飞机结冰现象及机理Word文档格式.docx
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对于全天候的直升机,其旋翼也应防冰。
根据结冰防护所采用的能量方式不同,将其分为机械除冰系统、液体防(除)冰系统、气热防冰系统、电热防(除)冰系统等。
1.1.2飞机结冰种类
云层中的水滴和冰晶常有许多不同的类型,水分子的排列决定了冰晶体的不同外形。
由于飞机结冰时的具体条件不同,因此飞机结冰的类型也不相同。
根据长期观测,飞机结冰按其结构、形状、对飞行的影响程度分为四类:
毛冰(RimeIce)、明冰(GlazeIce)、混合冰(MixedIce)和霜状冰(Frost)。
1)毛冰
毛冰,即霜冰,又称为“不透明冰”和“乳白色冰”,它是指过冷水滴接触飞机表面还没来得及扩散就完全凝结形成的冰,通常发生在气温相对较低(低于—10℃)、水滴尺寸较小、液态水含量较低以及飞行速度较慢的情况下。
图1-2所示为冰风洞实验条件下的毛冰(霜冰)冰形。
毛冰的外形与机翼前缘的形状比较吻合,呈相对较为规则的楔形,又称为“楔形冰”。
毛冰白色不透明,呈粗糙块状;
若将其敲碎,将分裂成许多不规则的块状。
由于水滴几乎是立即凝结,因此在毛冰的每个冰晶颗粒之间存在着一定量的空气并维持半球状。
使其具有粗糙的外型和不透明的品质,并且密度和强度都较低。
相对明冰而言,毛冰容易被除冰装置清去。
由于粗糙和不规则的质地,毛冰会降低升力面的气动效率。
图1-2毛(霜)冰冰形
2)明冰
明冰是一种透明状的冰,也是较为危险的一种冰。
图1-3为冰风洞实验条件下的明冰图片及其截面的冰形。
明冰一般在气温相对较高、水滴尺寸较大、液态水含量较高以及飞行速度较大的条件下形成。
对于明冰,较大的液态水滴撞击飞机表面后并不是全部凝结,而是有部分液体沿飞机表面向后移动,直到全部凝结或者由于蒸发传质的作用而蒸发。
由于环境温度较高,水滴在冻结中的潜热不易被散掉,故其冻结速度缓慢,这就使水有机会在气动力作用下向后方流散形成较长的冻结范围;
由于冻结速度缓慢,水滴更紧密地堆积在一起,可以将空气泡排除得比较干净,因此明冰密度比毛冰大,这也是明冰光滑透明、组织致密的原因。
另外,明冰更结实,不易被清去,且形状更不规则。
如图1-3所示,由于溢流和冰形的增长,在机翼前缘容易形成两个冰角,也称为“槽状冰”。
这种冰形会严重破坏飞机的气动外形,对空气沿机翼表面的流动造成较大影响,导致阻力上升、升力下降以及临界攻角减小,其危害性极大。
图1-3明冰冰形
3)混合冰
毛冰和明冰经常是理想化的描述。
实际上,经常见到的是混合冰,其同时具有毛冰和明冰的性质,即前缘驻点中心区是透明的明冰,后部则被毛冰冰羽包围。
图1-4表现了冰风洞实验条件下的混合冰图像及其冰形。
混合冰可形成于-10~-20℃的云层中,云层同时含有液态水和冰晶时也会形成混合冰。
由于表面粗糙,形状不规则,加之在表面上冻结的十分牢固,因而混合冰对飞行的危害并不亚于明冰。
图1-4混合冰冰形
4)霜状冰
霜状冰不是由过冷水滴冻结而成,它是指当机身温度低于周围空气水蒸汽分压对应的冰点,空气中的水蒸气不经过液态,直接冻结在飞机表面的一种飞机结冰形式,又称为凝华结冰。
霜状冰的形状与地面物体上形成的霜近似。
霜出现于晴空飞行中,当飞机从寒冷的高空迅速下降到温暖潮湿但无云的气层,或从较冷的机场起飞,穿过明显的逆温层时水蒸汽凝结便会形成。
霜状冰的维持时间不长,机体增温后消失。
虽然霜状冰很薄,而且振动时容易从飞机表面脱落,但它对飞行依然有影响:
座舱风挡玻璃上结霜会影响视野;
机翼上结霜后对空气动力性能也有显著影响。
为了更为直观的表现毛冰与明冰的区别,将其结冰条件与特征的比较列于表1-1中。
表1-1毛冰和明冰的比较
结冰条件与特征
毛冰
明冰
温度
低:
低于-10℃
高:
0~-10℃
液态水含量
低
高
水滴尺寸
小
大
空速
密度
颜色
乳白色/不透明
有光泽/透明
表面质地
粗糙
光滑
溢流
没有
有
强度
易碎的,脆弱的
坚硬
冰形
流线型/光滑
单角或双角冰
1.1.3结冰部位
结冰部位是指飞机在飞行过程中可能聚积冰层的表面或者部件。
飞机在结冰气象条件下飞行时,所有部件的迎风表面上都有可能被过冷水滴撞击上,产生结冰现象。
主要结冰部位包括飞机风档,机翼、尾翼与发动机进气道的前缘,空速管,雷达天线罩等,如图1-5所示。
对于直升机与螺旋桨飞机,其旋翼也会发生结冰。
图1-5飞机结冰防护区域
1.1.4结冰强度
结冰强度是指单位时间内机体表面所形成的冰层的厚度,也称作结冰速率,单位是mm/min。
美国联邦航空条例(FAR)和航空信息手册(AIM)将结冰强度划分为4个等级,用以说明结冰情况的严重性。
这种划分结冰强度的方法只有用结冰速率探测装置才能确定。
实际飞行中常用整个飞行过程中所结冰层的厚度来衡量,以厘米(cm)为单位。
这两种划分方法见表1-2。
表1-2飞机结冰强度等级划分
结冰等级
微量结冰
轻度结冰
中度结冰
严重结冰
单位时间结冰厚度(mm/min)
<
0.6
0.6~1.0
1.1~2.0
>
2.0
飞行过程所结冰层厚度(cm)
5.0
5.1~15.0
15.1~33.0
30.0
一般情况下,我们可以根据飞行状态的变化对飞机的结冰强度进行判断:
1)微量结冰(Trace)
这种程度的结冰速率很慢,稍大于升华。
对飞行一般不会造成威胁,因而不需要使用任何防冰系统,除非在定高度持续飞行时间超过一个小时。
2)轻度结冰(Light)
在没有任何防冰措施下,结冰发生并以一定速率增长,如果飞行时间超过一个小时,会对飞行造成威胁。
可以通过间断地使用防冰系统消除威胁。
如果持续使用防冰系统,则不需要改变飞行的航迹和高度,也没有空速的损失。
3)中度结冰(Moderate)
结冰速率较快,即使短时间遇到中度结冰也会有潜在的危险性,应使用防冰系统或者根据情况改变飞行航迹和高度。
在结冰持续的时期,可能会引起空速在一定程度上的损失,如持续时间较长则有可能发展到严重结冰。
4)严重结冰(Severe)
严重结冰时结冰速率快,对飞行造成直接威胁,已经很难通过防冰系统解决问题,飞机的性能继续恶化,需直接改变飞行路线。
如结冰持续,将对飞行性能和飞机的操纵构成严重影响。
应注意,由于飞机各结冰表面的形状不同,所以在相同结冰条件下,它们的结冰强度也会有所不同。
一般文献中给出的结冰强度是根据机翼的结冰强度给出的,再加上撞击在机翼表面上的过冷水滴沿翼型表面分布不均匀,因此翼型表面的结冰厚度也不相同,所以结冰强度多是以机翼前缘处的最大结冰厚度来划分的。
1.2飞机结冰气象条件
飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时产生结冰现象,结冰状况受飞机所处气象条件的影响,主要包括云的种类状态、云中过冷水滴含量、水滴粒径分布等。
1.2.1云的分类
国际规定,根据云底高度将云划分为四族(families):
低云、中云、高云和直展云。
世界气象组织1956年公布的国际云图分类体系又将云分为十属(genera),即所谓的四族十属,见图1-6。
低云有层积云(Sc)、层云(St)和雨层云(Ns);
中云有高积云(Ac)和高层云(As);
高云则有卷云(Ci)、卷层云(Cs)、卷积云(Cc);
直展云包括积云(Cu)、积雨云(Cb)。
图1-6云的垂直分布
需要指出的是,有些云属经常会伸展至其它层,如属于中云族的高层云可能伸展至高云族所在的层次,积云和积雨云能伸展至中云族和高云族所在的层次。
1、低云族(云底高度在2000米以下)
低云族是最靠近地面的,因而往往也是最容易被注意到的云。
低云族都具有层状云的特征,但这并不代表低空不会出现积状云,低空的积状云常常从近地面一路向上发展至高空,因而被归类为直展云族。
1)层云Stratus,St(如图1-7-a所示)
云体均匀成层,呈灰色很像雾,云底很低但不接触地面。
可降毛毛雨、冰针或米雪。
一般由直径5-30微米的水滴或过冷水滴组成,厚度多为400-500米。
云中飞行平稳,冬季可有结冰;
由于云底高度低,云下能见度也恶劣。
2)层积云Stratocumulus,Sc(如图1-7-b所示)
灰或微白,成块、成片或成层,差不多都有阴影。
排列如棋盘、圆块或滚轴状,都没有纤维结构,有时各云合并连接,有时分离。
范围有限,液态水含量高。
云中飞行一般平稳,有时有轻颠,可产生轻度到中度结冰。
3)雨层云Nimbostuatus,Ns(如图1-7-c所示)
雨层云低而漫无定形,云底因降水而模糊不清。
云层水平分布范围很广,常布满天空。
云层厚度达4000-5000米。
雨层云的下部一般由水滴或过冷却水滴组成。
北方出现的雨层云中,上部常由冰晶或雪晶组成。
云中飞行平稳,但能见度恶劣,长时间云中飞行可产生中度到强度的结冰。
2、中云族(云底高度在2000到6000米)
中云族分布的高度仅次于高云族,多由水滴、过冷水滴、冰晶或它们混合组成,有的高积云也可由单一的水滴组成。
1)高积云Altocumulus,Ac(如图1-7-d所示)
白色或灰色,常有阴影,为薄片、圆块、豆荚或滚筒状云所集成,有时具有纤缕或散乱状,大部分排列有序。
高积云由水滴或水滴冰晶混合组成。
在高积云中飞行,通常天气较好,冬季可有轻度结冰。
2)高层云Altostratus,As(如图1-7-e所示)
淡灰、微蓝色可分辨具有条纹纤缕均匀的云层,掩蔽天空。
云中飞行平稳,可产生中度到轻度结冰。
3、高云族(云底高度在6000米以上)
高云族分布的高度在对流层最高的区域,在这样高度的云一方面凝结量有限,另一方面由于云底高度高,温度低,所以全部是小冰晶组成的,一般不产生降水。
1)卷云Cirrus,Ci(如图1-7-f所示)
卷云是具有纤维状结构的云,通常为白色并带有丝一般的光泽,分散地漂浮在空中。
卷云由冰晶组成,因此在云中或云上飞行时,冰晶耀眼。
2)卷积云Cirrocumulus,Cc(如图1-7-g所示)
白色成片成层的小云块组成,无阴影,形状像米粒、涟漪、合并或分离,由大致排列有序的很小个体组成。
3)卷层云Cirrostratus,Cs(如图1-7-h所示)
透明、白色纤维状而均匀的云幕,掩盖天空全部或一部分,太阳或月亮光线通过时,常发生日、月晕现象。
4、直展云族
直展云族是一种垂直发展旺盛的云系,在垂直方向上它可以从近地面一直伸展到对流层顶附近。
它的云底是在低云族的范围内,可是云顶可以延伸至中云族甚至高云族的范围,反映出上升气流非常旺盛。
低云多由水滴组成,厚的或垂直发展旺盛的低云则是由水滴、过冷水滴、冰晶混合组成。
云底高度一般在2500米以下,但又随季节、天气条件及不同的地理纬度而有变化。
大部分低云都可能产生降水,雨层云常有连续性降水,积雨云多有阵性降水,有时降水量很大。
1)积云Cumulus,Cu(如图1-7-i所示)
孤立的云,大体浓密而且轮廓显明,垂直伸展如山丘,它的圆形或塔状云顶,有些类似花椰菜,有浓积云(TCu)和淡积云(Cu)之分。
淡积云对飞行影响较小,而浓积云则大得多,云中飞行常有结冰现象,由于云内水滴浓密,能见度十分恶劣,通常不超过20米。
2)积雨云Cumulonimbus,Cb(如图1-7-j所示)
浓厚庞大的云,垂直伸展非常强盛,形如大山或巨塔,通常云顶至少有一部分平滑,或呈纤维状或具有条纹,云底下面经常极为黑暗。
积雨云多由水滴、过冷水滴、冰晶、雪花组成,有时还包含有散粒、雹。
在云内有强烈的上升、下沉气流区,可观测到速度为每秒几十米的上升、下沉气流,并经常出现起伏不平的云底。
(a)层云(b)层积云
(c)雨层云(d)高积云
(e)高层云(f)卷云
(g)卷积云(h)卷层云
(i)积云(j)积雨云
图1-7各属云状
1.2.2云中的过冷水滴
过冷水滴是指温度低于0°
C却仍然保持液态的水滴。
当云体伸展到一定程度时,云中就会存在过冷水滴,它们一般出现在—40℃~0℃。
云层中过冷水滴存在的原因目前尚无确定的结论,该问题主要的解释可归纳为如下几点:
1、云中的液滴为溶液,溶液的冰点低
云层中的液滴是由水蒸气在上升过程中冷却并在凝结核的作用下形成的,它已经不再是纯水水滴,而是溶解了其它物质的溶液滴。
一般而言,溶液的饱和水蒸气压比纯水的小,并且溶液的浓度越大,饱和蒸汽压就越小,凝固时需要更低的温度。
因此,云中水滴的冰点要低于普通水的凝固点,它在0°
C以下仍保持液态,为过冷水滴。
2、液滴的半径小、曲率大
留存在云层中的液滴,其水滴半径一般为微米量级,它们的曲率很大。
由于表面张力的存在,凸曲面水滴内部的压力要比水平面时的压力大,并且曲率越大,内部压力也越大。
云层液滴有较大的内部压力,对凝固过程相当于增加了一个更大的附加压力项。
内部压力越大冰点越低,就需要更低的温度才能使液滴凝固。
3、冰、水分子结构上的差别
冰分子常以巨型分子的形式存在,如(H2O)2及(H2O)3等,其结构较水分子复杂而有秩序。
冰加热后,其巨型分子也通常是逐渐地被破坏。
如果将水冻结成冰,必须使水分子有充分机会排成巨型分子,否则就会以过冷却水形式存在于云中。
正因为形成冰需要较多的水分子碰撞排布机会,因此在云层中就有可能因为这种机会的缺乏导致过冷水滴的存在。
4、缺少凝固冰核
由凝固理论可知,水的凝固与水蒸气的凝结一样,也需要有充当水凝固作用的核,即冰核。
由于能够活化为冰核的物质在地球表面上的含量稀少,因而为大气提供作为冰核的微粒是比较有限的。
更重要的原因是,这些微粒只能在较低的负温条件下才能活化为冰晶,充当水凝固时的冰核作用。
因此,水滴可以保持在过冷至很低的负温条件下不冻结。
大量实践表明,云中的过冷水滴通常能较长时间保持液态,但受到扰动则极易变成冰。
因此,飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时,过冷水滴撞击到飞机表面后,便会发生冻结结冰现象。
1.2.3水滴粒径分布
实际上,云层中的液态水滴大小是极不一致的,它的变化范围可由几微米到几百微米。
为了对飞机结冰进行理论分析,可用单一参数来进行描述,其处理方法是用一个平均容积直径(medianvolumediameter,MVD)来代表。
平均容积直径:
所有小于这个直径的全部水滴所构成的液态水含量和所有大于这个直径的全部水滴所构成的液态水含量相等。
为了提高结冰分析的精度,一般也可以使用呈某种分布的若干种直径来代替实际情况,最常见的分布是Langmuir-D分布,如图1-8所示。
Langmuir-D分布采用由小到大的7种水滴直径来反映真实情况,每种直径的过冷水滴占有一定比例的液态水含量。
图1-8右侧三列数据分别表示序号、此序号的直径与MVD的比值、此序号直径过冷水滴液态水含量所占的百分比。
假设MVD为20μm,则序号1时的直径为0.31×
20=6.2μm,对应其所占的含量比为5%,依此类推。
将该分布下各个水滴直径分别进行结冰模拟,用其含量的百分比进行加权来表示实际情况下的结冰冰形,理论上,其冰形模拟精度要比用单一的MVD表示更为准确。
图1-8无量纲的Langmuir-D水滴直径分布
1.3影响飞机结冰的物理因素
飞机结冰的强度和发生的概率取决于许多因素,下面将对主要影响因素进行讨论。
1.3.1水滴直径
云层中的水滴往往大小不同,一般水滴直径的范围通常在2~50µ
m之间。
虽然更大的水滴也能存在,但需要特殊条件。
直径大于100µ
m的水滴一般都会以降雨的形式下落到地面。
水滴直径对过冷水滴撞击到表面的范围、撞击量及结冰冰形有重要影响。
一般情况下,云层中水滴的直径随着云高的增加而增大,大水滴的惯性较大,更容易和飞机相碰,单位时间内形成的冰层厚,结冰强度大(参见表1-3),有时甚至在防冰系统的防护区域外结冰。
平均容积直径小于15µ
m的水滴由于太小,会绕过飞机表面,所造成的结冰量很小,对整个结冰影响不大。
基于这点,小于15µ
m的粒子没有包含在美国联邦航空条例(FAR)中。
在其他条件相同时,水滴越大结冰强度越强。
表1-3不同水滴直径的结冰特征
种类
水滴直径
特征
10µ
m
结冰仅限于组件前缘的小区域内
中
m~30µ
结冰区向组件前缘的后方扩展,但是不会超过防冰系统的防护区
30µ
m~100µ
结冰区在防冰系统的防护区域之外
冻雨或毛毛雨
100µ
m~1000µ
部件表面形成很大的结冰溢流区域
传统的FAR结冰包线的水滴直径仅仅从15到50µ
m。
然而,已经知道存在的过冷水滴的直径可以达到3000µ
当过冷水滴的直径大于50µ
m时,被称为大过冷水滴(supercooledlargedroplets,SLD)。
直径在200~500µ
m之间的过冷水滴称为冻毛毛雨(freezingdrizzle),而直径在1000~3000µ
m的的过冷水滴称为冻雨/过冷雨(freezingrain)。
大过冷水滴的运动特性、撞击特性都与普通尺寸的不同,结冰区域和形成的溢流区都更大。
1.3.2液态水含量(LWC)
在影响飞机结冰的诸多因素中,液态水含量是最重要的一个。
在给定的温度和水滴直径下,液态水含量的增大将会使结冰类型从毛冰转化为明冰;
且当液态水含量很高时,过冷水滴会更容易撞击到机翼表面上,并向撞击极限的后方溢流。
一定量的空气中能够包含的液态水含量主要取决于温度:
温度很低时,云层中的水蒸汽将会凝结成冰晶,这样就会使液态水所占的比例减小,过冷水滴的数量也会减少。
当更多的液态水凝结成冰晶体或者干空气与云层混合后导致液态水蒸发时,LWC就会降低。
LWC会随着水滴直径的增大而减小。
云中的LWC越大,结冰强度也越大,飞机的危险性也越高。
云中的LWC超过1
时,会发生严重结冰。
积云是不稳定的大气运动形成的,空气运动和混合的程度比层云大。
剧烈的运动使积云包含的能量和温度都高于层云,因此积云也含有更多的过冷水滴。
不同的液态水含量大小与层云和积云中结冰强度的关系见表1-4,表中对应数据是在积云水滴直径为17µ
m,层云水滴直径为14µ
m时得到的。
此外,在没有凝结现象发生的云层中,LWC会随云厚的增加而增加。
表1-4层云和积云中结冰强度与液态水含量的关系
积云平均液态水含量(
)
结冰强度
层云平均液态水含量(
0.07
0.11
0.08~0.49
0.12~0.68
0.50~1.00
0.69~1.33
1.00
1.33
1.3.3空气温度
空气温度不仅决定了云层中的液态水含量,还影响着结冰过程释放出的潜热的散失,因此飞机结冰也与温度密切相关。
一般来说,飞机结冰发生在0℃~-40℃的温度范围内,其中尤以-2~-10℃的温度范围内出现频率最高,而严重结冰则主要出现在-8~-10℃的范围内。
有时云中温度略高于0℃,也会产生结冰,可能的原因是:
在云中相对湿度小于100%,飞行速度又不大的情况下,水滴碰到机体上后,强大的气流使水滴强烈蒸发而降温,若降温作用超过了气动加热作用,则机体表面温度降至0℃以下便会结冰;
或者是飞机在低于0℃区域飞行后,突然进入(如降低飞行高度)暖湿区域中,由于机体表面温度仍在0℃以下,于是水汽在机体表面凝华,形成一层薄霜。
此外,在喷气发动机进气口等部位,由于流经该处的空气发生膨胀冷却,温度可降低几度,也能产生结冰。
1.3.4飞行高度
飞行高度是指飞行器在空中至某一基准水平面的垂直距离,常用的表示方法有相对高度、绝对高度和气压高度等。
其中气压高度是根据标准大气表的大气压强与高度的关系推算出的飞行高度,它可由气压式高度表显示出来,仪器是基于空气静压来测量的。
把气压式高度表的气压刻度调到标准大气状态(101325帕或760毫米汞柱),所指示的高度称标准气压高度。
飞机远航、分层飞行等都需要一个统一的高度标准,以免发生事故,这时需要用标准气压高度。
随着气压高度增加直到11km,标准大气温度(ISA)一直下降。
在这个高度以上,ISA温度保持-56.5℃不变。
温度达到-40℃的气压高度是8.4km。
根据美国联邦航空管理局(FAA)飞机结冰手册,6.7km以上高度的结冰很少,因为这时已经没有足够的能量来维持LWC,而都是形成了冰晶。
对应6.7km气压高度的ISA温度是-28.6℃,因此,如果在6.7km以上气压高度遇到结冰,
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