梦想飞机的“梦幻”结冰

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  2016年4月22日,FAA针对美国GE公司生产的新一代商用大涵道比涡扇发动机——GEnx发出紧急适航指令。该型号发动机目前主要用于波音787和747-8飞机。
  惊险的空中停车
  今年1月,使用GEnx发动机的一架波音787飞机发生高空结冰事件,发动机空中停车后无法重新启动,飞机随后依靠剩余的一台发动机着陆,未发生安全事故。为确保安全,FAA要求GE公司在2016年9月之前完成设计更改,同时要求航空公司在指令发布一周时间内修改飞行操作程序。
  GEnx从非常成熟的GE90发动机改进而来,采用多项新技术,其中包括直径接近3米的复合材料大风扇,对外宣传的口径是节油高达20%。
  为了提升燃油效率,GEnx发动机进一步压缩了叶片与机匣之间的间隙。FAA担心,这种设计缺陷可能导致发动机空中停车,这是其发出紧急适航指令的主要原因。
  事实上,早在2013年,FAA已经针对GEnx的空中停车问题发出过相关整改令,但几次修改都没有彻底解决问题。这一次,FAA要求航空公司的飞行签派人员提供可能的结冰环境信息,飞行机组的航前准备要增加空中除冰程序。航空公司至少改进每架飞机中的一台发动机,避免两台发动机同时结冰停车。否则,使用这款发动机的波音787飞机必须停飞。
  发动机结冰初始时,没有明显征兆。波音公司建议修改程序,一旦发动机转速下降,飞行机组人工操作增加转速,这是临时应对办法。GE随即派出工程队到各家航空公司打磨发动机。GE方面表示,尽管“扩缸”后的缝隙增加,却不会增加油耗。
  飞机结冰的危害
  在航空领域,英国是现代飞行结冰研究的先行者。60年前,英国航空工程师注意到当时著名的布里斯托尔飞机在4~5月的晚春初夏阶段,在20000英尺高度飞行时,常常发生动力不足的现象。仔细观察后,工程师发现飞机发动机的某些部位常留下一些水迹。
  随后,布里斯托尔飞机公司、罗罗发动机公司和英国适航当局联合研究了这种在特定高度、特定季节出现的冰冻现象。由此,航空界对飞机在空中结冰的理论初步形成。
  20世纪50年代是螺旋桨飞机登峰造极的时代。之后,喷气时代来临。喷气式飞机的巡航高度是螺旋桨飞机的一倍,可超过40000英尺,在这种高度上,结冰不再成为飞行的困扰。各国对冰冻研究的积极性不高,新一代飞行机组的防冰意识开始淡漠。
  1994年,在美国的罗斯蒙特,一架法意合制的ATR-42飞机在下降过程中因结冰导致失速坠毁。2009年,一架庞巴迪冲-8飞机在美国水牛城因同样的原因坠毁。事故的发生使得飞机结冰的问题重新引起专业人士的重视。
  起初,业界主要关注飞行机组的操作是否恰当。2009年5月,法航AF447航班(一架空客A330宽体客机)在35000英尺高度上,因空速管结冰而造成机毁人亡(当然,飞行机组的错误操作也是造成空难的重要原因)。业界开始对这一问题重视起来。
  非典型结冰现象
  当年,英国人在研究航空器的结冰问题时,认为典型的冰冻环境低于20000英尺。在这一高度上,过冷水滴(低于零度而未结冰的液体)接触到低于冻结温度的物体时,会形成冰粒并快速堆积,这是最常见的冰冻形式。
  这种基于螺旋桨动力时代的航空器结冰理论,成为当代适航验证的基础。现行商用飞机使用的FAA适航规则25部附件C的“结冰条件”中明确指出,考核指标是低空云层的液态水含量、云层水滴平均有效直径和环境大气温度三项。更高的高度缺少液态水,不具备结冰条件。
  当代的气象雷达也是基于这种理论设计,重点是探测空中的液态水含量。无线电波长范围很宽,根据预定探测目的,气象雷达使用K波段探测降水云层,使用S波段探测实际降水。气象雷达显示器使用红色、琥珀色和绿色分别标识高、中和轻度含水/降水区域,黑色表示没有含水/降水区域,飞行机组可以据此进行操作。
  在上述波音787飞机发动机结冰事件中,根据飞行机组报告,当时的飞行高度为30000英尺,雷达显示屏和结冰探测器没有出现告警提示,只是风挡玻璃上有些雨花,这使调查人员一度极为困惑——在没有含水云层的高度上,怎么会出现降水?
  经过研究,调查人员推测飞行员所描述的“雨花”可能是微小的冰晶,并非是常规的液态水。
  强对流中的上升气流将细微的水珠推送和发散到本应“风平浪静”的高空环境里,形成这些细微的冰晶,直径为微米级别,飞行机组无法通过肉眼辨别。当冰晶撞上飞机时,瞬间融化为水,这使飞行机组看见了“雨花”。
  冰晶以及由此融化的微小冰水无法在飞机前缘等突出物上驻留,因为无法积累,不会引起明显的结冰。但问题在于,冰晶进入发动机后融化,沿着发动机的内壁流淌,在叶冠等处开始积蓄,重新结冰(冰积聚),引起发动机喘振、超温、熄火,甚至损坏发动机。
  显然,这与发动机和飞机的具体结构有关,同样是波音787,使用罗罗公司发动机的飞机就没有出现这一问题。事实上,为了节油,GEnx发动机的风扇与机匣之间的间距较小,更容易受到冰晶结冰的困扰。
  冰晶和与之如影随形的冰水不是FAA目前认定的典型结冰环境因素,从飞机研发到飞行训练均缺乏相关的应对措施,这是目前冰晶结冰的最大风险。或者说,含水云层的液态水在飞机外表上结冰,会对气动结构造成危害,而冰晶结冰则可能对动力装置造成危害,这就超出了当前适航规章关于结冰问题的界定范畴,可视为一种非典型的结冰问题。
  值得一提的是,强对流天气主要在亚热带地区出现。有数据表明,在发动机冰晶结冰事件中,发生在东南亚地区的比例高达60%。由此可见,我国的飞机研制企业和航空公司都应高度重视这一问题。
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