根据冰的结构和外部特征,积冰可分为明冰,雾凇和毛冰。不同的大气和飞行条件会形成不同种类的冰。而航空器表面明显的结构性积冰会引起很多操纵和性能方面的问题。
1.12.3
明冰( Clear Ice)
过冷的水以较慢的速度凝结成的光滑透明的冰叫做明冰。『图 2-16』它通常是在温度 0℃到-10℃的过冷雨中或由大水滴组成的云中形成的。与雾凇比较起来,明冰的结构比较紧密、坚硬,有时更为透明。如果积冰量较大,明冰可能会形成一些角状的冰棱『图 2-17』。接近冰点的的温度、大量的液态水、较大的空速以及体积较大的水滴很容易导致明冰的形成。
1.12.4
雾凇( Rime Ice)
由过冷水滴撞击到航空器表面后,
瞬间或迅速凝结成的粗糙、白色、不透明的冰称图 2-16明冰为雾凇。这种冰多形成在温度 -20℃左右的云中。
『图 2-18』快速的凝结会导致冰内包含一些空气泡,造成外表看上去不透明,而且多孔、易碎。对于较大面积的积冰,雾凇可能沿着机翼流线型地延展。较低的温度、少量的液态水、较小的空速以及体积较小的水滴容易造成雾凇的形成。
1.12.5 毛冰( Mixed Ice)
毛冰是明冰和雾凇在同一表面的混合物。它多形成在温度 -5℃到-15℃的云中,因为这样的云中往往是大小过冷水滴同时并存,所以形成的积冰既有大水滴冻结的特征,又有小水滴冻结的特征。毛冰不规则的形状和粗糙的表面对空气动力的影响是最大的。
图 2-17带角明冰的形成图 2-17雾凇
1.12.6 翼型积冰的一般后果
结构性积冰危害最大的方面就是对空气动力的影响。『图 2-19』冰改变了机翼的形状,减小了最大升力系数和失速迎角。在迎角非常小的时候,冰对升力系数的影响很小或几乎没有。因此在以较小的迎角巡航时,在机翼上形成的冰对升力的影响很小。但是,冰会大大减小最大升力系数CL-MAX,失速迎角也很会显著减小,因此在增加迎角、减速进近时,飞行员可能会发现在机翼上的那些对巡航没有影响的冰会在迎角还不算大而速度也不是很小的时候就造成失速。即使是在机翼前缘薄薄的一层冰,尤其在比较粗糙时,会大大地增大失速速度。对于面积较大的,尤其是带冰棱的积冰,可能在小迎角的时候就会使升力受到影响。同时积冰会影响到翼型的阻力系数。『图 2-19』即使是迎角很小的情况下,积冰造成的阻力也是很明显的。
少量的积冰完全可能导致 CL-MAX和失速迎角的显著减小。 CL-MAX减小 30%的情况并不少见。大面积带冰棱的积冰会导致 CL-MAX减小 40%~50%。积冰时阻力会稳定持续地增加,翼型阻力增加 100%并不罕见,如果大的冰棱形成,阻力能够增加 200%甚至更高。
机翼上积冰有很多其他的影响还没有在这些曲线中体现出来。甚至在翼型失速前,翼型表面的压力也会发生改变,从而影响后缘处的操纵面。此外,在起飞、进近和着陆过程中,许多飞机的机翼都是多部件翼型结构的。积冰会通过不同的方式影响各个部件。积冰可能也会影响各部件上气流之间的相互作用。
图 2-18积冰对空气动力的影响
积冰可能会阻碍或限制操纵面的使用,影响操纵面的作用效果,甚至使其失效。而且,由
于冰自身的重量过大,起飞时飞机可能不能离地,在空中航空器则不能保持高度。因此在飞行
前应该除去任何形式的积冰或积霜。结构性积冰的另一个危害是可能出现不可控制的滚转现象,即伴随严重空中积冰的自动滚转现象。驾驶具备积冰条件下运行资格的航空器的飞行员必须清楚,严重积冰超出了航空器审定的积冰包线。自动滚转可能是由于气流分离(空气动力失速)导致的,这会造成副翼的自动偏转,削弱或丧失滚转的操控特性『图 2-20』。这些现象是由于严重积冰造成,不会有通常的积冰信号或空气动力失速的征兆。由于重心 CG在压力中心 CP之前,
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