隨著十一假期的結束，溫度急劇直下。很多北方地區迎來今年的初雪，天公將人們從肆意享受秋意之中拉到了初冬微寒，很多交通如鐵路、飛機等也進入了特殊時期。相對鐵路，大家出行時更擔心的是飛行的安全性，畢竟在冬季飛機結冰是影響飛行安全的一大隱患。

飛機為什么會結冰呢？主要是由于空中的低溫云層中存在著低于0℃的液態水滴，這些水滴撞擊到飛機的迎風表面便會迅速凍結形成積冰。水滴可以在冰點以下以液態形式存在似乎很奇怪，但從熱力學的角度來看這種現象是完全可能的。水滴要從液態變為固態，既要克服通常的相變能障，還要克服與表面張力作功有關的能障。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定狀態。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，水滴形態迅速改變，同時飛機表面為其提供了足夠的凝結核，使得過冷水滴在飛機表面迅速凍結。

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

飛機結冰的類型

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

飛機迎風表面的結冰形狀與許多參數有關，如飛機的速度、穿越云層的時間、云層的液態水含量、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，凍結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、液態水含量不大時，撞擊到飛機表面的過冷水滴瞬間發生完全凍結，來不及溢出的空氣也被包裹在凍結的冰粒之間，形成了乳白色不透明的外觀及相對松散的結構，稱之為霜冰。當環境溫度較高或者液態水含量較大時，撞擊凍結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凍結，未凍結的水會在氣流剪切力和水的表面張力作用下形成溢流結冰，稱之為透明冰。透明冰由于冰的形成過程較緩慢，凍結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，因此往往呈現出不規則的形狀，這對于飛機的空氣動力學特性影響很大，透明冰的質地堅硬且與部件表面的粘附強度較大，因此一旦凍結不易除掉，其危害程度大于霜冰。混合冰是介于霜冰和透明冰之間的結冰形式，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

既然飛行結冰會帶來這么多的問題甚至災難，那么有沒有什么方法可以阻止飛機結冰現象的產生呢？自從出現因為飛行結冰而導致航空事故以來，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冰，即在飛行過程中不允許產生結冰現象；除冰的意思是除掉飛行過程中所結的冰，即在飛行過程中允許產生一定程度的、不會嚴重影響飛行安全的結冰。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冰會嚴重影響飛行安全的部位，當飛行過程中探測到結冰環境條件時，即開啟防冰系統對部件進行防冰工作，防止部件表面產生結冰現象。除冰一般是針對一些允許有少量結冰不會影響飛行安全的部位設置的，這些部位可以允許有適量的積冰，當結冰量達到除冰標準時，即開啟除冰系統進行除冰工作，除掉外表面的結冰，然后再關閉除冰系統。

飛機的防冰和除冰方式常用的有機械式除冰系統和加熱式防/除冰系統。機械式除冰系統是依靠機械力的作用去除表面結冰的除冰裝置，包括氣動帶除冰與電脈沖除冰兩類。氣動帶除冰系統是通過向膨脹管內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/除冰系統是目前使用最為普遍的防/除冰系統。按照加熱的熱源可將其分為熱氣防冰系統、電熱防/除冰系統及采用其它熱源的加熱式防冰系統。熱氣防冰系統是目前應用最為廣泛的防冰系統，熱氣來自于發動機的壓氣機引氣。當開啟防冰系統時，引氣閥門打開，熱空氣通過相應管路流到需要防冰的部件內側對部件進行加熱，從而達到防冰的目的。電熱防冰系統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化的。電熱防/除冰系統不需要像熱氣防冰系統那樣布置復雜的引氣管路，也不需要考慮加熱時的流道設計，因此在系統布置方面較為簡單，并且易于實現加熱功率的有效控制，可根據實際情況設定防/除冰工作模式。此外有些航空發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，通常此類系統會將發動機的高溫回油引入需防冰的部件內流道，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，如超疏水表面涂層防冰技術、微波防冰技術以及超聲波防冰技術等。

飛機及發動機結冰研究一些新的問題

對于影響飛機及發動機結冰的氣象條件、飛行參數、部件結構等目前已有了一定認識，但由于結冰受非常多的因素影響，飛機及發動機結冰是一個非常復雜的問題。近年來有關飛機結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冰問題，不完全蒸發系統溢流水結冰問題，冰晶氣候條件下所引起的發動機內涵部件的結冰問題等。大過冷水滴撞擊飛機表面后會形成水滴的破裂、飛濺、再附等復雜的撞擊行為，使得飛機的結冰機理和結冰冰型更加復雜，從而對飛機防冰系統的設計帶來困難。云層中存在的冰晶撞擊到機翼不會產生結冰現象，但是這些冰晶被發動機吸入內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涵的轉子和靜子部件上粘附結冰，從而引起非常嚴重的發動機失速、喘振等故障。近年來科研人員對于飛機大水滴的結冰和冰晶在發動機內涵結冰的機理也都開展了大量的研究工作。

綜上來看，飛機結冰是過冷水滴撞擊在飛機表面并發生相變的一種復雜現象。圍繞飛機結冰所面臨的問題，近年來我國的科研人員在飛機結冰形成機理、冰的形成規律與特征、結冰導致的異常空氣動力學和飛行力學特性及其對飛行安全的影響，以及結冰防護理論和方法、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。隨著對飛機結冰形成的機理、結冰后的空氣動力學與飛行力學的耦合作用及其危害飛行安全的機理、防除冰過程的復雜物理機理等方面的科學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，更加確保飛機在結冰環境下的飛行安全。

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來源：私人飛機網

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