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隆冬腊月,飞机也怕结冰?

2018-01-30 05:40   来源: 成都全搜索新闻网   编辑: 高赛琦   责任编辑: 马兰

本文选知蝌蚪五线谱

水凝固为冰是我们熟悉的物理过程,一旦温度低于冰点,液态的水往往就会变作固态的冰。如今隆冬腊月,结冰现象更是十分常见。冰,可以让人们体验到酣畅淋漓的滑冰运动,还能幻化成异彩纷呈的绝美冰雕。然而,冰也常常令人苦不堪言,比如路面结冰会影响行车安全,水管结冰会导致爆裂,电线电缆结冰会使基站坍塌……对于飞机而言,结冰也是个麻烦事儿。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

一架穿上冰衣的飞机(图片来源:NASA)

飞机缘何会结冰?

提到飞机结冰,小伙伴们或许会想到这样的景象:雨雪天气里,停机坪上的飞机个个都穿上了一层冰衣。其实,多数情况下飞机结冰并不发生在地面,而是在天上。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

机翼上挂满冰溜的飞机(图片来源:NASA)

我们知道,在大气对流层下半部的云层中,有很多过冷水滴,即温度低于冰点却仍未凝固的液态水滴。过冷水滴的状态十分不稳定,只需受到外界一点点扰动,就会迅速结成冰。当飞机在云层中高速飞行时,如果飞机部件表面温度低于冰点,过冷水滴撞击后就会很快聚积成冰。这种现象被称为“水滴积冰”,它是导致飞机结冰的罪魁祸首。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

过冷水滴经过机翼时的运动轨迹(图片来源:参考文献[4])

此外,飞机偶尔还会遇到“干结冰”和“凝华结冰”的问题。当飞机穿过雨夹雪或含有大量冰晶的云层时,发动机等温度较高的部件会使冰晶融化沉积,然后再凝固成冰,这便是“干结冰”。至于“凝华结冰”,顾名思义,它和雾凇的形成原理相同,指的是空气中的水汽在机身表面凝华成冰的现象。

总体来说,影响飞机结冰的因素主要有3个。其一,飞机的外形形状,这是由于飞机外形直接影响流场分布,从而影响了撞击在飞机表面上的水滴分布情况。其二,飞机的飞行状态,研究发现,当飞行速度在亚音速以下或附近、飞行高度介于3至7千米时,最易结冰。其三,飞行的气象条件,如环境温度、云层形式、云层范围、空气中液态水含量等,通常,积云和积雨云最易导致飞机发生严重的结冰现象。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

积云虽美,却易使飞机结冰(图片来源:en.wikipedia.org)

飞机结冰有何危害?

飞机结冰对飞行安全有诸多不利影响,首先就表现在改变飞机的气动外形。当机翼和尾翼结冰后,表面粗糙度会变大,从而增加了飞行阻力,减小了升力。科学家们通过风洞和飞行试验证明,即使机翼前缘的积冰厚度只有一毫米,也会使阻力骤增40%,升力锐减30%。

结冰还严重影响飞机的操纵性。例如,若操纵面结冰,由于质量分布改变,操纵杆上的力也会随之变化,操纵效率大为降低。最令人头大的还属隐匿在操纵面缝隙间的冰,它能诱发操纵面卡死,使飞机的操纵性能完全丧失。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

发动机转子叶片上的积冰,它会降低发动机效率(图片来源:en.wikipedia.org)

除了影响气动和操纵性能,结冰还增加飞机的起降距离、降低发动机的工作效率和有效推力、干扰正常的通讯导航信息,因此常会酿成严重的飞行事故。2006年6月,我国一架军用运输机在安徽坠毁,机上5名机组人员及35名空军专家全部罹难,堪称我军历史上最严重的空难。调查结果显示,此次空难正是由飞机多次穿越结冰雨云,机身结冰失控所致。据估计,在过去的50年中,因结冰引起的飞行事故已造成至少500人丧生。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

飞机风挡结冰,严重影响飞行员的视线(图片来源:NASA)

飞机结冰如何防范?

既然飞机结冰贻害无穷,难道就不能避免吗?答案是肯定的。

现代飞机在设计时会在机翼、尾翼、发动机进气道前缘等易结冰的部位安装加热装置,以保证无论在何种气象条件下飞行,这些部位都不会结冰。例如,空客320、波音737等多数客机均通过引气系统将发动机的热气引至机翼前缘,而波音787等则在机翼前缘内壁贴上电加热垫,通过电子调节器实现精确加热。

隆冬腊月,飞机也怕结冰?

波音737的防冰装置示意(图片来源:参考文献[4])

近年来,一些科学家还从荷叶上找到了新的防冰灵感。生活中我们常会看到,当水滴落到荷叶表面时,水滴并不会粘附在荷叶上,而是聚成球状滚落,这就是“荷叶效应”。如果能制造出不粘水滴的飞机表面,无疑是最直接有效的防冰手段。不过,这种防冰技术目前还只存在于实验室中,距离应用仍很遥远。

参考文献:

[1] https://www.skybrary.aero/index.php/Ice_Formation_on_Aircraft.

[2] 刘根林,沈海军. 飞机防冰与除冰技术综述[J]. 江苏航空,2003(4):18-20.

[3] 周莉,徐浩军,龚胜科,等. 飞机结冰特性及防除冰技术研究[J]. 中国安全科学学报,2010,20(6):105-110.

[4] 胡琪,黄安平,孙涛,等. 机翼防/除冰技术研究进展[J]. 科技导报,2015,33(7):114-119.

[5] 王光秋. 民机先进技术汇编[M]. 北京:国防工业出版社,2016.

[6] 於萧萧. 基于微观物理现象的飞机结冰特性研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2016.

[7] 王冠,张德远,陈华伟. 飞机防冰——从传统到仿生的发展[J]. 工业技术创新,2014,1(2): 241-250.

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