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飞机结冰对飞行安全的影响

核心提示: 月11日,一架载有71人的俄罗斯安-148客机在莫斯科多莫杰多沃机场起飞后不久坠毁。

2月11日,一架载有71人的俄罗斯安-148客机在莫斯科多莫杰多沃机场起飞后不久坠毁。据相关方面称,此次空难的原因极有可能是由于飞机空速管结冰致使飞行员无法获悉准确航速信息,从而引发一连串错误操作,最终导致飞机失速坠毁。

空速管也叫皮托管、总压管,主要作用是通过感受空气压力来反映飞机速度,属于大气数据系统传感器。空速管本身具有加温功能,使其能在结冰气象条件下正常使用。然而,这架安-148客机由于空速管加温功能不正常,使得空速管在结冰气象条件下结冰,从而造成了不可挽回的后果。类似的悲剧此前已有发生,如2009年法航447航班也是由于空速管结冰而导致飞机失速,最终坠毁,机上228人全部遇难。

除空速管外,飞机其他部位结冰而导致的事故也比比皆是:

1989年,安大略航空的福克28,起飞前在暴风雪中等待35分钟,未除冰,机翼结冰导致起飞失败坠毁,全机24人死亡45人受伤。

1990年,瑞安航空DC-9,暴风雪中等待35分钟,未除冰,起飞失败坠毁。

1993年,马其顿航空福克100,起飞后失事,调查发现起飞前未除冰造成。

2004年11月21日,由包头飞往上海的东航MU5210航班起飞后不久就发生坠落,机上6名机组人员、47名乘客和2名地面人员不幸遇难。

后事故调查证明飞机在包头机场过夜时存在结霜的天气条件,飞机起飞前没进行除霜冰。

2009年2月12日,美国一架机型为庞巴迪DASH8的客机,因机翼和舷窗积冰,机组处置不当,导致坠毁。

2012年4月2日,俄罗斯一架ATR飞机从秋明市起飞飞往苏尔古特,途中坠毁。空难造成31人遇难,事故原因与未对飞机进行除冰有关。俄罗斯UTAir公司在“秋明空难”后,按照俄罗斯联邦运输监督局命令重新修订了除冰程序。

根据FAA飞行安全部统计,1990~1999年期间由于气象原因引起的事故共3230起,其中结冰引起的事故达到388起(占12%)。

2003~2008年之间,有380起与结冰有关的事故报告。因此,飞机结冰被航空界认定为影响飞行的6大气象因素之一。

造成飞机结冰的因素很多,大气温度、云层范围、水滴直径、液态水含量等,飞机的外形、飞行姿态、飞行速度、飞行高度等都与之有关。一般来讲,飞机结冰主要出现在冬季,飞行高度在海拔3000米左右的结冰概率最大。结冰飞机以飞行速度较慢的运输机居多。具体来讲,在大气中经常存在着零度以下仍未冻结的过冷水滴,它是云层中水滴存在的一种特殊情况,这种过冷水滴多出现在0到-20℃的云层和降水中。一旦过冷水滴碰到机体,就会立刻在机体上结冰,严重影响飞行安全。积冰的类型主要有冰(明冰、毛冰、混合冰)、霜冰等。

在飞行中,机体容易结冰的位置主要在机体的迎风部位,除上述事故中提到的空速管外,还有机翼前缘、尾翼前缘、风挡、发动机进气道前缘、桨叶、天线等。飞机结冰的危害是显而易见的。比如,风挡结冰会影响到驾驶员视野;飞机的温度、压力传感器(空速管)结冰导致仪表指示失真,可能导致安全事故。

机翼、尾翼、发动机进气道前缘等迎风面结冰,会改变气动特性,增加重量,导致飞行性能、操稳特性恶化(升力减小、阻力增大、力矩特性改变),威胁飞机安全。经试验表明:在未设有防冰措施保护的机翼表面上结冰可导致机翼阻力增大40%,同时升力减少30%,螺旋桨的结冰则会导致其效率减少19%。而发动机进气道前缘结冰,则使得进气道流场发生改变,引起发动机的喘振,也会使进入发动机的气流减少,降低发动机的推力;冰层脱落会对压气机叶片造成机械损伤,甚至导致整台发动机的破坏进而导致停车事故等。

由于危害巨大,2013年11月23日,波音公司发布运行安全通告,通知航空公司避免飞机在可能含有冰晶的雷雨层50海里以内长时间飞行。原因是飞机存在发动机结冰的风险,应防患于未然。其实,为有效对付结冰这一飞机安全“杀手”,飞机设计师们在设计研发阶段就开展了很多工作,包括结冰部位及严重冰型研究、冰型对气动力、飞行特性的影响研究,在此基础上确定影响飞行安全的结冰部位并提出防护要求,设置必要的防除冰系统。一般来说,对易于结冰的运输类飞机,防除冰系统是必不可少的。

运输类飞机设置有防除冰系统,一般包括:结冰探测系统、机翼防冰系统、尾翼除冰系统、发动机进气道防冰系统和风挡加温/除雨系统等。所谓防冰系统,即不允许在飞机有些部位上产生结冰的系统;除冰系统,即该系统允许在飞机某些部位结少量的冰,然后周期性地把冰除去。防冰系统通常有以下几种形式:热空气防冰、电热防冰、液体防冰等。这几种防冰方式已被适航接受;除冰系统通常有以下几种形式:气囊除冰、气动脉冲除冰、电热除冰、电动机械式除冰、电脉冲除冰、涡流除冰、电动除冰、形状记忆合金除冰等。其中气囊除冰与电磁机械式除冰已被适航接受。

2000年以后,国内运输类飞机发展迅速,对飞机防除冰关键性基础研究提出了迫切的需求,国内防除冰研究开始快速发展。航空工业第一飞机设计研究院针对运输类飞机专门设置了研究防除冰系统的专业团队,并通过ARJ21、运20、MA700飞机的研制建立了完整的设计团队和理论体系。

目前,航空工业一飞院在飞机结冰机理研究、防除冰理论计算研究、防除冰设计技术与试验研究等方面取得了重要突破,形成一系列成果,部分研究成果达到世界先进水平。建立了防除冰系统优化设计方法,积累了热气防冰系统、电热除冰系统、气囊除冰系统的设计经验,突破了防除冰系统严酷点确定、防护区域确定、防冰腔设计与优化、防除冰试验设计等关键技术,具有了防除冰系统的快速设计、试验设计和适航取证能力,进一步提高了我国在防除冰设计领域的技术能力,成果可以广泛用于运输机、支线飞机、直升机、无人机和预警机防除冰系统的设计、试验和适航取证,还可以对现役飞机防除冰系统的改进提供技术支持。

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责任编辑:王婵