2009年7月18日 星期六

航空漫談:飛機空中結冰怎麼辦?

特此致謝邢有光將軍撰文並允發布

前言

當飛機在22,000英呎以下的高度以及大氣氣溫在華氏32°以下的情況下飛行,只有雲層中有足夠的含水量以及水滴直徑大到某一個程度時,飛機的機翼、水平尾翼、機首、以及飛機表面的凸出物之前緣均會有產生結冰的可能,如果未能及時防範或除去這些結冰,即會造成飛機危險事件。本文接續前篇「有全天候的飛機嗎」,其最主要的目的是用較淺顯文字來說明如何防範及處理飛機結冰的問題,以及美國聯邦航空法規在這方面的要求。

什麼樣的情況下飛機會結冰

美國國家航空諮詢委員會(也就是美國國家航空太空總署的前身)於1949年時出版了一篇技術文件,內容是在設計飛機的防冰系統時所建議採用的氣象數據值。文章首先說明在何種氣象狀態下,飛機會產生結冰的可能性。產生結冰的氣象因素有四項:高度、溫度、雲層中的含水量及水滴的直徑,大致而言,高度在22,000英呎以下,溫度在華氏32°以下,雲層中含水量超過每立方公尺0.125公克的水,及水滴的直徑在15~50μm (1μm = 1/1000mm)時,飛機表面都有可能產生結冰;除此之外,若是遇上過冷的雨(水珠在液態的狀況下,但溫度在冰點以下)時也有可能結冰;當然這些結冰的可能性又與飛機穿過雲層的時間長短有關係。這篇技術文件中的數值絕大部份均為實際氣象觀測所得的值,美國聯邦航空總署將它整理後,納入到美國聯邦航空法規第23、25章中作為飛機防冰及除冰系統之設計考慮因素。

飛機哪些部份會結冰

飛機飛到前述的天氣中或是碰到了過冷的雨,飛機哪些部份最容易結冰以及結冰結到一個什麼樣的程度呢?要回答這問題不容易,首先這些很冷的水滴要能停留在飛機上而不會隨氣流而去;第二當這些水滴撞擊到飛機之後,例如機頭、機翼前緣、水平尾翼前緣、發動機之進氣道唇、或者是某些凸出物的前緣,這些水滴會停留在多遠處。

結冰除了與飛機之幾何形狀有關外,飛行之速度、飛行之姿態、以及氣流在飛機表面的情況,均必須考慮。一般而言,在翼面前緣、進氣道唇、量測速度之皮托管、天線、以及駕駛艙前之風擋玻璃板上均會產生結冰。

飛機結冰危險嗎

飛機產生結冰現象對飛機當然是很危險的,例如對噴射飛機而言,在發動機的前面有一段進氣道,在進氣道的最前方,稱之為進氣道唇,它的切面形狀和機翼的切面形狀是同屬一類的東西,稱之為翼切形,如果進氣道唇結冰了,其外形就可能改變,進氣道內的氣流形式就和設計不相同,發動機有可能「失速」,或是這些冰塊有可能在脫落之後打傷了發動機的葉片,造成發動機熄火。

如果在機翼前緣或水平尾翼前緣及其附近結冰,根據試驗的結果,它們會導致機翼或水平尾翼所能產生的最大升力就會降低,阻力值明顯增加。最大升力降低表示飛機之失速速度增加,失速速度增加表示飛機之起降距離均會增長,這是飛機設計者和擁有者都不願見到的。同時失速之提前到來,對飛機之控制均會產生負面的影響,例如水平尾翼若失速了,就無法控制飛機的俯仰。

還有一個有趣的現象是這些結冰的形狀、大小、位置對機翼或水平尾翼而言,是不會絕對的相同或對稱,因此機翼兩邊的氣流也就不對稱了,兩邊所產生的升力就不一樣了,在這種情況下飛機便會產生無預警的滾轉,飛行員沒操縱駕駛桿或駕駛盤,而飛機自己就滾轉了,飛行員要改正時亦有可能產生反向操作的現象(例如駕駛桿往右,飛機卻偏往左,愈想矯正卻愈偏離),造成飛機失事。台灣的復興航空公司的一架ATR 72飛機在1992年12月21日就因為積冰嚴重造成「不正常或非因操控的滾轉態」,隨後呈現失速狀況並失事。

如果皮托管被冰封住了,飛機所顯示的空速就不正確了,亦可能造成飛安的問題。如果駕駛艙風擋玻璃結冰了,飛行員的視線便產生了問題,當然亦造成飛安的問題。總而言之,結冰對飛機而言不是一件好事。

如何防止飛機結冰

處理飛機結冰的方式可分為兩種,第一種是根本不讓飛機產生結冰,稱之為防冰系統;第二種是在結冰產生後設法將冰排除掉,稱之為除冰系統。無論是防冰除冰大概都不出下列四種方法:

  1. 由發動機抽出熱空氣,將熱空氣導至要除冰或防止結冰的地方。這種方法是它的熱能源源不斷,而且很有效,缺點就是抽的氣愈多,發動機的性能就會降低。
  2. 通電加熱的方法,將飛機上的電通到需要除冰或防冰的地方。
  3. 噴注化學液體來保護飛機表面,使飛機表面無法結冰。這種方法有一個缺點就是飛機上要帶著這些化學液體,增加了飛機的重量,同時在使用時亦有可能噴口被堵塞。
  4. 用很多的細管子沿著機翼或水平尾翼的前緣排列著,當這些管子加入氣體時,它們會膨脹,當氣體排出時,管子會收縮下來,這一脹一縮,利用這種機械的方式,把結在機翼或水平尾翼上的冰給排除掉。這是一種十分典型的除冰系統,但不適用在進氣道唇之設計。

在設計飛機有關結冰問題時,第一個要考慮的是飛機表面有哪些區域需要用防冰除冰系統來保護;第二個要考慮的是要計算一下需要用多少熱量來防止結冰或除冰,此時你必須要先蒐集及估算水的含量以及水滴的大小等資料,才能計算出所需的熱量;第三個考慮是利用飛機上甚麼樣的能源來提供這些熱量,它可能來自發動機,亦可能來自所攜帶的化學液體等等。因考慮最有效的利用有限的能量,一架飛機常是同時有防冰除冰系統。

美國聯邦航空法規的規定

美國聯邦航空法規裡有許多的章節與如何處理飛機的結冰有關。在第25.1419章節內規定;如果你設計的飛機要獲得可在結冰氣象狀況下的飛行認證,就必須保證飛機在第25章附錄C所規定的氣象中飛行是安全的。附錄C包括兩種情況,一種為飛機長時間在層雲內飛行,層雲的含水量比較小,最大值為每立方公尺0.8公克的水;另一種為飛機短時間在積雲內飛行,積雲的最大含水量約為層雲的四倍之多,也就是說飛機在積雲情況下飛行會較容易結冰且結較多的冰。兩種情況下均只考慮水滴的直徑在15μm~50μm。

美國聯邦航空法規第25.1419章節裡要求必須用設計分析方法來證明防冰除冰系統在不同狀況下要能正常的運作,亦要求飛機真正的飛到結冰空域去測試,來驗證其設計分析是正確的,其防冰除冰系統是有效的!但要找到附錄C的氣象狀況並不容易,因此美國聯邦航空法規也允許配合試驗室、冰風洞或者使用大飛機在空中噴灑水滴的方式來模擬氣象狀況以替代一些真實天氣的測試。

不過,目前美國聯邦航空法規並沒有考慮到水滴直徑大於50μm的要求。實際上在1994年一架美鷹航空公司的ATR72飛機於美國印地安那州上空遭遇到了水滴直徑大於50μm的過冷大水滴,飛機上的結冰保護系統無法完全除去飛機上的冰塊因而失控失事。其原因為這些過冷大水滴會在距離翼前緣較遠的後方(約25%~30%弦長處)結冰,遠超過原有防冰系統的範圍。

完整的結冰保護系統

由於美鷹航空公司的ATR72飛機在1994年的失事,雖然該機型有防冰除冰系統,但是由於遭遇到過冷大水滴,結冰發生在機翼前緣後方至副翼之前不受防冰系統保護的區域,造成飛機失控而機毀人亡。同時,目前美國聯邦航空法規第25章附錄C的規定只考慮到水滴的最大直徑為50μm,沒有包括直徑大於50μm的過冷大水滴。這個不幸的事件在美國航空界引起了很大注意,大家在討論及研發一些新觀念和新方法,期能避免此一不幸事件之重演。這些新觀念和新方法的重點歸納如下:

  1. 設法加強結冰氣象的預報能力,避免飛機進入危險的結冰區域。
  2. 研發一種新裝備,能夠偵測出飛機在沒有結冰保護之區域是否有結冰現象,以利飛行員採取必要的動作。
  3. 研發經濟有效的裝備來克服過冷大水滴所造成的結冰。
  4. 配合現有之防冰除冰方法,找出最安全、最有效、最經濟的方案。

結語

飛行在22,000英呎高度以下的空域,碰到低溫以及雲層中含有足夠之水氣時,飛機的機頭、機翼、水平尾翼、及凸出物之前緣均有結冰之可能,飛機上的防冰除冰系統就是要用來防止飛機結冰或除去結冰的裝備,以增加飛行的安全。可是目前美國聯邦航空法規的要求比較「寬鬆」,並沒有包括可能會出現的過冷大水滴,它的結冰狀況非目前一般之防冰除冰系統可以保護,美國聯邦航空總署正有意要修改美國聯邦航空法規的相關條文。

由於目前的飛機均按照美國聯邦航空法規第25章附錄C的規定來設計,因此飛機若遇到特殊天氣狀況(超過目前的規定值)時,飛機有可能處在危險的狀態中,這時飛行員雖難以判斷是否有不正常的結冰現象,但若能瞭解飛機之防冰除冰設計,或許可增加飛行員一些預警,以便採取必要的措施,當這也增加飛行員在飛行途中之工作量了。

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你好:這篇文章介紹得很好,我論文想引用部分內容,希望得到你同意

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