从全美航空405号班机空难看飞机除冰防冰适航性

1、从全美航空405号班机空难看飞机除冰防冰适航性摘要：飞机结冰一直是导致飞机安全事故的一个重要因素。据统计由于结冰引起的飞行事故占飞机重大安全事故的9%。随着航空工业的不断发展，飞机的除冰和防冰技术受到越来越多的重视，有关飞机除冰防冰的适航性要求也越来越严格。本文从全美航空405号航班空难出发，对空难事故原因进行相应的分析，阐述了本次空难引发的相关适航条例的改变和飞机除冰、防冰技术的发展。之后再对如今飞机除冰、防冰技术（包括地面除冰和飞行过程中的除冰）进行了详细的探讨。最后，文章介绍了现阶段对飞机除冰、防冰技术的适航性要求，并对飞机除冰防冰适航性进行了展望。关键字：空难、适航性、除冰、防冰、飞行

2、安全目录一、全美航空405号班机空难现场回顾1二、空难原因分析3三、空难产生的后续影响4四、飞机除冰防冰相关技术51、除冰液技术52、红外线加热技术53、除冰车技术7五、飞机在飞行过程中除冰81、飞机空中结冰的原理82、飞机空中结冰的危害83、飞机空中除冰防冰技术10六、飞机除冰防冰适航性的现状与展望121、CCAR对除冰防冰适航性要求122、除冰防冰适航性展望12图目录图 1 事故现场图2图 2 红外除冰技术7图 3 除冰车除冰7图 4 A、B、C三种冰型图9图 5 不同冰型对升力系数的影响9图 6 不同冰型对阻力系数的影响10- 3 -飞行器适航基础论文一、全美航空405号班机空难现场回顾

3、1992年3月22日，发生了一起“特别”的空难全美航空405号班机空难。事故造成全机毁坏，机载的51人有27人不幸遇难。这次空难之所以“特别”是因为它导致了飞机除冰程序的多项改进。这次空难的肇事飞机为福克F28-4000系列。这事发当天，航班准备从纽约州拉瓜地亚机场飞往俄亥俄州克里夫兰霍普金斯国际机场。拉瓜地亚机场的天气报告表明，这夜，天气状况恶劣，所有滑行道上都覆盖了薄薄的一层雪。起飞前地勤人员于是使用I型除冰液对飞机进行除冰，在此期间天气并未有所好转。除冰完成后，两辆除冰车之一出现机械故障，接近二十分钟无法移动，飞机因此受到延误。当除冰车修理完成，机长再次请求进行除冰。第二次除冰完成后，拉

4、瓜地亚机场地面控制人员允许班机滑行至第13跑道。机组人员在滑行时完成了飞行前检查表。起飞前，机长和副机长都没有在机翼和专门为了方便目视除冰情况的黑色带上发现残冰，于是放弃了进行第三次除冰操作的打算。全美航空405号班机已经延误了几个小时，然而在滑行至跑道的过程中遇到机场流量控制。恶劣的天气给拉瓜地亚机场带来了巨大的压力，在跑道头等待起飞指令的飞机排起了长队。在空管员放行后，机组人员开始准备起飞。从起飞一直到抬升机头时一切如常。忽然，飞机就像失去升力一样。机长尝试使机翼保持水平，机组尝试使用右舵来操控飞机使其返回地面。就在起落架离开地面五秒钟之后，飞机的左机翼与沥青跑道产生长达110英尺的摩擦，

5、并触发了振杆器（提示航速过低），在飞机先向左倾、后右倾，最后再左倾后，机组人员收到六次失速警报，此时距离地面仅有数米。飞机撞击了两个目视进场斜率指示杆后以着陆姿势再度航行了约100英尺。不及机师再次爬升，飞机撞击了仪器着陆系统（ILS）的信号塔和一个水泵房。在机身撞击到法拉盛湾的岸边之前，左翼从机身脱落，最后倒置坠落于法拉盛湾。部分机身和驾驶舱浸没在水中。一些旅客只受到撞击带来的皮外伤或者不致命的伤害，但是迷失方向和无法解开安全带最终导致了他们的溺毙。图1是展示的事故现场。图 1 事故现场图二、空难原因分析经过调查，得出的结论是冰层堆积在机翼上，这是事故发生的主要原因。拉瓜地亚机场两次除冰的过

6、程不存在问题，然而距离最后一次除冰和起飞之间相差三十五分钟，而起飞的过程导致雪在低于冰点的情况下持续在机翼堆积。机翼上堆积了冰层，而这层冰扰乱了气流，减小了升力。调查人员发现F28系列飞机的机翼设计中存在的瑕疵使它们极其容易受到冰的影响。由于机翼存在角度，即便是机翼上堆积了很少的冰都可能导致灾难性的后果。调查结果显示，在冰粒直径为一至二毫米间、冰粒密度为每平方厘米一粒的情况下，飞机的升力会减少超过百分之二十。福克公司在事故前发布的文档就详细地说明了冰对于F28系列飞机的机翼存在的潜在影响，并警告称机翼上很少量的冰就可以导致飞机“失控并翻转”。 另外，调查发现机师在119节时即开始仰转，早5节于

7、正常仰转速度，这也是事故发生的原因之一。三、空难产生的后续影响事故后美国国家运输安全委员会（NTSB）向美国联邦航空局（FAA）提出多项建议，其中包括要求“机组人员以及对飞机机翼检查的地勤人员应受定期教育以知晓机翼污染，以及在不同光照情况下不同程度的污染的外在表现。”他们还要求“航空公司需要建立一种告知机组人员除冰液的种类、当前的湿气堆积速率以及延期时间的机制。”至于事发时飞机撞击的障碍物，NTSB则要求拉瓜地亚机场修改或者更换“所有临近第13跑道的水泵房，以使其不会对飞机造成障碍”，并且要求对于“为拉瓜地亚机场建立易碎的仪表着陆系统天线阵列的可行性”进行研究。之后，美国联邦航空局开始研究改进

8、机场的除冰措施以减少由于积冰造成的事故。在1992年5月28日，专家被邀请到弗吉尼亚州莱斯顿参加国际地面除冰会议。在会议上，长、短期除冰方式都经过了讨论，并最终达成了共识。联邦航空局的报告说：“更好的了解飞机在地面除冰和防冰程序是履行安全改进的重要先决条件。为了达到这个目标，本局赞助了一个能使国际航空业者交换想法、提供多个问题的安全建议的会议。有超过750名与会者一同探讨了关于飞机除冰的多个问题，并逐一检验了可行方案。”据报道，会议探讨了多种种类的除冰液，以及多种除冰的技术设施。专家们还发现机长有绝对的权利可以要求起飞，但所有的操作员都必须受训以能够给机长提供准确的信息以供其参考。会后，美国联

9、邦航空局修订了规章制度，要求所有的航空公司都必须在存在冰、雪及雾的情况下使用航空局批准的地面除冰液或者地面防冰液；要求航空公司按进度每年提交除冰和防冰方案。提交的除冰和防冰方案应包括：防/除冰液的使用和飞机起飞前5分钟的飞机关键工作面上的结冰检查。四、飞机除冰防冰相关技术1、除冰液技术为防止此类事故的发生，最有效的办法就是恐怕就是使用除冰液对飞机进行除冰和防冰。飞机除冰、防冰液主要用于寒冷气候下，清除和防止停泊的飞机表面凝结的冰、雪、霜等沉积物，以保证飞机在冬季能够安全起降。目前，国际航空普遍采用的飞机除冰液是以乙二醇、丙二醇等多元醇等为主要原料，这些醇可使冰点下降摄氏几十度，起到溶解冰雪和防

10、止结冰的效果，而除冰液中还有表面活性剂、缓蚀剂等成分，以满足提高飞机表面疏水性、增稠、提高除冰效率、抑制金属腐蚀等要求。目前国际上将飞机除冰液分为4种类型：I型、II型、III型和IV型。I型除冰液是用作除冰液的未经稠化的液体，既可用来除去冻结污染物，也能提供短时间的防冰保护。冰点较低，除冰能力较强，但其防冰时间较短；使用时必须加热后喷洒，并按照制造商的使用说明用水进行稀释。II、III和IV型防冰液是稠化后的液体，用于防止污染物的形成或聚积。与I型除冰液相比，II、III和IV型防冰液防冰保护时间大大延长，使用时不经加热直接喷洒，但需要特殊的抽吸设备以防止降解，其组成成分和I类除冰液相似，但

11、含有增稠剂。II 型和IV 型防冰液通常用于飞行速度大于100海里/小时的飞机，而III型防冰液通常用于飞行速度较低的飞机，如螺旋桨推进的飞机。但是，飞机除冰、防冰液含大量有机物，在使用过程中直接排放到机场地面，对机场周边的生态环境可能产生不良影响。另外，除冰液附着于机翼上，会对飞机的空气动力性能产生一定的影响。由于除冰液的使用有其不利的一面，于是，研究人员对更多的飞机除冰技术进行了相应的研究。2、红外线加热技术红外线加热技术是将天然气或丙烷点燃并转化为红外热能，利用红外线加热原理产生热能对飞机表面除冰。红外线加热飞机外壳时，不会穿透机身或玻璃窗，也无任何对人体有害的紫外线辐射。红外线是肉眼不

12、可见的，并且以直线从热源到受热点直线传播，而周围的空气温度不会升高过多，这样减少了热量的散失。当红外线射中了目标物体，能量以热能的形式释放，释放出的热能或是被物体表面吸收，或是被反射。能量不断在“热”和“冷”的区域传播，直到这些区域的温度相同为止。目标表面越冷，红外线越能有效传播热量。热量传导的机制实质上比传统的除冰机制要快。目前采用红外线加热技术对飞机进行除冰主要有两种方式：红外线加热器是固定的，它安装在红外除冰飞机棚内；红外线加热器是可移动的，它安装在带支臂的除冰车上。采用固定的红外加热器为飞机除冰的方法，其设备包括一个主表面；一个用于提高上述主表面温度的加热器或燃烧器；一个围绕上述主表面

13、，与其隔开距离并由主表面的红外辐射线加热，再向目的物发射第二波长红外辐射线的辅助表面；以及一个改变主表面与辅助表面之间距离的致动器。各加热器以一种波长向飞机发射红外线，这种波长正好与要除掉的物质能够最大限度地吸收的波长吻合。同时，为了保证飞机能安全飞行，还必须在飞机上的雪和冰已经融化之后，在飞机各部分涂覆一种防止结冰的化学物质。目前主要是美国和挪威等国的部分机场，比如美国新泽西州的Newark 机场，威斯康星州的Rhinelander-Oneida 机场和挪威的Oslo 机场采用了该红外线加热技术对飞机进行除冰。对于红外加热器是可移动的，它是把红外加热器安装在除冰车的支臂上，这样可以调节红外线

14、加热面板到飞机表面的距离，方便的对机翼，尾翼和机身各部分进行除冰。红外线加热该面板上装有红外传感器，它能监测从被辐射区散发的热量，然后将热量数据传递给温度控制器。温度控制器然后将所得数据与所需数据进行比较，以此通过控制气阀来调节原料气体流量从而达到调节温度的目的。图 2 红外除冰技术3、除冰车技术飞机除冰车辆也在事故后得以升级。现时除冰车辆通常拥有一个罐车，罐内包含除冰液，以及稀释除冰液的水。通常车辆还有一个车载式吊车，方便操作人员更加全面地清理飞机表面的积冰。通常情况下，一辆新型除冰车辆完全清理一架波音737系列客机需要不到十分钟。图 3 除冰车除冰五、飞机在飞行过程中除冰从上文可知，飞机在

15、飞行前需要有严格的除冰措施。同样，飞机在飞行过程中的除冰和防冰措施也是不容忽视的。1994年10月31日，西蒙斯航空公司4184航班从印地安纳波里斯到芝加哥，飞机在有利于积冰的气象条件下等待了30分钟，突然翻滚并从大约10000英尺的高度坠下，猛冲入豆子地里，机上68人顷刻死去。同样的事故还有美国大陆航空3407号航班，美鹰航空4184号班机，等等。1、飞机空中结冰的原理飞机积冰是指飞行中过冷水滴在飞机表面迎风部位的冻结现象。过冷水滴是指在冻结温度以下仍处于液态状态的普通水滴，它存在于T0C的云中，温度可从0C-40C之间变化。通常，过冷水滴越小，其冻结的温度越低，其冻结过程主要由机械性的扰动

16、而触发，在云中飞行的飞机就具备这种条件。由于过冷水滴是处于一种极不稳定的液态状态，当飞行中飞机机体表面温度低于零度时，碰撞就会使过冷水滴立即冻结起来。由于飞机上较小的物体有较高的聚集效率，过冷水滴首先在小的、薄的物体上聚集成冰，然后在较大的、较厚的表面上聚集成冰。一旦冻结过程被触发，冰能迅速地形成，尤其在机体表面的迎风部位。飞机表面的结冰量、结冰区域以及所结冰层的形状，主要取决于气象因素和空气动力因素。2、飞机空中结冰的危害结冰会产生很多不利的影响：破坏了飞机周围空气流动的流线性，导致飞机气动力特性恶化，升力减小，阻力增大，最大升力迎角减小；发动机功率减小，甚至停车；传感器失真，仪表指示失常；

17、影响飞行员视野导致误操作；危及飞行安全，导致灾难性事故。据统计，由于结冰而引起的飞行事故占飞机重大安全事故的9%。飞机在不同的飞行气象条件下所结冰型是不一样的。下面是三种不同冰型对某翼型升阻特性的影响。图4是翼型前缘放大图及三种冰型，分别是尖头体A 冰型、钝头体B 冰型和双角体C冰型。图 4 A、B、C三种冰型图图5和图6分别给出了Ma=0.2，Re=6106时的升力系数和阻力系数曲线图，分别是干净翼型与三种结冰翼型的计算结果对比，可以看出钝头体B 冰型和双角体C 冰型对升阻系数的影响较大，而尖头体A 冰型的影响相对要小。图 5 不同冰型对升力系数的影响图 6 不同冰型对阻力系数的影响可见，飞

18、机积冰会对飞机的空气动力学性能造成很大的影响。另外，对长途飞行的喷气式飞机来说，燃油积冰是一个重要问题。长途高空飞行，机翼油箱里燃油的温度可能降至与外界大气温度一致约为-30C。油箱里的水在燃油系统里传输的过程中很可能变成冰粒，这样就会阻塞滤油器、油泵和油路控制部件，引起发动机内燃油系统的故障。3、飞机空中除冰防冰技术飞机的冰防护系统分为防冰系统和除冰系统。防冰系统是不允许飞行器表面产生冰的系统，在结冰发生前启动，通常采用化学或加热原理。化学原理是在需防冰的表面喷洒化学试剂，降低表面水的冻结点；加热原理是使需防冰表面温度高于冻结点，使水滴无法冻结。除冰系统是发现飞机部件结冰后将冰移除的系统，发

19、生在一定数量冰结成之后，通常采用机械或热力原理。飞行员一旦发现结冰现象，启动除冰系统，将应力或热量传到除冰区表面，破坏冰层和固壁表面之间的黏附应力， 在气动力或离心力作用下，达到除冰目的。根据除冰采用能量方式的不同，可分为机械除冰装置、微波除冰装置和电热除冰装置，等等。下面是对防冰、除冰技术的一些介绍：（1）发动机压气机引气的热气防冰系统：主要用于机翼、尾翼前缘和发动机进气道唇口和进气部件的防冰，通过热气的加热使防护表面的温度达到结冰条件下过冷水滴的蒸发温度，从而避免过冷水滴在结冰表面的冻结结冰。（2）周期性气囊式除冰系统。利用发动机引气供给气囊气动通道，使之周期地膨胀或收缩，破坏冰层与表面力

20、的结合，再在气动力的作用下达到除冰的目的。主要用于机翼尾翼前缘的除冰，需要的引气比热气防冰系统小很多，当防冰热气供给不足时，可作为替代的结冰防护措施。（3）电热防/除冰系统，既可以持续加热起防冰作用，又可周期性加热作为除冰系统。主要用于螺旋桨桨叶、整流帽罩和风挡的防除冰。六、飞机除冰防冰适航性的现状与展望1、CCAR对除冰防冰适航性要求目前，适航管理部门已对除冰防冰的重要性有了比较深刻的认识，并对飞机的除冰处防冰系统提出了严格的要求。下面是CCAR中对飞机除冰和防冰适航性要求的展示。CCAR中的条款涉及到飞行、设计构造、动力装置、燃油系统、载人和装货设施、仪表安装、灯、安全设备等部分，一般分为

21、以下几类：（1）明确的功能性要求。如25部975条燃油箱通气和汽化器蒸汽排放中，要求系统必须有防止在结冰条件下堵塞的措施。25部1323、1326条中要求空速指示系统必须有加温或等效手段防止其在结冰条件下失灵，同时对加温系统的故障提示功能做了明确要求；25部1403条机翼探冰灯中，规定当飞机在夜间作业时，必须有措施来照亮或以其它方式确定机翼临界部位的冰积聚情况。（2）要求其它的系统在设计时必须考虑到结冰条件。如25部253条中，高速特性要求在结冰条件下，飞机具有稳定性的速度应该满足相应的要求。25部1325条中，静压系统要求飞机的静压孔在附录C的结冰条件下，系统内真实压力和外界的真实压力间的关系不变。25部773条驾驶舱视界中，要求考虑结冰对飞行员视界的影响，结冰条件下不需要进行持续的关注，飞行员就可以获取宽阔的视野，如果需要还应进行结冰条件下的飞行验证。（3）对飞机防冰系统的要求。在对防冰做出详细指导性说明的是CCAR25.1419。CCAR25.1419中指出了飞机申请结冰条件下的飞行验