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直升机的积冰与预防 摘 要：直升机对积冰的反应较固定翼飞机更为敏感，影响积冰的主要因素有云中过冷水含量、过冷水的大小、飞行速度、积冰部位的曲率半径等。发动机进气道对积冰的敏感程度最强。目前对积冰的探测主要采用超声波方式、频率方式、红外线方式、光学方式等；除冰通常采用机械除冰、化学除冰和加热除冰三种方法。防冰技术的现状仍滞后于直升机的发展水平，成为制约直升机市场发展的一个重要因素之一。直升机遇到积冰时一般仍采取被动避让的方式避开积冰区，还不能达到真正的全天候飞行。总结已往的经验教训，主要应从三个方面搞好直升机的防冰工作。 引言 积冰问题是一个老问题，也是公认的危及飞行安全的严重问题，与积冰有关的飞行事故每年都在发生。国际民航组织的统计资料显示，1986～1996 年的十年间，国际民航客机因积冰造成的飞行事故共42 起，死亡人数323 人。直升机也是如此，由于其自身具有可用功率有限，操纵面较小等特点，因此对积冰的反应较固定翼飞机更为敏感，积冰更易使直升机造成危险。据不完全统计，截止到1994 年，我国使用的MI-8 直升机共发生14 起空中停车，其中有11 起是积冰原因造成，约占空中停车率的80％； 超黄蜂直升机共发生2起一等事故，其中有一起是积冰所致，可见积冰的危害性。正如专家所言，“给生活带来变化和乐趣的冰和雪，一旦剥开其伪装，一下子就变成了完完全全的飞行杀手。”（引自《世界航空安全分析》文集）。 2 不同部位积冰对飞行的影响 积冰现象发生在直升机的不同部位，对飞行的影响是不同的，主要表现在以下几个方面： 2.1 发动机及进气道 发动机及进气道积冰会改变进气道表面的空气动力特性，破坏循环系统的循环方式，增加进气道的流体阻力和进气损耗，减小压气机的级增压比以及发动机功率，压气机工作叶片的积冰不均匀性，破坏了压气机转子的平衡度，使轴承受损。进气道截面的减小使气流速度场分布不均匀，甚至发生气流畸变；发动机进气量的减小，造成过富油燃烧，致使涡轮前的燃气温度增加，影响发动机工作的稳定性，严重时可能导致熄火停车。另外，当发动机及进气道积冰时，由于飞行状态的改变、发动机喘震、除冰装置接通的不及时等原因，会使脱落的冰块随气流进入发动机，打坏发动机叶片或其它机件，损坏发动机，严重时可能造成事故的发生。 2.2 旋翼 旋翼积冰时，由于翼型的改变，破坏了空气流过翼面的原有的平滑流动性，即破坏了旋翼原有的空气动力特性，使升力减小，阻力增大，燃油消耗量增加。积冰的不均匀性使旋翼的重心位置发生了改变，破坏了旋翼的平衡性，引起振动，并且每片桨叶因积冰引起的变化不一样，使振动加剧，安全性变差，操纵困难。积冰严重时，极易造成飞行事故。直升机在悬停时积冰，使桨叶的载荷性变差，升限降低，中度积冰就足以使其掉高度。 2.3 风挡玻璃 风挡玻璃积冰会严重影响飞行员目视飞行，特别是起降阶段。如起降时风挡玻璃上积冰，它将起到凝华核的作用水，水汽会迅速在风挡上凝华，使目视困难。此时只有靠仪表飞行，而目前直升机进行仪表飞行（特别是复杂条件下近地仪表飞行）的能力对空中交通管制的依赖性很大，发展自主式的近地仪表飞行又需要复杂的电子设备和昂贵的资金支持。因此，任务的需要必须增加风挡玻璃防冰。 2.4 空速管天线及其它系统 空速管积冰不仅会使全静压系统仪表的读数失真。甚至完全失效。而且对依赖于空速管系统提供大气参数的设备（如自动驾驶仪、参数记录仪、状态测量仪等）都将受到影响。这是极危险的事情，当直升机已进入危险飞行状态时，如这种示数的偏差未被觉察，则成为导致事故发生的必然因素。 天线积冰时，会使原有的形状扭曲，振动加剧，可能引起无线电通信设备工作不稳定或失效，甚至联络中断。当直升机在复杂气象条件下飞行时，如无线电罗盘失效，其危害可想而知。 其它系统如冷气系统、液压系统、操纵系统等积冰时，刹车失效、操纵失控等后果都可能发生。 3 影响直升机积冰的主要因素 直升机不同部位形成积冰的机理也不尽相同，如绝热膨胀冷却积冰、蒸发降温积冰、水汽凝华积冰等。无论哪种形式的积冰，其形成的快慢程度通常采用积冰强度（即单位时间形成的冰层厚度）来衡量。影响积冰强度的因素较复杂，一般来说由气象条件和直升机的空气动力特性决定。根据积冰强度公式I ＝6EWV*10-5 克/ (平方厘米*分)(式中I 表示积冰强度，E 表示捕获系数，W 表示云中过冷水含量，V 表示空速），由于捕获系数E 与过冷水滴的半径、积冰部位的曲率半径等因素有关，因此，影响积冰强度的主要因素有：云中过冷水含量、过冷水的大小、飞行速度、积冰部位的曲率半径等。 过冷水含量主要与云中气温有关，另外还与云状、云中上升气流的大小有关。温度越低，过冷水含量越小。强积冰多发生在温度为0 ～10℃ 的范围内。过冷水含量超过1 克/立方米米， 积冰最为严重。 过冷水的大小主要表现在对捕获系数的影响。水滴越大，惯性越大，越容易被捕获。试验数据证明，在其它条件不变的情况下，当有直径为100 微米的较大水滴时，有97％的捕获率。因此积冰强度与过冷水的大小成正比关系。 空速对直升机的影响有两个方面：一方面，在其它条件相同的情况下，积冰强度随空速的增大而增大；另一方面，速度增大的同时，机上个别地方会发生显著的增温现象，阻碍了积冰的产生。动力增温值的大小可近似表示为¬t=V*V/2000 （式中V 为空速，单位是米/秒， t 为驻点处的增温值），实际情况下，由于机体表面与外界的热交换、水滴蒸发等都要耗损热量，因此实际增温值要低于理论计算值，一般经验增温值为计算值的60％ 左右，甚至更低一些。现在应用的直升机。其飞行速度一般在350 千米/小时以内，增温值对于直升机机体的防冰来说没有太大的意义，一般情况下可以忽略不计。但对于旋翼（特别是桨尖）的防冰则应该考虑。例如RAH-66“科曼奇”直升机前飞时，前行桨叶的桨尖速度为196 米/秒。虎式直升前行桨叶的桨尖速度为215 米/秒。由于驻点的温度高于机上驻点以外的地方，在条件适当的情况下，远离桨尖的地方，因动力增温的减小，温度可能在冰点以下，而驻点附近的温度在零度以上。因此，积冰一般先从桨叶根部生成，然后向桨尖方向扩展，考虑到桨叶根部附近返流区的存在，实际积冰强度并不大。因此旋翼中部的积冰强度往往最强。 曲率半径对积冰强度的影响，以旋翼积冰为例说明。在其它条件相同的情况下，若旋翼前缘曲率半径大，在前缘较远的地方气流就分离了，这样水滴就容易随气流一起绕过翼型前缘，而被旋翼捕获的则较少。因此，产生积冰的概率就小；旋翼前缘曲率半径小时，在离前缘较近的地方气流才开始分离，这样，虽有一些水滴随气流一起绕过旋翼，但被捕获的机率则较多。综上所述，曲率半径小的部位，其积冰强度比曲率半径大的部位要大一些。由此也可以说明，机上不同的部位对积冰的敏感程度。天线、空速管、机炮等部位出现积冰较快，机身出现积冰则较慢，发动机进气道对积冰的敏感程度最强（发动机进气道中存在着防砂尘整流罩、防砂分离器、压气机的导流叶片等驻点部件，发动机的高速旋转使，进气道处于抽吸空气状态，气流加速，当已进入进气道内的气体欲分离时又遇到上述部件，使气流完全受阻，压力和温度下降，如云中温度较低时，进气道则可能降至冰点甚至以下温度，形成积冰、）所以，积冰信号探测器一般都安装在发动机进气口附近，对积冰最敏感的地方。 此外，积冰强度还与直升机表面情况有关，粗糙的表面比光滑的表面积冰快，铆钉铆接处容易积冰。 4 直升机防冰的现状 直升机的防冰一直是从事直升机研究者致力于研究和解决的重要问题，也是伴随着直升机诞生而来的技术难点之一。俄罗斯一直都十分重视对防冰的研究，早在1957 年便成功地在主旋翼上安装了防冰装置，成为世界上第一个带电加温防冰系统旋翼的国家，目前俄罗斯所有的直升机都装有防冰系统。美国在防冰方面的研究也堪称一流，70 年代以来先后成立了专门的防冰试验研究机构和直升机结冰研究合作小组，以致力于防冰技术的研究开发，并已对多种型号的直升机进行了防冰的试验验证，UH-60A 、AH-64D 等现代直升机均配有较先进的防冰装置。法国在风洞中也进行了多次旋翼模型的结冰防冰试验。采集了飞行结冰试验的大量数据，并建立了数据库。欧空体对美洲豹、超美洲豹等直升机也进行了防冰的多次飞行试验验证，为防冰技术的研究积累了宝贵的经验。94、 95 年FAR 、ICAO 对防冰有关的事项分别作了较大幅度的修改，从法规的高度强化了对防冰的管理，以引起航空界对防冰的足够重视。我国对直升机防冰技术的研究起步较晚。尚没有专门的研究开发机构，离先进国家水平还有一定的距离。 总结以往世界各国对直升机防冰技术的研究和应用成果，主要表现在两个方面： 一是积冰的探测，二是除冰。对积冰的探测，主要采用超声波方式、频率方式、红外线方式、光学方式等通过对积冰条件参数和积冰状态参数的测量，以目视信号的形式反映给飞行员，对捕捉直升机的积冰信息，进行及时除冰，发挥了重要作用。 目前测量积冰条件参数（如液态水含量、液态水滴大小）的装置主要有灵敏电阻丝探头、激光探头、光电二极管、露点湿度仪等，测量积冰状态参数的装置主要有：放射性同位素、电子振荡器、目视探头等，这些装置在EH - 60A、 UH - 60A、 Mi -8、Mi-171 等直升机上得到广泛应用。另外。加拿大近期研制开发一种嵌入式陶瓷盘，通过测量表面污染的电特性，来识别冰雪和液体，区分冰层厚度，现已被应用在波音777、 MD-80 等客机上，对直升机的防冰无疑也是一个很好的借鉴。 除冰装置通常采用机械防冰、化学防冰和加热防冰三种方法，起到较好的防冰效果。机械除冰装置一般在机翼前缘安装若干个内有空囊的橡皮带。间歇地用压缩空气使其时胀时缩，断裂冰层除冰；化学除冰是将能使水结冰温度降低的防冻液，喷撒到桨叶或风挡等部位，使过冷水滴不能冻结，达到防冰目的；加热除冰一般采用发动机热空气、滑油的热效应或者利用电加热的电热效应等方式，有的采用组合方式，如Mi-171 直升机的发动机防冰采用热空气与电混合加热方式，UH-60A 直升机的发动机防冰采用热滑油与热空气混合方式。采用电加热除冰由于要消耗大量的电能导致电网电压下降，因此一般应用在主交流供电体制的直升机中。另外采用电脉冲装置除冰已由洛克希德-加利福尼亚公司取得专利权，依靠装在蒙皮内表面的电磁线圈产生的电脉冲，象波浪一样传播，使冰层断裂，从而达到除冰目的。据称其能量效率高于供气法，这对直升机的防冰也提供了很好的思路。 尽管世界各国对直升机防冰技术的研究付，出了艰辛的努力，现有的防冰装置在积冰的预防上也起到了较好的效果，积冰对飞行的危害在一定程度上也减小了许多，但仍不能完全满足任务和环境对直升机防冰的需要。目前，直升机遇到积冰时一般仍通过改变飞行高度、航线或迫降等采取被动避让的方式，避开积冰区。即使装有较先进防冰装置的直升机，按航空条例的规定，也只能在轻度或中度结冰情况下飞行，即还不能达到真正的全天候飞行。例如美国海军禁止UH-1N 直升机在结冰条件下飞行，我国飞行员手册也明确规定“禁止直升机在结冰条件下飞行”。鉴于目前直升机防冰的现状，在二十一世纪直升机技术的发展展望中，防冰技术作为影响直升机全天候飞行能力的一项，被提到议程上来。 直升机积冰的预防 直升机的防冰作为一项系统的复杂工程，涉及到直升机的设计、试验、飞行、指挥、气象、使用维护等各个环节，形成一个环环相扣的链，其中的任意一个环节把握不好，都有可能给飞行安全带来不便。总结已往的经验教训，主要应从以下三个方面搞好直升机的防冰工作： 5.1 做好飞行前的防冰准备工作 飞行前的防冰准备，主要应从三个方面做工作。一是露天停放直升机的地面除冰工作， 飞行前必须彻底检查和清除积冰和霜。在东北、西北等冬季气温较低的地区，直升机露天停放极易造成积冰或霜冻。因此应注意及时涂撒防冻液或者利用机载防冰系统驱除冰霜。另外借助于地面加热器、红外暖气炉等对直升机进行起飞前暖机，根据气象情况应适当延长加热暖机时间。如MI -171 直升机在－40℃以下气温时，要求起动前用80℃以下的热空气暖机，暖机时间不少于30分钟。各型直升机的加温暖机时间均有严格的规定。应参照执行。二是按维护规程的要求，仔细检查机载防冰系统的工作情况。三是认真研究航线天气及可能积冰的情况作，好防积冰准备是安全飞行的重要措施。积冰主要发生在有过冷水滴的云中，较强的积冰多发生在云中温度为的－5℃～＋5℃区域内。因此飞行前应仔细了解飞行区域的云、降水和气温分布情况，特别是－5℃～＋5℃等温线的位置，根据飞行速度、航线高度等条件判明，可能发生的积冰区域，确定避开积冰区域的方法。 5.2 飞行中采取正确的处置措施 积冰的飞行实践经验和资料统计结果表明，产生积冰的季节主要在冬季，最易积冰的高度是4500米以下的云中，飞行高度在3000米左右最多，在锋区附近或穿越锋区时积冰的概率最大，当有冻雨或湿雪时则积冰更多。因此飞行中遇到积冰时（通常伴有颤动、燃气温度上升、重量增加、速度减小或功率下降等现象）首先应按照飞行前确定的预案脱离积冰区。如必须通过积冰区域，应选择积冰强度最弱和通过积冰区最短的航线，并做好除冰的准备，提前打开除冰装置。由于接通防冰系统时，发动机的功率会减小7％ 左右（不同机型发动机功率下降的值不同），因此，同时应尽量避免急转弯、急剧上升或小半径的机动。 5.3 研制开发新型有效的防冰探测和除冰装置 已经应用和开发的直升机防冰系统，在防止积冰上起到了很好的效果。但仍然普遍存在着费用昂贵、重量偏大（例如Mi-171直升机仅积冰信号器、旋翼集电器和程序机构的重量就达16公斤，加上电缆的重量，足以达到几十公斤）、效率较低等问题，使防冰技术的现状仍滞后于直升机的发展水平，成为制约直升机市场发展的一个重要因素之一。因此，跟随直升机的发展水平，必须研制开发更加有效的新型防冰探测和除冰装置。 结论 直升机的防冰技术近几年在稳步发展，预计更先进的技术也会问世。但是冬季飞行的难题是大自然，无论今后有何先进技术问世，安全对策一刻也不能放松。只有紧紧抓住一些防冰技术的发展动向，进一步完善防冰系统，强化防冰管理体制，才能确保安全飞行。 参考资料 |
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