《飞机表面结冰对飞机的影响及防护毕业论文》

1、西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 飞机表面结冰对飞机的影响及防护所属学院： 航空维修工程学院指导老师： 曹建华 职 称： 高工/副教授 学生姓名： 彭浩 班级、学号: 12503529专 业： 飞机制造技术西安航空职业技术学院制20014年10月10日西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书题目： 飞机表面结冰对飞机的影响及防护任务与要求： 1、XX XXX XX XXX XXX X X 2、XX XXX XX XXX XXX X X 3、XX XXX XX XXX XXX X X时间： 2014 年 06 月20日 至 2014 年 10 月 10 日 共 8 周所

2、属学院： 航空维修工程学院学生姓名： 彭浩 学 号： 12503529专业： 飞机制造技术指导单位或教研室： 西安航空职业技术学院 指导教师： 曹建华 职 称： 高工/副教授西安航空职业技术学院制2014年 10月 10日 毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字至根据指导老师的要求以及自己几年来的所学，并在图书馆及网上查阅大量的相关资料基础上，确定出几个论文的题目（手写）至向指导老师汇报前段准备情况，最后确定本次的论文题目，并开始着手整理相关资料（手写）至根据整理的相关资料，初步建立起论文的基本框架，并和指导老师讨论是否合适，修改完善（手写）至结合自己所学，

3、对所掌握的资料进行合理的筛选后，又专门前往图书馆查询资料，之后初步形成论文的初稿，并发送给指导老师，接受老师的指导（手写）至就指导老师对初稿指出的相关问题，尤其是论文格式问题，进行及时修改，并对论文所涉及到的理论问题进行了认真审查，修改后，将电子稿再次发给老师（手写）至就指导老师再次提出的相关问题进行修改，并经过多次讨论，形成满足学校要求的论文接受老师最后的修改（手写）至进一步完善论文，打印，提交，等待论文答辩（手写）教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。题 目【摘要】本论文主要阐述了（宋体，小四）关键词： 关键词一关键词二（宋体，小四）目 录 TOC

4、 o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc305700499 1 概述 PAGEREF _Toc305700499 h 3 HYPERLINK l _Toc305700500 2 XXXX PAGEREF _Toc305700500 h 3 HYPERLINK l _Toc305700501 2.1 XXXXX PAGEREF _Toc305700501 h 3 HYPERLINK l _Toc305700502 2.1.1 XXXX PAGEREF _Toc305700502 h 3 HYPERLINK l _Toc305700503 2.1.2 XXXX PAGEREF _

5、Toc305700503 h 3 HYPERLINK l _Toc305700504 3 XXXX PAGEREF _Toc305700504 h 4 HYPERLINK l _Toc305700505 3.1 XXXXX PAGEREF _Toc305700505 h 4 HYPERLINK l _Toc305700506 3.1.1 XXXX PAGEREF _Toc305700506 h 4 HYPERLINK l _Toc305700507 3.1.2 XXXX PAGEREF _Toc305700507 h 4 HYPERLINK l _Toc305700508 4 总结 PAGER

6、EF _Toc305700508 h 4 HYPERLINK l _Toc305700509 结 束 语 PAGEREF _Toc305700509 h 5 HYPERLINK l _Toc305700510 谢 辞 PAGEREF _Toc305700510 h 6 HYPERLINK l _Toc305700511 文 献 PAGEREF _Toc305700511 h 71 概述飞机在空中飞行时，在翼面前缘和发动机进气道内易发生结冰,致使飞机操稳特性恶化，甚至造成机毁人亡,因此了解结冰对飞行的危害、预测结冰的特性和发展消冰防冰方法，对于保证飞行全安极为重要。飞机在结冰气象条件下飞行时在飞

7、机机翼前缘发动机进气道和压气机叶片上在涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨桨叶上在驾驭舱风档玻璃以及在测温、测压的各种传感仪器探头上，常常会遇到结冰的现象。飞机结冰后，不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机的气动外形，因而阻力增加，飞机操纵性、稳定性下降；仪表、仪器结冰后，会导致指示失常，如结冰严重时还可能出现严重的飞行事故。2 飞机的结冰现象及探测 飞机的飞行环境主要是对流层。在对流层，空气上下对流剧烈并有云、雨、雾、雪等天气现象。在飞行过程中，特别实在穿过云层和降雨区时，往往会遇到水雾甚至是过冷水滴。水雾或者过冷水滴很容易附着在记忆、尾翼、螺旋桨桨叶前缘及座舱玻璃等处，只要温度足够低，他们就会凝结成冰，

8、这就是飞机的结冰现象。着不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机的气动外形，增加了阻力，结冰严重时会给飞机正常飞行带来困难。既然结冰现象对飞机来说是有害的，则及时发现和预测结冰现象就变得非常重要。这个工作由结冰探测系统来完成。2.1 飞机结冰的三种形式 飞机在飞行过程中之所以会结冰，是因为大气含有不同相态的水分子，这是飞机结冰的前提条件。根据结冰时的具体情况，飞机结冰可以分为三种形式。 干结冰飞机在热带区域飞行，当遇上冰晶云（由冰晶体组成的云）时，冰晶体就会沉积在飞机表面而结冰，这种现象称为干结冰飞机干结冰。现象很少遇到，一般无危险，但发动机进气道拐弯处和进气部件表面发生的干结冰现象，积聚的冰晶进

9、人发动机后，会损坏压气机叶片或使发动机熄火，具有一定的危害性。 凝华结冰 凝华结冰是指大气中的气态水不经过液态相直接冻结在飞机表面上的一种结冰现象。因此，只要温度条件具备，在无云的大气中也可以发生。升华结冰只要飞机表面温度与周围气温平衡时，冰层便能很快地被融化消失，故不存在危险。 2.1.3 滴状结冰 滴状结冰又称水滴结冰，是大气中的过冷水滴撞击在飞机表面上而冻结的一种结冰现象。撞击在机体表面的过冷水滴，其冻结的速度是十分迅速的，几乎是立即冻结。图1-1 飞机表面积冰的形状则主要取决于云层中的水滴直径、大气温度及飞行速度。高速飞行，飞经单位体积内过冷水滴多而大、过冷却程度较小的云中时，易形成如

10、图l-1(a)所示的“双角状冰”。“双角状冰”通常透明坚硬，增长很快，冻结牢固，不易破除，对飞机气动性能影响很大，对飞行安全具有严重的危害性。低速飞行，飞经单位体积内过冷水滴少而小、过冷却程度较大的云中时，飞机表面的积冰形状通常呈现粒状或多孔的白色不透明冰层，称作“矛状冰”（图1 -1( c ) ）。该冰结构较“双角状冰”为松飞机振动和颠簸时易脱落，对飞机气动性能和飞行安全影响较小。介于两者之间的，多形成所谓的“中间冰”（图1-1 ( b ) ) ，其危害程度和增长速度介于“双角状冰”和“矛状冰”之间。图1-1 图1-1 因为结冰现象对飞机来说是有害的，则及时发现和预测结冰现象就变得非常重要当

11、飞机进入结冰区域或产生结冰现象时，结冰信号器就开始工作。它一方面可以向机组发出结冰警告信号，另一方面能自动接通防冰系统进行防冰或除冰工作。结冰信号器一般分为驾驶员直观式和自动结冰信号器两类。相对来说自动结冰信号器的工作可靠性不是很好，而直观式结冰信号器及简单又好用，采用较为普遍，但驾驶员的工作负担比较重。探冰棒探冰棒是最简单的直观式结冰信号器。由于它尺寸小，在轻微结冰条件下便会结冰。一次，在探冰棒的旁边通常有聚光灯，以保证夜间飞行时能监控探冰棒的结冰状况。 探冰灯 探冰灯是探测结冰的辅助设备。探冰灯是一种专用的聚光灯，外形和普通灯差不多，一般装设在机身中部机翼前方的左右两侧。当探冰灯接通后，灯

12、光会照射到整个机翼前缘，以便观察结冰情况。 自动结冰探测器 自动结冰探测器既可以向驾驶员发出进入结冰状态的吧、信号，也可以自动的接通防冰系统，使其工作。根据原理的不同可分为：机械式、压差式、导电式、射线式、红外线式等。3 结冰强度及冰形在结冰气象条件下飞行时，飞机所有部件得迎风面上都可能出现结冰现象。但通常情况下，结冰对飞行影响的程度最终取决于结冰强度和结冰形状。3.1 结冰强度结冰强度就是冰在飞机部件上的形成速度，以每分钟增长的厚度表示。结冰强度与飞行速度、气象条件及飞机部件折外形有关，由于各部件外形不同，所以在同样的飞行和气象条件下，各部分的结冰强度是不同的。结冰强度客分为弱、中度、强、极

13、强四个等级。结冰强度并不能完全表达飞机结冰的严重程度，如飞机处于小范围雨积云的极强结冰条件下飞行时间很短，结冰强度虽然很大,但结冰量不会很厚；相反，如飞机处于弱结冰条件下飞行时间很长，则冰层可能很厚。所以，总的结冰厚度也是一个非常重要的概念，因而引入结冰程度这一概念。 所谓结冰程度，是指在结冰条件下的全部飞行时间内，飞机表面所结冰层的最大厚度。显然，结冰程度是冰的生成速度和飞机飞过结冰区域的时间的函数。3.2 飞机结冰冰型由于飞机疾病史的具体条件不同导致结冰层的形状也不同。不同冰型对飞行影响也不一样。因此需要对冰型的形状做详细的讨论。机翼前缘冰型按外形可分为三种，分别是楔状冰、混合冰和槽状冰。

14、楔状冰（小四号宋体，固定值 20磅）楔状冰透明度比较差，多程乳白色，无光泽所以一些资料也称它“不透明冰”、“无光泽冰”、和“乳白色冰”；又由于它很像冬季地面上的雾凇，所以又被称为“雾凇”或“结晶冰体”，如图3-1图3-1 楔状冰的显著特点是，在结冰表面上的分布范围小，仅在机翼前缘很狭窄的区域上形成，另外冰的比重也较小，约为2000-6000N/m2。这类冰在温度比较低（-20左右）和过冷水滴较小的云层中形成。由于水滴尺寸要求小，所以在表面上的撞击范围小，加之温度低，所以冻结过程中的潜热要比热损失小得多。因而它们的冻结速度十分迅速，以致在过冷水滴的外形尚未破坏时，就已经冻结在表面了。撞击区小加上

15、无向后的流散，所以其冻结范围狭窄，由于冻结迅速，所以水滴之间保持有空隙，其中气泡来不及排除，因而具有像砂纸一样粗糙不平的表面。楔状冰组织比较松脆，所以比较容易脱落。但一旦冰层结的很厚，又加上表面比较粗糙，她会对飞行带来较大的危害。 （2）混合冰（小四号宋体，固定值 20磅）由于混合冰表面粗糙，所以又得名“毛冰”；又因色泽类似于白瓷，所以也有称其为“瓷冰”的。如图3-2图3-2 混合冰的主要特点是：其冰层表面粗糙不平且与机体表面的连接十分牢固，此种冰多形成于-10-20的云中，因云中大、小水滴并存，所以形成的冰既具有大水滴结冰的特征，又具有小水滴冻结的特点。如果云中既含有过冷水滴又含有冰晶，也可

16、以形成混合型冰。由于这类冰的表面粗糙不平，对飞机外形的破坏比较大，又因其在表面删冻结的十分牢固，因而对飞行的危害并不亚于楔状冰。（3）槽状冰由于槽状冰的表面光滑，冰体透明，也有资料称其为“明冰”，这类冰除光滑透明外，还具有以下各特点：通常它沿着翼型表面的弦向分布范围比较大，一般大于200-300mm；由于冰的比重较大，当飞机在结冰云层飞行时，由于形成结冰的因素有很多，飞机部件上的结冰形式也有所不同。一般为6000-9000N/m2；冰中没有气泡，因而透明并且组织致密，所以它的表面连结力很大，法向结合力高达185N/cm2，如图3-3。图3-3 槽状冰具有上述特点，是由它形成时的条件决定的。这种

17、冰是在温度较高以及过冷水滴尺寸较大的云层中飞行时形成的。由于过冷水滴较大，所以它在表面上的撞击范围也大，加之环境温度较高。因而水滴在冻结中的潜热不易被散掉。所以其冻结速度比较缓慢，使得有机会再气动力的作用下水滴向撞击极限的后方流散，这就形成了光滑、透明和组织紧密以及与表面结合强度较大的特点。形成槽状的原因是由于过冷水滴在冻结过程中，有翼型前缘向后方流散的不完全所致。飞机部件表面，特别是机翼表面上结了这类冰型，将会严重地破坏飞机的气动外形，由于它表面结合力较大难以脱落所以它对飞行的危害最大。根据资料统计，飞机结冰中经常出现的为混合冰型，其次为楔状冰，槽状冰出现的机会很少。4 结冰对飞机飞行性能的

18、影响 机翼和尾翼是飞机产生升力的主要部件。结冰时，冰层主要聚集在翼面前缘部分。机翼和尾翼上结冰，会引起翼型阻力增加，升力下降，临界攻角（失速攻角）减小，飞机操纵性和稳定性恶化。4.1.1翼型阻力增加，升阻比降低翼型阻力是由摩擦阻力和压差阻力两部分组成的。摩擦阻力的产生是由空气具有粘性，在空气流经机翼表面时，会形成附面层而产生摩擦阻力。摩擦阻力的大小，主要取决于附面层的性质，层流附面层的阻力远比紊流附面层阻力小，机翼表面都设计成流线型截面，就是为了避免出现紊流附面层的。压差阻力是物体前后的压力差所引起的，因此，它的大小主要取决于物体的形状。为了减小翼型的压差阻力，机翼表面也必须具有良好的空气动力

19、外形。机翼和尾翼结冰后，表面出现不平并使翼型失真，破坏了原来的流线外形，是气流产生局部分离，从而使原来的层流附面层变成紊流附面层，于此相应的摩擦阻力和压差阻力都会增大。有资料说，机翼表面结上槽状冰后，翼型阻力可增加5-10倍。根据飞机试验，机翼和尾翼结冰时，其增加的阻力占飞机因结冰引起阻力增加总量的70-80%。由此可见，对机翼前缘防冰加温是十分重要的。本来飞机的升力系数Cy是随攻角的增大而增大的，当然阻力系数Cx也会增加，对于一个气动性能良好的翼型剖面，应该是升力系数比阻力系数增加得快一些，通常用升阻比k=Cy/Cx来衡量机翼空气动力性能的优劣。显然，k值应越大越好。但是，机翼结冰后，阻力增

20、加多，引起升阻比降低，使机翼空气动力品质变坏。临界攻角减小图4-1 临界攻角减小当机翼为流线型时，流过机翼的气流将是一层一层的，这时的升力系数Cy随攻角的增加而线性增长；增大cr时，如果再继续增加，则Cy猛烈下降，这个升力系数Cy为最大值时的攻角cr称为临界攻角。当翼面结冰后，气流的流线型分层遭到破坏，会使临界攻角cr下降。图4-1表示了翼面结矛状冰和槽形冰后临界攻角减小的情况，同时可见，结冰后的升力系数最大值Cymax也下降了。机翼与尾翼结冰后，临界攻角下降，使飞机在低速飞行时，特别是在着陆时有失速的危险，因此飞机在着陆时，水平尾翼通常处于负攻角状态，对飞机起着配平作用，由于临界攻角下降，使

21、得尾翼在较小负攻角时就产生了气流分离，因而引起飞机低头，为了纠正这种非操纵性的飞机低头，飞行员不得不增大襟翼偏转角，这就失去了飞行速度，飞行速度过低则容易进入失速状态。在结冰状态，为了避免失速危险，飞机的最小飞行速度应为不结冰状态产生气流分离时的极限速度的倍。机翼和尾翼的严重结冰，还会引起飞机的机械抖动，操纵机构的缝隙结冰可能引起卡阻现象，这些都是影响飞机操纵和危及飞行安全的。发动机进气部件及螺旋桨结冰的影响发动机进气部件结冰的影响飞机在结冰气象条件下飞行时，发动机的进气道前缘、发动机压气机前的整流罩。支撑件、以及第一级压气机前的导流叶片都有可能结冰。发动机进气道前缘通常具有与机翼类似的流线外

22、形，故其结冰情况与机翼有类同之处，但又有它的特点，如结冰区域比机翼大，另外由于气流在进气道内加速，使温度下降，所以在环境介质温度5-10的正温条件下也可能结冰。图4-2 图4-3 图4-2为发动机进气道前缘及内外表面结冰情况的示意图。发动机进气道及进气部件结冰，破坏了他们原来的气动外形，减小了进气道面积同时也减小了压气机每相邻叶片间的空气流通面积，使进入发动机的空气流量减少，因而发动机功率下降。对进气道入口装有格栅的发动机，结冰时气体流通面积减小更多，可能导致功率严重下降。为了保障发动机的转速和推力，这时必须加大燃油比流量，这样除增大燃油比消耗外，还会使涡轮前燃气温度升高，若超过允许值则会烧坏

23、涡轮叶片，导致发动机停车。由于结冰的不对称性及压气机叶片上冰层的不均匀脱落，都会破坏转子的动平衡，它除造成动力装置及飞机的振动外，严重时还会导致发动机轴承的损坏；脱落的冰层随高速气流进入压气机，打在叶片上还可能造成压气机损坏。螺旋桨为高速旋转部件，在结冰条件下飞行时，螺旋桨桨叶、整流罩均可发生 结冰。因为螺旋桨桨叶的形状实际上是一个扭曲了的机翼，因此结冰情况与机翼有相同之处，有时甚至比机翼还严重，在桨叶的整个长度上都可能结冰，浆尖的冰在离心作用下比较容易甩掉。弦向从桨叶前缘开始，结冰范围可达25%左右。螺旋桨及进气道的结冰情况如图4-3所示。 螺旋桨结冰后破坏了它的气动外形，增加了翼型阻力，因

24、而降低了螺旋桨的效率。螺旋桨结冰，由于其不对称性，还会引起振动，当冰层甩脱时，可能危及飞机和发动机部件，甚至击穿蒙皮和气密舱的危险，所以螺旋桨结冰也严重影响着飞机的安全飞行。飞机在结冰条件下飞行时，或当飞机高度突然下降时，驾驶舱正面风档玻璃可能结冰或出现雾气，这时会降低玻璃的透明度，使目测飞行变得十分困然，对飞机的起飞和着陆是很不利的。 飞机上装有空速管和多种测温测压探头，这些部件也可能结冰。当测压口结冰使进气孔面积变小时，会使入口动压减小，使空速指示失真；测温探头结冰时，由于冰的蒸发，会使温度值下降，由此引起的误差可达10%以上。在现代大型飞机上，这些速度，压力和温度信号要送到有关计算机，由

25、于结冰引起输入参数的误差或错误，将会使仪表或数字显示失真，使驾驶工作复杂化，因而隐含着种种不安全因素。5 飞机防冰的一般方法飞机上主要的防冰部位有机翼、尾翼、发动机进气道、螺旋桨、风档玻璃和测温测压探头，根据这些部位的不同和防冰所需能量的大小，因而各部位有不同的防冰方法。根据防冰所采取能量形式的不同，可分成机械除冰系统，液体防冰系统，热气防冰系统和电热防冰系统，下面分别讨论他们的工作原理和优缺点以及在民航飞机上的应用概况。气动膨胀管除冰系统典型的膨胀管除冰装置如图5-1所示，它是在飞机的防冰表面设置许多可膨胀的胶管，当表面结冰时，胶管充气膨胀而使冰破碎，然后由气流将冰吹走，除冰后，膨胀管收缩，

26、保持正常的气动力外形。图示膨胀管是沿机翼展向放置的，也可沿机翼弦向放置。图5-1沿机翼翼展方向的除冰管 膨胀管除冰系统结构简单，消耗空气流量小，但是他改变了翼形、增大了阻力，所以只在早期的低速飞机上应用过。电脉冲除冰系统 电脉冲除冰系统是一种高效节能的除冰方法，工作原理方块图如图5-2所示。它由供电装置（变压整流器及电容式储能器组成的脉冲式发生器）、程序器和感应器等几部分组成。脉冲发射器产生电脉冲，它作用在感应器上，是蒙皮产生作用时间很短的脉冲力，并产生小幅高频振动，这样很快可以将冰除去。程序器是用来控制各感应器的接通次序和接通时间的。图5-2电脉冲系统除冰简图 电脉冲除冰系统工作温度适应范围

27、大，所需能量小，它的耗能仅为电热除冰系统的1/100-1/60。有资料报道称电脉冲除冰可能成为下一代飞机的除冰系统。液体防冰系统 液体防冰是一个物理防冰方法，它的基本原理是借助某种液体减小冰与飞机表面的附着力或降低水在飞机防冰表面的冻结温度。 液体防冰系统可以连续地或周期地向防冰表面喷射工作液体。要求工作液体具有凝结温度低，和水混合性能好，与防冰表面附着力强，对防冰表面没有化学腐蚀作用，无毒以及防火性能好等。目前使用的防冰液有甲醇、乙醇（酒精）、乙烯乙二醇等。从性能上看，甲醇的冰点最低，乙醇次之，乙烯乙二醇最高，但从着火危险来说，乙烯乙二醇化学稳定性好，最安全，价格也最便宜，所以美国制造的飞机

28、多用乙烯乙二醇作防冰液，而前苏联飞机则多用乙醇或乙醇与其他液体的混合液作为防冰液。 液体防冰系统在风档玻璃防冰及活塞式发动机的螺旋桨等部件的防冰上得到广泛的应用，其主要问题是要配备足够的防冰液，并选取适当的方法将防冰液喷射到防冰表面上。热气防冰系统 在现代飞机的防冰系统中，热气防冰和电热防冰的使用占有绝对的优势，这是因为它们在飞机结冰的广阔范围内可以有效而可靠地工作。热气防冰系统的气源热气防冰系统通常有下面几种方案。（1）由发动机压气机直接引气为了得到防冰所需要的热气温度，可在压气机的高压级和低压级同时引气经过，混合后供给系统使用。（2）利用空气引射装置 由发动机压气机的某级引出高温热气流，并在系统中设置引射器，利用高温高压气流，从大气中引入一股冷空气，经过混合后供给系统作为介质。（3）利用热交换器组件 热交换器的热气流是发动机的废燃气，冷气流取自大气，由一个专门的引气口引入，大气经废气加热后送入防冰系统工作。 流入热交换器的空气和废燃气的流量分别由调节活门控制，废燃气的温度一般在500左右，所以应该先打开冷空气调节活门，后打开废气调节活门，而且一般由工作空气的温度自动调节废气调节活门的开度。这种方法的优点是对发动机推力影响比较小，缺点是需要开引气口，因而增大了飞机的阻力。热气防冰系统原理方块图 典型的热气防冰系统原理方块图