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摘 要：结冰严重影响飞机性能，威胁飞行安全。本文分析总结了飞机的结冰机理，并着重研究了结冰对飞机的气动性能、飞行包线、飞行性能的影响。研究结果可为研究飞机防冰技术、提高飞行性能、保障民用飞机的安全运营提供参考。
关键词：结冰；飞行性能；气动特性；极曲线
中图分类号：V212.1 文献标识码：A 收稿日期：2016-06-15
作者简介：郭 莉（1984—），湖南浏阳人，民航中南空管局机场设计院飞行程序设计分院副院长，研究方向：飞行程序设计、飞机性能、容量评估。
结冰是指飞机在大气中飞行时，其表面某些部位聚集了冰层的现象。飞机结冰的方式通常可分为两大类：一类是空气中水蒸气在飞机翼面直接凝结形成霜；另一类是在大气中存在温度低于0℃而仍未冻结的过冷水滴（云滴、雨滴），这些过冷水滴很不稳定，只要受到轻微扰动就会立即冻结。
当在地面上起飞时温度（OAT）≤5℃或飞行中总温（TAT）≤7℃，且存在任何形式的可见水汽（如云，能见度小于1英里的雾、雨、雪等）时，则存在结冰条件。
至于飞机在飞行中是否确实结冰（尤其是在飞机后部、尾翼部分），飞行员有时难以确定。
飞行中的结冰通常局限于驻点附近，例如，机翼的前缘、机头、整流罩、叶片前缘最有可能出现结冰现象。所形成的冰霜在形状及结构上可能有很大的不同，从清澈透明的薄冰到疏松的冰霜都有可能。
机翼前缘处的冰霜可能有如图1所示的两种，其中双角式的冰霜对气动性能的影响更为严重。
飞机飞行过程中所出现的结冰现象对飞行性能有着严重的影响。有关实验表明，飞机机翼和尾翼前缘所形成的结冰，使得机翼和尾翼气动外形发生变化，出现飞机升阻比减小、失速速度增大、平飞速度范围减小等一系列问题，导致飞机性能下降，甚至会造成飞机坠毁的严重事故，严重威胁飞行安全。
一、结冰对气动性能的影响
通常情况下，结冰导致飞机的气动特性变差，从而影响到飞机的飞行性能。
就其本质而言，其只是改变了飞机的一些气动系数数值的大小，并不改变飞机的运动数学模型。
1.结冰对升力特性的影响
结冰对升力系数曲线的影响如图2所示，由此可得出如下结论：
（1）在给定攻角α下升力系数CL减少。
（2）最大升力系数CLmax减少。
（3）失速攻角αS减少。
最大升力系数CLmax减少量与冰层的厚度和结冰的形状有关，如图3所示。
值得注意的是，结冰只有几毫米厚时， 最大升力系数的减少量△CLmax就已经达到总减少量的一半，也就是说，很薄的结冰层就会对气动性能有显著影响。
试验表明：结冰可能使最大升力系数减少25%～40%，失速攻角可减少5°～7°。
由W=—ρVs2CLmaxSw得Vs2= —，用Vs0、CLmax0表示无结冰时的失速速度和最大升力系数，用Vs、CLmax表示有结冰时的失速速度和最大升力系数，则
由式①可知，结冰使最大升力系数减小，必将使失速速度增加。例如，CLmax減少25%，即CLmax=0.75CLmax0，则Vs2/Vso2 =1/0.75，失速速度Vs=1.1547Vso，即失速速度将增加15%，如CLmax减少40%，失速速度将增加29%。
2.结冰对极曲线的影响
结冰对飞机极曲线的影响如图4所示，由此可得如下结论。
（1）对给定攻角α，阻力（阻力系数CD）增加。
（2）对给定升力系数CL，阻力（阻力系数CD）增加。
（3）最佳升阻比减少且在更小的升力系数下获得。
二、结冰对飞行包线的影响
现代民用涡轮喷气飞机的升限一般在9000m以上，在升限附近结冰的可能性极小。但是，如果飞机在起飞、爬升过程中所集结的冰一直未被除掉或未融化，则它仍会影响飞机的气动特性。
由W =ρV2CLS/2和 D =ρV2CDS/2 及上面的结论可知，有结冰时对给定的速度，平飞阻力即平飞所需推力将增加，又 D =W/K，其中K是升阻比，由于最大升阻比减小，所以平飞最小阻力将增加，由于取得最大升阻比的CL减小，所以平飞最小阻力对应的速度将增加。
所以有结冰时，飞机可用推力曲线向下移，平飞阻力（平飞所需推力）曲线、曲线最低点向右上方移动，如图5所示。
另外，受平飞失速速度影响的最小平飞速度也随着结冰飞机失速特性的恶化而增大，最大平飞速度减小。
经过上述分析可以得出，结冰使得飞机飞行包线向内“萎缩”，飞机的飞行范围进一步受限制。结冰越严重，这种“萎缩”程度越大。
三、结冰对飞行性能的影响
结冰会使失速速度，即平飞最小速度增加，使平飞最大速度减小，使平飞速度范围减小。由于剩余推力减小，飞机的爬升梯度、爬升率会减小。阻力增加使飞机耗油增加。如平尾结冰，使尾翼的升力系数CL、CLmax、失速攻角减小，将使飞机的操纵性能恶化。 结冰对起飞性能的影响（尤其是对小飞机）是更加严重的，甚至是灾难性的。
例如，假定无结冰时失速速度（FAR失速速度）Vs=100节，V2=1.2Vs=120节，如结冰使最大升力系数减少25%～40%，则失速速度将增加到115～129节，相应的，V2应该是138～154节，也就是说在离地10.6米高时应加速到138～154节才能保证安全。如不了解飞机的结冰情况，仍按V2=120节起飞，这个速度就很接近甚至小于飞机有结冰时的失速速度，飞机将难以操纵，可能坠毁，甚至用尽跑道都不能离地升空。
另外，由于阻力系数增加，升力系数减小、V2及VR增加，将使起飞距离大大增加，在给定场地长度的前提下，这将使允许的起飞重量减少。
结冰对大型喷气式飞机比小型、螺旋桨飞机的影响要小，因为：
（1）大型喷气机在低高度飞行时间短，而结冰主要发生在低高度。
（2）喷气机的速度快，总温（TAT）高，不易发生结冰。
（3）喷气机用防冰代替了除冰，这是因为涡扇发动机的压气机功率大，压缩空气量大，可以持续引气用于机翼前缘、发动机进气口等部位防冰。
（4）相同的结冰情况对大飞机的影响要小。
（5）大飞机使用动力（如液压）带动的操作。
四、在结冰条件下运行应遵守的条例
为了保证飞机在结冰条件下的运行安全，CCAR121.649、FAR121.629、FAR91.527款条例都对结冰条件下飞机的操作和使用做出了规定。
例如，在CCAR121.649中规定：①当机长或飞行签派员在航路或机场上预料到或已遇到的结冰状况会严重影响飞行安全时，任何人不得签派放行飞机继续在这些航路上飞行或者在这些机场着陆。②当有霜、雪或冰附着在飞机机翼、操纵面、螺旋桨、发动机进气口或其他重要表面上，或者不能符合本条③款时，任何人不得使飞机起飞。③除本条④款规定外，在某种条件下，当有理由认为霜、雪、冰会附着在飞机上时，任何人不得签派放行飞机或使其起飞，但该合格证持有人在其运行规范中具有经批准的地面除冰防冰大纲并且其签派放行、起飞都符合该大纲要求的除外。经批准的地面除冰防冰大纲应当至少包括下列项目（具体项目略，详见CCAR121.649）。④合格证持有人如果没有本条③款要求的大纲，也可以按本条继续运行，但是在其运行规范中应当规定任何时候只要有理由认为霜、雪和冰可能会附着在飞机上，飞机就不得起飞。但经过检查确认没有霜、雪或冰附着在机翼、操纵面和其他关键表面上时除外。该检查应当在开始起飞之前5分钟之内进行，并且应当在飞机外部完成。
五、结语
结冰使飞机的气动特性变差，导致飞机的飞行阻力增大，升力减小，升阻比变小，最大升力系数减小，失速速度增大，临界迎角减小，气动特性恶化，进而导致飞机起飞、着陆的距离和时间增大，飞行包线萎缩。
总之，结冰会危及飞机的飞行安全，降低飞机的飞行性能。在民用飛机的设计中，应着力开展结冰对飞机气动特性的影响、防除冰装置的研制以及改善飞机飞行品质的飞行控制律的研究设计工作。
参考文献：
[1]闫菁菁.风力机翼型结冰及其气动性能的数值模拟研究[D].保定：华北电力大学，2014.
[2]应思斌，艾剑良.飞机结冰包线保护对开环飞行性能影响与仿真[J]. 系统仿真学报，2010（10）.
[3]李 林，王立新，彭小东.结冰对民用飞机性能的影响研究[J].飞行力学，2004（3）.
[4]应思斌，艾剑良.飞机结冰包线保护对开环飞行性能影响与仿真[J]. 系统仿真学报，2010（10）.
[5]张 强，曹义华，潘 星，等.积冰对飞机飞行性能的影响[J].北京航空航天大学学报，2006，32（6）.
关键词：结冰；飞行性能；气动特性；极曲线
中图分类号：V212.1 文献标识码：A 收稿日期：2016-06-15
作者简介：郭 莉（1984—），湖南浏阳人，民航中南空管局机场设计院飞行程序设计分院副院长，研究方向：飞行程序设计、飞机性能、容量评估。
结冰是指飞机在大气中飞行时，其表面某些部位聚集了冰层的现象。飞机结冰的方式通常可分为两大类：一类是空气中水蒸气在飞机翼面直接凝结形成霜；另一类是在大气中存在温度低于0℃而仍未冻结的过冷水滴（云滴、雨滴），这些过冷水滴很不稳定，只要受到轻微扰动就会立即冻结。
当在地面上起飞时温度（OAT）≤5℃或飞行中总温（TAT）≤7℃，且存在任何形式的可见水汽（如云，能见度小于1英里的雾、雨、雪等）时，则存在结冰条件。
至于飞机在飞行中是否确实结冰（尤其是在飞机后部、尾翼部分），飞行员有时难以确定。
飞行中的结冰通常局限于驻点附近，例如，机翼的前缘、机头、整流罩、叶片前缘最有可能出现结冰现象。所形成的冰霜在形状及结构上可能有很大的不同，从清澈透明的薄冰到疏松的冰霜都有可能。
机翼前缘处的冰霜可能有如图1所示的两种，其中双角式的冰霜对气动性能的影响更为严重。
飞机飞行过程中所出现的结冰现象对飞行性能有着严重的影响。有关实验表明，飞机机翼和尾翼前缘所形成的结冰，使得机翼和尾翼气动外形发生变化，出现飞机升阻比减小、失速速度增大、平飞速度范围减小等一系列问题，导致飞机性能下降，甚至会造成飞机坠毁的严重事故，严重威胁飞行安全。
一、结冰对气动性能的影响
通常情况下，结冰导致飞机的气动特性变差，从而影响到飞机的飞行性能。
就其本质而言，其只是改变了飞机的一些气动系数数值的大小，并不改变飞机的运动数学模型。
1.结冰对升力特性的影响
结冰对升力系数曲线的影响如图2所示，由此可得出如下结论：
（1）在给定攻角α下升力系数CL减少。
（2）最大升力系数CLmax减少。
（3）失速攻角αS减少。
最大升力系数CLmax减少量与冰层的厚度和结冰的形状有关，如图3所示。
值得注意的是，结冰只有几毫米厚时， 最大升力系数的减少量△CLmax就已经达到总减少量的一半，也就是说，很薄的结冰层就会对气动性能有显著影响。
试验表明：结冰可能使最大升力系数减少25%～40%，失速攻角可减少5°～7°。
由W=—ρVs2CLmaxSw得Vs2= —，用Vs0、CLmax0表示无结冰时的失速速度和最大升力系数，用Vs、CLmax表示有结冰时的失速速度和最大升力系数，则
由式①可知，结冰使最大升力系数减小，必将使失速速度增加。例如，CLmax減少25%，即CLmax=0.75CLmax0，则Vs2/Vso2 =1/0.75，失速速度Vs=1.1547Vso，即失速速度将增加15%，如CLmax减少40%，失速速度将增加29%。
2.结冰对极曲线的影响
结冰对飞机极曲线的影响如图4所示，由此可得如下结论。
（1）对给定攻角α，阻力（阻力系数CD）增加。
（2）对给定升力系数CL，阻力（阻力系数CD）增加。
（3）最佳升阻比减少且在更小的升力系数下获得。
二、结冰对飞行包线的影响
现代民用涡轮喷气飞机的升限一般在9000m以上，在升限附近结冰的可能性极小。但是，如果飞机在起飞、爬升过程中所集结的冰一直未被除掉或未融化，则它仍会影响飞机的气动特性。
由W =ρV2CLS/2和 D =ρV2CDS/2 及上面的结论可知，有结冰时对给定的速度，平飞阻力即平飞所需推力将增加，又 D =W/K，其中K是升阻比，由于最大升阻比减小，所以平飞最小阻力将增加，由于取得最大升阻比的CL减小，所以平飞最小阻力对应的速度将增加。
所以有结冰时，飞机可用推力曲线向下移，平飞阻力（平飞所需推力）曲线、曲线最低点向右上方移动，如图5所示。
另外，受平飞失速速度影响的最小平飞速度也随着结冰飞机失速特性的恶化而增大，最大平飞速度减小。
经过上述分析可以得出，结冰使得飞机飞行包线向内“萎缩”，飞机的飞行范围进一步受限制。结冰越严重，这种“萎缩”程度越大。
三、结冰对飞行性能的影响
结冰会使失速速度，即平飞最小速度增加，使平飞最大速度减小，使平飞速度范围减小。由于剩余推力减小，飞机的爬升梯度、爬升率会减小。阻力增加使飞机耗油增加。如平尾结冰，使尾翼的升力系数CL、CLmax、失速攻角减小，将使飞机的操纵性能恶化。 结冰对起飞性能的影响（尤其是对小飞机）是更加严重的，甚至是灾难性的。
例如，假定无结冰时失速速度（FAR失速速度）Vs=100节，V2=1.2Vs=120节，如结冰使最大升力系数减少25%～40%，则失速速度将增加到115～129节，相应的，V2应该是138～154节，也就是说在离地10.6米高时应加速到138～154节才能保证安全。如不了解飞机的结冰情况，仍按V2=120节起飞，这个速度就很接近甚至小于飞机有结冰时的失速速度，飞机将难以操纵，可能坠毁，甚至用尽跑道都不能离地升空。
另外，由于阻力系数增加，升力系数减小、V2及VR增加，将使起飞距离大大增加，在给定场地长度的前提下，这将使允许的起飞重量减少。
结冰对大型喷气式飞机比小型、螺旋桨飞机的影响要小，因为：
（1）大型喷气机在低高度飞行时间短，而结冰主要发生在低高度。
（2）喷气机的速度快，总温（TAT）高，不易发生结冰。
（3）喷气机用防冰代替了除冰，这是因为涡扇发动机的压气机功率大，压缩空气量大，可以持续引气用于机翼前缘、发动机进气口等部位防冰。
（4）相同的结冰情况对大飞机的影响要小。
（5）大飞机使用动力（如液压）带动的操作。
四、在结冰条件下运行应遵守的条例
为了保证飞机在结冰条件下的运行安全，CCAR121.649、FAR121.629、FAR91.527款条例都对结冰条件下飞机的操作和使用做出了规定。
例如，在CCAR121.649中规定：①当机长或飞行签派员在航路或机场上预料到或已遇到的结冰状况会严重影响飞行安全时，任何人不得签派放行飞机继续在这些航路上飞行或者在这些机场着陆。②当有霜、雪或冰附着在飞机机翼、操纵面、螺旋桨、发动机进气口或其他重要表面上，或者不能符合本条③款时，任何人不得使飞机起飞。③除本条④款规定外，在某种条件下，当有理由认为霜、雪、冰会附着在飞机上时，任何人不得签派放行飞机或使其起飞，但该合格证持有人在其运行规范中具有经批准的地面除冰防冰大纲并且其签派放行、起飞都符合该大纲要求的除外。经批准的地面除冰防冰大纲应当至少包括下列项目（具体项目略，详见CCAR121.649）。④合格证持有人如果没有本条③款要求的大纲，也可以按本条继续运行，但是在其运行规范中应当规定任何时候只要有理由认为霜、雪和冰可能会附着在飞机上，飞机就不得起飞。但经过检查确认没有霜、雪或冰附着在机翼、操纵面和其他关键表面上时除外。该检查应当在开始起飞之前5分钟之内进行，并且应当在飞机外部完成。
五、结语
结冰使飞机的气动特性变差，导致飞机的飞行阻力增大，升力减小，升阻比变小，最大升力系数减小，失速速度增大，临界迎角减小，气动特性恶化，进而导致飞机起飞、着陆的距离和时间增大，飞行包线萎缩。
总之，结冰会危及飞机的飞行安全，降低飞机的飞行性能。在民用飛机的设计中，应着力开展结冰对飞机气动特性的影响、防除冰装置的研制以及改善飞机飞行品质的飞行控制律的研究设计工作。
参考文献：
[1]闫菁菁.风力机翼型结冰及其气动性能的数值模拟研究[D].保定：华北电力大学，2014.
[2]应思斌，艾剑良.飞机结冰包线保护对开环飞行性能影响与仿真[J]. 系统仿真学报，2010（10）.
[3]李 林，王立新，彭小东.结冰对民用飞机性能的影响研究[J].飞行力学，2004（3）.
[4]应思斌，艾剑良.飞机结冰包线保护对开环飞行性能影响与仿真[J]. 系统仿真学报，2010（10）.
[5]张 强，曹义华，潘 星，等.积冰对飞机飞行性能的影响[J].北京航空航天大学学报，2006，32（6）.