飛機為什么會結(jié)冰？

飛行安全一直是人們關(guān)注的焦點問題，飛機結(jié)冰是影響飛行安全的一大隱患。

飛機為什么會結(jié)冰呢？主要是由于空中的低溫云層中存在著低于0℃的液態(tài)水滴，這些水滴撞擊到飛機的迎風表面便會迅速凍結(jié)形成積冰。水滴可以在冰點以下以液態(tài)形式存在似乎很奇怪，但從熱力學(xué)的角度來看這種現(xiàn)象是完全可能的。水滴要從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，既要克服通常的相變能障，還要克服與表面張力作功有關(guān)的能障。我們把這種低于冰點溫度的水滴稱之為過冷水滴，過冷水滴處于一種非穩(wěn)定狀態(tài)。當飛機穿越含有過冷水滴的云層時，如果沒有對飛機迎風表面進行加熱防護的話，過冷水滴撞擊到飛機表面后，水滴形態(tài)迅速改變，同時飛機表面為其提供了足夠的凝結(jié)核，使得過冷水滴在飛機表面迅速凍結(jié)。

飛機機翼結(jié)冰以后會引起阻力增加，升力下降，操控性能變差；發(fā)動機進氣系統(tǒng)結(jié)冰會引起發(fā)動機進氣流場畸變，進氣通道阻塞，發(fā)動機性能惡化；機翼或者發(fā)動機進氣系統(tǒng)結(jié)冰脫落如果被發(fā)動機吸入后會損傷發(fā)動機內(nèi)部的葉片，造成機械損傷；飛機傳感器一旦結(jié)冰，會使得飛行人員無法獲得準確的飛行參數(shù)，引起飛機自動操控系統(tǒng)誤操作。飛機在飛行中結(jié)冰會嚴重危害飛機的安全飛行。

飛機結(jié)冰的類型

前面我們了解了飛行結(jié)冰的原因。那么飛機結(jié)冰的冰型都有哪些類型呢？不同類型的結(jié)冰又是什么原因造成的呢？

飛機迎風表面的結(jié)冰形狀與許多參數(shù)有關(guān)，如飛機的速度、穿越云層的時間、云層的液態(tài)水含量、水滴的直徑以及水滴的溫度等。飛機表面形成的常見冰型大致可以分為三種：霜冰、透明冰、混合冰。水滴碰撞飛機迎風表面后，會立即全部或者部分凍結(jié)，凍結(jié)時釋放的相變潛熱會使冰層表面溫度升高，但不會超過冰點溫度。當氣流溫度不高、液態(tài)水含量不大時，撞擊到飛機表面的過冷水滴瞬間發(fā)生完全凍結(jié)，來不及溢出的空氣也被包裹在凍結(jié)的冰粒之間，形成了乳白色不透明的外觀及相對松散的結(jié)構(gòu)，稱之為霜冰。當環(huán)境溫度較高或者液態(tài)水含量較大時，撞擊凍結(jié)的冰的表面溫度就會等于冰點溫度，并且只有一部分水會在撞擊區(qū)凍結(jié)，未凍結(jié)的水會在氣流剪切力和水的表面張力作用下形成溢流結(jié)冰，稱之為透明冰。

透明冰由于冰的形成過程較緩慢，凍結(jié)的冰中幾乎不含空氣泡，因此從外觀上看透明冰具有光滑、干凈及半透明的特征。此外，由于透明冰的形成與溢流水相關(guān)，因此往往呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，這對于飛機的空氣動力學(xué)特性影響很大，透明冰的質(zhì)地堅硬且與部件表面的粘附強度較大，因此一旦凍結(jié)不易除掉，其危害程度大于霜冰?；旌媳墙橛谒屯该鞅g的結(jié)冰形式，也可以理解為是霜冰和透明冰的混合體。

飛機的防冰與除冰

既然飛行結(jié)冰會帶來這么多的問題甚至災(zāi)難，那么有沒有什么方法可以阻止飛機結(jié)冰現(xiàn)象的產(chǎn)生呢？自從出現(xiàn)因為飛行結(jié)冰而導(dǎo)致航空事故以來，人類就開始了對飛行防冰及除冰的研究。顧名思義，防冰的意思是防止飛行結(jié)冰，即在飛行過程中不允許產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象；除冰的意思是除掉飛行過程中所結(jié)的冰，即在飛行過程中允許產(chǎn)生一定程度的、不會嚴重影響飛行安全的結(jié)冰。那么什么時候進行防冰，什么時候進行除冰呢？防冰一般是針對一些結(jié)冰會嚴重影響飛行安全的部位，當飛行過程中探測到結(jié)冰環(huán)境條件時，即開啟防冰系統(tǒng)對部件進行防冰工作，防止部件表面產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。除冰一般是針對一些允許有少量結(jié)冰不會影響飛行安全的部位設(shè)置的，這些部位可以允許有適量的積冰，當結(jié)冰量達到除冰標準時，即開啟除冰系統(tǒng)進行除冰工作，除掉外表面的結(jié)冰，然后再關(guān)閉除冰系統(tǒng)。

飛機的防冰和除冰方式常用的有機械式除冰系統(tǒng)和加熱式防/除冰系統(tǒng)。機械式除冰系統(tǒng)是依靠機械力的作用去除表面結(jié)冰的除冰裝置，包括氣動帶除冰與電脈沖除冰兩類。氣動帶除冰系統(tǒng)是通過向膨脹管內(nèi)充入壓縮空氣使其膨脹，從而令表面冰層破碎脫落以達到除冰的目的；電脈沖除冰系統(tǒng)是利用高能量的電脈沖作用在除冰部位的蒙皮上，使蒙皮產(chǎn)生一種振幅很小但頻率很高的振動，從而達到除冰目的。加熱式防/除冰系統(tǒng)是目前使用最為普遍的防/除冰系統(tǒng)。按照加熱的熱源可將其分為熱氣防冰系統(tǒng)、電熱防/除冰系統(tǒng)及采用其它熱源的加熱式防冰系統(tǒng)。熱氣防冰系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的防冰系統(tǒng)，熱氣來自于發(fā)動機的壓氣機引氣。

當開啟防冰系統(tǒng)時，引氣閥門打開，熱空氣通過相應(yīng)管路流到需要防冰的部件內(nèi)側(cè)對部件進行加熱，從而達到防冰的目的。電熱防冰系統(tǒng)也是通過對部件進行加熱來達到防/除冰目的的，只不過其熱量來源是通過電能進行轉(zhuǎn)化的。電熱防/除冰系統(tǒng)不需要像熱氣防冰系統(tǒng)那樣布置復(fù)雜的引氣管路，也不需要考慮加熱時的流道設(shè)計，因此在系統(tǒng)布置方面較為簡單，并且易于實現(xiàn)加熱功率的有效控制，可根據(jù)實際情況設(shè)定防/除冰工作模式。此外有些航空發(fā)動機的部件由于尺寸較小，也有采用熱滑油來為其防冰提供防冰熱量的，通常此類系統(tǒng)會將發(fā)動機的高溫回油引入需防冰的部件內(nèi)流道，在防冰的同時也降低了滑油的溫度，可謂一舉兩得。

上面介紹的防冰/除冰方法已經(jīng)比較成熟，但也都存在各自的缺點。目前科研人員仍然一直在努力尋找新型的防冰/除冰系統(tǒng)，如超疏水表面涂層防冰技術(shù)、微波防冰技術(shù)以及超聲波防冰技術(shù)等。

飛機及發(fā)動機結(jié)冰研究一些新的問題

對于影響飛機及發(fā)動機結(jié)冰的氣象條件、飛行參數(shù)、部件結(jié)構(gòu)等目前已有了一定認識，但由于結(jié)冰受非常多的因素影響，飛機及發(fā)動機結(jié)冰是一個非常復(fù)雜的問題。近年來有關(guān)飛機結(jié)冰問題又有許多新的熱點需要解決，如大過冷水滴引起的結(jié)冰問題，不完全蒸發(fā)系統(tǒng)溢流水結(jié)冰問題，冰晶氣候條件下所引起的發(fā)動機內(nèi)涵部件的結(jié)冰問題等。大過冷水滴撞擊飛機表面后會形成水滴的破裂、飛濺、再附等復(fù)雜的撞擊行為，使得飛機的結(jié)冰機理和結(jié)冰冰型更加復(fù)雜，從而對飛機防冰系統(tǒng)的設(shè)計帶來困難。云層中存在的冰晶撞擊到機翼不會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，但是這些冰晶被發(fā)動機吸入內(nèi)涵道后由于壓縮后高溫氣流的加熱作用，這些冰晶會部分融化后在風扇后內(nèi)涵的轉(zhuǎn)子和靜子部件上粘附結(jié)冰，從而引起非常嚴重的發(fā)動機失速、喘振等故障。近年來科研人員對于飛機大水滴的結(jié)冰和冰晶在發(fā)動機內(nèi)涵結(jié)冰的機理也都開展了大量的研究工作。

結(jié)語

飛機結(jié)冰是過冷水滴撞擊在飛機表面并發(fā)生相變的一種復(fù)雜現(xiàn)象。圍繞飛機結(jié)冰所面臨的問題，近年來我國的科研人員在飛機結(jié)冰形成機理、冰的形成規(guī)律與特征、結(jié)冰導(dǎo)致的異?？諝鈩恿W(xué)和飛行力學(xué)特性及其對飛行安全的影響，以及結(jié)冰防護理論和方法、地面模擬實驗和飛行試驗驗證等方面開展了大量的研究工作，取得了許多可喜的成果。隨著對飛機結(jié)冰形成的機理、結(jié)冰后的空氣動力學(xué)與飛行力學(xué)的耦合作用及其危害飛行安全的機理、防除冰過程的復(fù)雜物理機理等方面的科學(xué)問題更加深入的研究，科研人員將會提出更加先進的防冰和除冰的理論與方法，更加確保飛機在結(jié)冰環(huán)境下的飛行安全。