情况会发生结冰冰系统飞机某部位允许定程度结冰需冰块脱落前飞行员根结冰探测器提示开冰装置机体表面结冰进行外飞机配备飞机智防冰系统动修改飞行包线时控制飞机飞行状态飞机够安全飞行
42 飞行员飞行操
飞机起飞前飞行员应解飞行航线气象条件评估飞机飞行包线次练飞机失速模式旦飞机发生结冰做沉着冷静操飞机避免慌张出现操作失误飞行时果遭遇结冰应先冰装置处理结冰继续飞行果强结冰防冰装置起作飞行员应保持水飞行保持飞行高度避免猛烈升急转弯半径盘旋飞行等猛烈动作时联系备降场附寻找合适方降落着陆期间飞行员切勿收紧油门否飞机失速
43 航空气象预报
气象员需飞行员提供较准确气象预报结冰气象预报采统计分析方法气象卫星云图探空资料机载气象雷达等数进行分析结合航线备降场航路点目标机场等形特点气象条件样出气象预报具信度飞行员飞行前应仔细研究航线天气情况熟悉冰层积聚预报数制定出脱离防冰区方法应急措施确保飞机飞行安全
44 机务员维护
机务员飞机飞行前应仔细检查防冰装置否正常工作检查确认飞机重表面没冰雪霜结冰天气时应彻底清理停场未起飞飞机表面冰霜做飞机表面清洁时合理面时飞机喷射防冰液飞机表面积冰形成保护膜防止积冰
5 结 语
现阶段国外学者飞机结冰问题研究已取定进展气温骤降导致结冰现象然存结冰问题造成飞行事屡见鲜文飞机结冰问题国外研究现状进行阐述总结飞机结冰现象种产生原恶劣影响提出针结冰现象飞机防冰方法预防控制措施
文针飞机防冰问题提出四种方法：
1 飞机必须安装防冰系统冰系统两系统
2 飞行员需熟知结冰问题空中解决方案遇结冰情况时沉着冷静操飞机
3 气象员加强气象预报时分析气象条件提供飞行员
4 机务员机前必须认真检查飞机防冰系统工作状态
学者已提出项飞机结冰现象具体原未完全飞机结冰现象产生原需继续研究飞机防冰技术容冰技术等系列应需加研究力度断完善提升安全水外相关部门机构应针结冰气象条件实时天气告警机制更迅速时
笔者水限飞机结冰研究方面许足处需完善工作中努力学研究争取航空事业添砖加瓦
参考文献
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