民航气象中的积冰现象对飞行性能的影响

引言

在民航飞行中，气象条件是影响飞行安全与性能的关键因素之一。其中，积冰现象因其隐蔽性和突发性，对飞行安全构成了严重威胁。飞机在飞行过程中遭遇积冰，可能会导致一系列复杂的物理变化，进而影响飞机的飞行性能。从气动学角度来看，积冰改变了飞机的外形，破坏了原有的空气动力学平衡；从飞行操作层面而言，积冰增加了飞行的不确定性和风险。因此，深入研究民航气象中的积冰现象对飞行性能的影响，对于提高民航飞行的安全性、经济性和舒适性具有重要的理论和现实意义。

、积冰现象的形成与分类

（一）积冰的形成条件

积冰现象是民航气象中一种复杂的物理过程，其形成与多种气象条件密切相关。当飞机在特定的温度、湿度和液态水含量的云层中飞行时，机身表面与过冷水滴接触，水滴在机身表面迅速冻结，形成积冰。通常，积冰主要发生在温度低于 0^∘C 的云层中，尤其是当温度在- ⋅2^∘C 至- .10^∘C 之间时，积冰的发生率显著增加。此外，云层中的液态水含量和水滴大小也是影响积冰形成的关键因素。高液态水含量和较大水滴直径的云层，更容易导致严重的积冰现象。例如，在层状云和积状云的混合云层中，由于液态水含量高且水滴直径较大，积冰现象尤为显著。

（二）积冰的类型及特点

积冰根据其形成条件和物理特性，可以分为明冰、毛冰、霜和冰柱四种类型。明冰通常在温度较高、液态水含量较高的云层中形成，其表面光滑透明，厚度较薄，但对飞机的气动性能影响较大。毛冰则多在温度较低、水滴直径较小的云层中形成，其表面粗糙不平，呈毛茸状，厚度较厚，对飞机的升力和阻力影响显著。霜主要在温度极低且相对湿度较高的条件下形成，通常在飞机地面停放或低速飞行时出现，其颗粒状结构会增加飞机表面的粗糙度，降低气动效率。冰柱则是在飞机飞行过程中，由于机身表面的特殊形状和气流条件，水滴冻结形成的冰柱状结构，多出现在飞机的机翼前缘、发动机进气口等部位，会对飞机的空气动力学性能和发动机性能产生严重影响。不同类型的积冰对飞行性能的影响各有特点，需要根据具体情况进行分析和应对。

二、积冰对飞行性能的影响

（一）对飞机气动性能的影响

积冰对飞机气动性能的影响主要体现在升力和阻力两个关键参数上。当飞机表面结冰时，原本光滑的外形被破坏，导致气流在机翼表面的流动特性发生显著变化。积冰会使机翼前缘变得粗糙，甚至改变机翼的几何形状，从而增加气流的分离现象，降低机翼的升力系数。研究表明，积冰可能导致机翼升力系数下降 20% 至 30% ，这在低速飞行阶段，如起飞和降落时，可能严重影响飞机的爬升能力和操控性。同时，积冰还会显著增加飞机的阻力。冰层的粗糙表面会增加气流的摩擦阻力，而冰层的形状变化会增加压差阻力。在飞行过程中，阻力的增加会导致燃油消耗增加，航程缩短，甚至可能影响飞机的飞行速度和经济性。根据实验数据，积冰可能使飞机的阻力增加 50% 以上，这在长时间飞行中会对燃油效率产生重大影响。

此外，积冰还可能改变飞机的俯仰力矩特性。由于冰层在机翼和尾翼上的分布不均匀，会导致飞机的重心和气动力分布发生变化，从而影响飞机的俯仰平衡。这要求飞行员在飞行过程中不断调整飞行姿态，增加了飞行操作的复杂性和风险。

（二）对飞机操纵性能的影响

积冰对飞机操纵性能的影响主要体现在飞机的操纵性和稳定性上。积冰会增加飞机的重量，改变飞机的重心位置，从而影响飞机的操纵性。在飞行中，飞行员需要更多的操纵输入来维持飞机的飞行姿态和轨迹。例如，机翼积冰可能导致飞机的横滚操纵性能下降，使飞机在转弯时的响应变慢，增加了飞行操作的难度。同时，积冰还会影响飞机的稳定性。由于冰层的分布不均匀，飞机的气动力分布会发生变化，这可能导致飞机的纵向和横向稳定性降低。在飞行过程中，飞机可能会出现非预期的俯仰或横滚运动，增加了飞行的不确定性和风险。特别是在恶劣气象条件下，飞行员需要更加谨慎地操作飞机，以避免因积冰导致的操纵性能下降而引发的飞行事故。

此外，积冰还可能对飞机的发动机性能产生影响。发动机进气口积冰可能导致进气道堵塞，减少发动机的进气量，从而降低发动机的推力。在极端情况下，发动机可能会出现喘振甚至停车，这将对飞行安全构成严重威胁。因此，飞行员在飞行过程中需要密切关注发动机的运行状态，及时采取措施防止发动机积冰。

三、积冰条件下的飞行应对措施

（一）飞行前的预防措施

在飞行前，飞行员和地面保障人员需采取一系列预防措施，以降低积冰对飞行安全的影响。首先，飞行员应充分了解所飞航线区域的天气情况，特别是冬季飞行时，需收集积冰预报资料，确定可能积冰条件，并制定预防措施和应急措施，如脱离结冰区的办法、返航、备降等。其次，检查飞机时，确保飞机表面上的冰、雪、霜已除尽，各操纵面缝隙里不能带有冰、雪。地面机务人员除冰时，不能将除冰液直接喷到发动机的进气道、探头孔等关键部位，以免造成设备损坏。此外，除冰结束后，要重新检查飞机表面及关键部位，确保无冰残留，并检查操纵系统灵活无卡阻现象。

（二）飞行中的应急处置

在飞行过程中，一旦遭遇积冰条件，飞行员需迅速采取应急处置措施。首先，根据当时温度和结冰条件，及时使用发动机防冰和机身防冰系统。当飞机脱离结冰区后，不要立即将防冰系统关闭，让其工作一段时间后再关闭，以防飞机带冰飞行。其次，若发动机结冰，应先打开一台发动机防冰，待工作稳定后，再打开另一台发动机防冰，切忌同时打开两台发动机防冰。在使用防冰系统后，若发动机功率仍在减小，飞行速度仍在降低，则应立即请求改变高度或航向，脱离结冰区。此外，在中度以上结冰区飞行时，机翼防冰系统最好断续使用，机翼和尾翼交替使用。在下降过程中，如使用防冰设备，应注意使发动机 EPR 不小于1.2，以保证向防冰系统供气。

结论

通过对民航气象中积冰现象的深入分析，可以明确积冰对飞行性能的多方面影响。积冰不仅改变了飞机的气动外形，降低了飞行效率，还增加了飞行操作的复杂性和风险。在实际飞行中，飞行员需要充分了解积冰的形成条件和危害，采取有效的预防和应对措施。同时，民航气象监测与预警系统的不断完善，也为积冰防范提供了有力支持。未来，随着航空技术的不断进步和气象预报精度的提高，有望进一步降低积冰对飞行性能的不利影响，保障民航飞行的安全与顺畅。

参考文献：

[1]刘成学.飞机机翼积冰的数值模拟及其在民航中的应用[D].中国民用航空飞行学院,2011.

[2]常磊.飞机积冰防御系统设计及其评判的初步研究[D].中国民用航空飞行学院,2009.

[3]申红喜,李秀连,张荣德,梁爱民.民航太原机场“04.12.21”飞机积冰天气过程数值特征分析[A]中国气象学会2005 年年会论文集[C].中国气象学会,中国气象学会,2005:7.