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直升機(jī)的積冰與預(yù)防 摘 要：直升機(jī)對積冰的反應(yīng)較固定翼飛機(jī)更為敏感，影響積冰的主要因素有云中過冷水含量、過冷水的大小、飛行速度、積冰部位的曲率半徑等。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道對積冰的敏感程度最強(qiáng)。目前對積冰的探測主要采用超聲波方式、頻率方式、紅外線方式、光學(xué)方式等；除冰通常采用機(jī)械除冰、化學(xué)除冰和加熱除冰三種方法。防冰技術(shù)的現(xiàn)狀仍滯后于直升機(jī)的發(fā)展水平，成為制約直升機(jī)市場發(fā)展的一個重要因素之一。直升機(jī)遇到積冰時一般仍采取被動避讓的方式避開積冰區(qū)，還不能達(dá)到真正的全天候飛行?？偨Y(jié)已往的經(jīng)驗教訓(xùn)，主要應(yīng)從三個方面搞好直升機(jī)的防冰工作。 引言 積冰問題是一個老問題，也是公認(rèn)的危及飛行安全的嚴(yán)重問題，與積冰有關(guān)的飛行事故每年都在發(fā)生。國際民航組織的統(tǒng)計資料顯示，1986～1996 年的十年間，國際民航客機(jī)因積冰造成的飛行事故共42 起，死亡人數(shù)323 人。直升機(jī)也是如此，由于其自身具有可用功率有限，操縱面較小等特點(diǎn)，因此對積冰的反應(yīng)較固定翼飛機(jī)更為敏感，積冰更易使直升機(jī)造成危險。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到1994 年，我國使用的MI-8 直升機(jī)共發(fā)生14 起空中停車，其中有11 起是積冰原因造成，約占空中停車率的80％； 超黃蜂直升機(jī)共發(fā)生2起一等事故，其中有一起是積冰所致，可見積冰的危害性。正如專家所言，“給生活帶來變化和樂趣的冰和雪，一旦剝開其偽裝，一下子就變成了完完全全的飛行殺手。”（引自《世界航空安全分析》文集）。 2 不同部位積冰對飛行的影響 積冰現(xiàn)象發(fā)生在直升機(jī)的不同部位，對飛行的影響是不同的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 2.1 發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣道 發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣道積冰會改變進(jìn)氣道表面的空氣動力特性，破壞循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)方式，增加進(jìn)氣道的流體阻力和進(jìn)氣損耗，減小壓氣機(jī)的級增壓比以及發(fā)動機(jī)功率，壓氣機(jī)工作葉片的積冰不均勻性，破壞了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡度，使軸承受損。進(jìn)氣道截面的減小使氣流速度場分布不均勻，甚至發(fā)生氣流畸變；發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的減小，造成過富油燃燒，致使渦輪前的燃?xì)鉁囟仍黾?，影響發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致熄火停車。另外，當(dāng)發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣道積冰時，由于飛行狀態(tài)的改變、發(fā)動機(jī)喘震、除冰裝置接通的不及時等原因，會使脫落的冰塊隨氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)，打壞發(fā)動機(jī)葉片或其它機(jī)件，損壞發(fā)動機(jī)，嚴(yán)重時可能造成事故的發(fā)生。 2.2 旋翼 旋翼積冰時，由于翼型的改變，破壞了空氣流過翼面的原有的平滑流動性，即破壞了旋翼原有的空氣動力特性，使升力減小，阻力增大，燃油消耗量增加。積冰的不均勻性使旋翼的重心位置發(fā)生了改變，破壞了旋翼的平衡性，引起振動，并且每片槳葉因積冰引起的變化不一樣，使振動加劇，安全性變差，操縱困難。積冰嚴(yán)重時，極易造成飛行事故。直升機(jī)在懸停時積冰，使槳葉的載荷性變差，升限降低，中度積冰就足以使其掉高度。 2.3 風(fēng)擋玻璃 風(fēng)擋玻璃積冰會嚴(yán)重影響飛行員目視飛行，特別是起降階段。如起降時風(fēng)擋玻璃上積冰，它將起到凝華核的作用水，水汽會迅速在風(fēng)擋上凝華，使目視困難。此時只有靠儀表飛行，而目前直升機(jī)進(jìn)行儀表飛行（特別是復(fù)雜條件下近地儀表飛行）的能力對空中交通管制的依賴性很大，發(fā)展自主式的近地儀表飛行又需要復(fù)雜的電子設(shè)備和昂貴的資金支持。因此，任務(wù)的需要必須增加風(fēng)擋玻璃防冰。 2.4 空速管天線及其它系統(tǒng) 空速管積冰不僅會使全靜壓系統(tǒng)儀表的讀數(shù)失真。甚至完全失效。而且對依賴于空速管系統(tǒng)提供大氣參數(shù)的設(shè)備（如自動駕駛儀、參數(shù)記錄儀、狀態(tài)測量儀等）都將受到影響。這是極危險的事情，當(dāng)直升機(jī)已進(jìn)入危險飛行狀態(tài)時，如這種示數(shù)的偏差未被覺察，則成為導(dǎo)致事故發(fā)生的必然因素。 天線積冰時，會使原有的形狀扭曲，振動加劇，可能引起無線電通信設(shè)備工作不穩(wěn)定或失效，甚至聯(lián)絡(luò)中斷。當(dāng)直升機(jī)在復(fù)雜氣象條件下飛行時，如無線電羅盤失效，其危害可想而知。 其它系統(tǒng)如冷氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等積冰時，剎車失效、操縱失控等后果都可能發(fā)生。 3 影響直升機(jī)積冰的主要因素 直升機(jī)不同部位形成積冰的機(jī)理也不盡相同，如絕熱膨脹冷卻積冰、蒸發(fā)降溫積冰、水汽凝華積冰等。無論哪種形式的積冰，其形成的快慢程度通常采用積冰強(qiáng)度（即單位時間形成的冰層厚度）來衡量。影響積冰強(qiáng)度的因素較復(fù)雜，一般來說由氣象條件和直升機(jī)的空氣動力特性決定。根據(jù)積冰強(qiáng)度公式I ＝6EWV*10-5 克/ (平方厘米*分)(式中I 表示積冰強(qiáng)度，E 表示捕獲系數(shù)，W 表示云中過冷水含量，V 表示空速），由于捕獲系數(shù)E 與過冷水滴的半徑、積冰部位的曲率半徑等因素有關(guān)，因此，影響積冰強(qiáng)度的主要因素有：云中過冷水含量、過冷水的大小、飛行速度、積冰部位的曲率半徑等。 過冷水含量主要與云中氣溫有關(guān)，另外還與云狀、云中上升氣流的大小有關(guān)。溫度越低，過冷水含量越小。強(qiáng)積冰多發(fā)生在溫度為0 ～10℃ 的范圍內(nèi)。過冷水含量超過1 克/立方米米， 積冰最為嚴(yán)重。 過冷水的大小主要表現(xiàn)在對捕獲系數(shù)的影響。水滴越大，慣性越大，越容易被捕獲。試驗數(shù)據(jù)證明，在其它條件不變的情況下，當(dāng)有直徑為100 微米的較大水滴時，有97％的捕獲率。因此積冰強(qiáng)度與過冷水的大小成正比關(guān)系。 空速對直升機(jī)的影響有兩個方面：一方面，在其它條件相同的情況下，積冰強(qiáng)度隨空速的增大而增大；另一方面，速度增大的同時，機(jī)上個別地方會發(fā)生顯著的增溫現(xiàn)象，阻礙了積冰的產(chǎn)生。動力增溫值的大小可近似表示為¬t=V*V/2000 （式中V 為空速，單位是米/秒， t 為駐點(diǎn)處的增溫值），實際情況下，由于機(jī)體表面與外界的熱交換、水滴蒸發(fā)等都要耗損熱量，因此實際增溫值要低于理論計算值，一般經(jīng)驗增溫值為計算值的60％ 左右，甚至更低一些。現(xiàn)在應(yīng)用的直升機(jī)。其飛行速度一般在350 千米/小時以內(nèi)，增溫值對于直升機(jī)機(jī)體的防冰來說沒有太大的意義，一般情況下可以忽略不計。但對于旋翼（特別是槳尖）的防冰則應(yīng)該考慮。例如RAH-66“科曼奇”直升機(jī)前飛時，前行槳葉的槳尖速度為196 米/秒。虎式直升前行槳葉的槳尖速度為215 米/秒。由于駐點(diǎn)的溫度高于機(jī)上駐點(diǎn)以外的地方，在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，遠(yuǎn)離槳尖的地方，因動力增溫的減小，溫度可能在冰點(diǎn)以下，而駐點(diǎn)附近的溫度在零度以上。因此，積冰一般先從槳葉根部生成，然后向槳尖方向擴(kuò)展，考慮到槳葉根部附近返流區(qū)的存在，實際積冰強(qiáng)度并不大。因此旋翼中部的積冰強(qiáng)度往往最強(qiáng)。 曲率半徑對積冰強(qiáng)度的影響，以旋翼積冰為例說明。在其它條件相同的情況下，若旋翼前緣曲率半徑大，在前緣較遠(yuǎn)的地方氣流就分離了，這樣水滴就容易隨氣流一起繞過翼型前緣，而被旋翼捕獲的則較少。因此，產(chǎn)生積冰的概率就??；旋翼前緣曲率半徑小時，在離前緣較近的地方氣流才開始分離，這樣，雖有一些水滴隨氣流一起繞過旋翼，但被捕獲的機(jī)率則較多。綜上所述，曲率半徑小的部位，其積冰強(qiáng)度比曲率半徑大的部位要大一些。由此也可以說明，機(jī)上不同的部位對積冰的敏感程度。天線、空速管、機(jī)炮等部位出現(xiàn)積冰較快，機(jī)身出現(xiàn)積冰則較慢，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道對積冰的敏感程度最強(qiáng)（發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中存在著防砂塵整流罩、防砂分離器、壓氣機(jī)的導(dǎo)流葉片等駐點(diǎn)部件，發(fā)動機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)使，進(jìn)氣道處于抽吸空氣狀態(tài)，氣流加速，當(dāng)已進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)的氣體欲分離時又遇到上述部件，使氣流完全受阻，壓力和溫度下降，如云中溫度較低時，進(jìn)氣道則可能降至冰點(diǎn)甚至以下溫度，形成積冰、）所以，積冰信號探測器一般都安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口附近，對積冰最敏感的地方。 此外，積冰強(qiáng)度還與直升機(jī)表面情況有關(guān)，粗糙的表面比光滑的表面積冰快，鉚釘鉚接處容易積冰。 4 直升機(jī)防冰的現(xiàn)狀 直升機(jī)的防冰一直是從事直升機(jī)研究者致力于研究和解決的重要問題，也是伴隨著直升機(jī)誕生而來的技術(shù)難點(diǎn)之一。俄羅斯一直都十分重視對防冰的研究，早在1957 年便成功地在主旋翼上安裝了防冰裝置，成為世界上第一個帶電加溫防冰系統(tǒng)旋翼的國家，目前俄羅斯所有的直升機(jī)都裝有防冰系統(tǒng)。美國在防冰方面的研究也堪稱一流，70 年代以來先后成立了專門的防冰試驗研究機(jī)構(gòu)和直升機(jī)結(jié)冰研究合作小組，以致力于防冰技術(shù)的研究開發(fā)，并已對多種型號的直升機(jī)進(jìn)行了防冰的試驗驗證，UH-60A 、AH-64D 等現(xiàn)代直升機(jī)均配有較先進(jìn)的防冰裝置。法國在風(fēng)洞中也進(jìn)行了多次旋翼模型的結(jié)冰防冰試驗。采集了飛行結(jié)冰試驗的大量數(shù)據(jù)，并建立了數(shù)據(jù)庫。歐空體對美洲豹、超美洲豹等直升機(jī)也進(jìn)行了防冰的多次飛行試驗驗證，為防冰技術(shù)的研究積累了寶貴的經(jīng)驗。94、 95 年FAR 、ICAO 對防冰有關(guān)的事項分別作了較大幅度的修改，從法規(guī)的高度強(qiáng)化了對防冰的管理，以引起航空界對防冰的足夠重視。我國對直升機(jī)防冰技術(shù)的研究起步較晚。尚沒有專門的研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，離先進(jìn)國家水平還有一定的距離。 總結(jié)以往世界各國對直升機(jī)防冰技術(shù)的研究和應(yīng)用成果，主要表現(xiàn)在兩個方面： 一是積冰的探測，二是除冰。對積冰的探測，主要采用超聲波方式、頻率方式、紅外線方式、光學(xué)方式等通過對積冰條件參數(shù)和積冰狀態(tài)參數(shù)的測量，以目視信號的形式反映給飛行員，對捕捉直升機(jī)的積冰信息，進(jìn)行及時除冰，發(fā)揮了重要作用。 目前測量積冰條件參數(shù)（如液態(tài)水含量、液態(tài)水滴大小）的裝置主要有靈敏電阻絲探頭、激光探頭、光電二極管、露點(diǎn)濕度儀等，測量積冰狀態(tài)參數(shù)的裝置主要有：放射性同位素、電子振蕩器、目視探頭等，這些裝置在EH - 60A、 UH - 60A、 Mi -8、Mi-171 等直升機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。另外。加拿大近期研制開發(fā)一種嵌入式陶瓷盤，通過測量表面污染的電特性，來識別冰雪和液體，區(qū)分冰層厚度，現(xiàn)已被應(yīng)用在波音777、 MD-80 等客機(jī)上，對直升機(jī)的防冰無疑也是一個很好的借鑒。 除冰裝置通常采用機(jī)械防冰、化學(xué)防冰和加熱防冰三種方法，起到較好的防冰效果。機(jī)械除冰裝置一般在機(jī)翼前緣安裝若干個內(nèi)有空囊的橡皮帶。間歇地用壓縮空氣使其時脹時縮，斷裂冰層除冰；化學(xué)除冰是將能使水結(jié)冰溫度降低的防凍液，噴撒到槳葉或風(fēng)擋等部位，使過冷水滴不能凍結(jié)，達(dá)到防冰目的；加熱除冰一般采用發(fā)動機(jī)熱空氣、滑油的熱效應(yīng)或者利用電加熱的電熱效應(yīng)等方式，有的采用組合方式，如Mi-171 直升機(jī)的發(fā)動機(jī)防冰采用熱空氣與電混合加熱方式，UH-60A 直升機(jī)的發(fā)動機(jī)防冰采用熱滑油與熱空氣混合方式。采用電加熱除冰由于要消耗大量的電能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降，因此一般應(yīng)用在主交流供電體制的直升機(jī)中。另外采用電脈沖裝置除冰已由洛克希德-加利福尼亞公司取得專利權(quán)，依靠裝在蒙皮內(nèi)表面的電磁線圈產(chǎn)生的電脈沖，象波浪一樣傳播，使冰層斷裂，從而達(dá)到除冰目的。據(jù)稱其能量效率高于供氣法，這對直升機(jī)的防冰也提供了很好的思路。 盡管世界各國對直升機(jī)防冰技術(shù)的研究付，出了艱辛的努力，現(xiàn)有的防冰裝置在積冰的預(yù)防上也起到了較好的效果，積冰對飛行的危害在一定程度上也減小了許多，但仍不能完全滿足任務(wù)和環(huán)境對直升機(jī)防冰的需要。目前，直升機(jī)遇到積冰時一般仍通過改變飛行高度、航線或迫降等采取被動避讓的方式，避開積冰區(qū)。即使裝有較先進(jìn)防冰裝置的直升機(jī)，按航空條例的規(guī)定，也只能在輕度或中度結(jié)冰情況下飛行，即還不能達(dá)到真正的全天候飛行。例如美國海軍禁止UH-1N 直升機(jī)在結(jié)冰條件下飛行，我國飛行員手冊也明確規(guī)定“禁止直升機(jī)在結(jié)冰條件下飛行”。鑒于目前直升機(jī)防冰的現(xiàn)狀，在二十一世紀(jì)直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展展望中，防冰技術(shù)作為影響直升機(jī)全天候飛行能力的一項，被提到議程上來。 直升機(jī)積冰的預(yù)防 直升機(jī)的防冰作為一項系統(tǒng)的復(fù)雜工程，涉及到直升機(jī)的設(shè)計、試驗、飛行、指揮、氣象、使用維護(hù)等各個環(huán)節(jié)，形成一個環(huán)環(huán)相扣的鏈，其中的任意一個環(huán)節(jié)把握不好，都有可能給飛行安全帶來不便?？偨Y(jié)已往的經(jīng)驗教訓(xùn)，主要應(yīng)從以下三個方面搞好直升機(jī)的防冰工作： 5.1 做好飛行前的防冰準(zhǔn)備工作 飛行前的防冰準(zhǔn)備，主要應(yīng)從三個方面做工作。一是露天停放直升機(jī)的地面除冰工作， 飛行前必須徹底檢查和清除積冰和霜。在東北、西北等冬季氣溫較低的地區(qū)，直升機(jī)露天停放極易造成積冰或霜凍。因此應(yīng)注意及時涂撒防凍液或者利用機(jī)載防冰系統(tǒng)驅(qū)除冰霜。另外借助于地面加熱器、紅外暖氣爐等對直升機(jī)進(jìn)行起飛前暖機(jī)，根據(jù)氣象情況應(yīng)適當(dāng)延長加熱暖機(jī)時間。如MI -171 直升機(jī)在－40℃以下氣溫時，要求起動前用80℃以下的熱空氣暖機(jī)，暖機(jī)時間不少于30分鐘。各型直升機(jī)的加溫暖機(jī)時間均有嚴(yán)格的規(guī)定。應(yīng)參照執(zhí)行。二是按維護(hù)規(guī)程的要求，仔細(xì)檢查機(jī)載防冰系統(tǒng)的工作情況。三是認(rèn)真研究航線天氣及可能積冰的情況作，好防積冰準(zhǔn)備是安全飛行的重要措施。積冰主要發(fā)生在有過冷水滴的云中，較強(qiáng)的積冰多發(fā)生在云中溫度為的－5℃～＋5℃區(qū)域內(nèi)。因此飛行前應(yīng)仔細(xì)了解飛行區(qū)域的云、降水和氣溫分布情況，特別是－5℃～＋5℃等溫線的位置，根據(jù)飛行速度、航線高度等條件判明，可能發(fā)生的積冰區(qū)域，確定避開積冰區(qū)域的方法。 5.2 飛行中采取正確的處置措施 積冰的飛行實踐經(jīng)驗和資料統(tǒng)計結(jié)果表明，產(chǎn)生積冰的季節(jié)主要在冬季，最易積冰的高度是4500米以下的云中，飛行高度在3000米左右最多，在鋒區(qū)附近或穿越鋒區(qū)時積冰的概率最大，當(dāng)有凍雨或濕雪時則積冰更多。因此飛行中遇到積冰時（通常伴有顫動、燃?xì)鉁囟壬仙?、重量增加、速度減小或功率下降等現(xiàn)象）首先應(yīng)按照飛行前確定的預(yù)案脫離積冰區(qū)。如必須通過積冰區(qū)域，應(yīng)選擇積冰強(qiáng)度最弱和通過積冰區(qū)最短的航線，并做好除冰的準(zhǔn)備，提前打開除冰裝置。由于接通防冰系統(tǒng)時，發(fā)動機(jī)的功率會減小7％ 左右（不同機(jī)型發(fā)動機(jī)功率下降的值不同），因此，同時應(yīng)盡量避免急轉(zhuǎn)彎、急劇上升或小半徑的機(jī)動。 5.3 研制開發(fā)新型有效的防冰探測和除冰裝置 已經(jīng)應(yīng)用和開發(fā)的直升機(jī)防冰系統(tǒng)，在防止積冰上起到了很好的效果。但仍然普遍存在著費(fèi)用昂貴、重量偏大（例如Mi-171直升機(jī)僅積冰信號器、旋翼集電器和程序機(jī)構(gòu)的重量就達(dá)16公斤，加上電纜的重量，足以達(dá)到幾十公斤）、效率較低等問題，使防冰技術(shù)的現(xiàn)狀仍滯后于直升機(jī)的發(fā)展水平，成為制約直升機(jī)市場發(fā)展的一個重要因素之一。因此，跟隨直升機(jī)的發(fā)展水平，必須研制開發(fā)更加有效的新型防冰探測和除冰裝置。 結(jié)論 直升機(jī)的防冰技術(shù)近幾年在穩(wěn)步發(fā)展，預(yù)計更先進(jìn)的技術(shù)也會問世。但是冬季飛行的難題是大自然，無論今后有何先進(jìn)技術(shù)問世，安全對策一刻也不能放松。只有緊緊抓住一些防冰技術(shù)的發(fā)展動向，進(jìn)一步完善防冰系統(tǒng)，強(qiáng)化防冰管理體制，才能確保安全飛行。 參考資料 |
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