飞行气象学：第7章 飞机积冰

1、中国民航大学飞行技术学院第 1页第七章飞机积冰中国民航大学 飞行技术学院第 2页飞行气象学中国民航大学 飞行技术学院第 3页飞行气象学 1994年10月31日，当地时间约下午4点，西蒙斯航空公司4184航班，从印地安纳波里斯到芝加哥，飞机在有利于积冰的气象条件下等待了30分钟，突然翻滚并从大约10000英尺的高度坠下，猛冲入ROSELAWN附近的豆子地里，机上68人顷刻死去。中国民航大学 飞行技术学院第 4页飞行气象学目前，许多飞行手册规定：飞机在云中或降水区域中飞行要打开防冰装置，飞机起飞前必须除尽机翼、机身各部位的积冰和霜。中国民航大学 飞行技术学院第 5页飞行气象学一 积冰的形成1、原理 云中存在过冷水滴，过冷水滴是不稳定的，稍受震动，即冻结成冰。 当飞机在含有过冷水滴的云中飞行时，如果机体表面温度低于0，过冷水滴就会在机体表面某些部位冻结，并聚积成冰层。2、积冰过程 过冷水滴温度接近0：冻结融化再冻结 过冷水滴较小，温度接近-20：直接冻结3、基本条件 气温低于0，飞机表面的温度低于0，和有温度低于0的水滴存在。中国民航大学 飞行技术学院第 6页飞行气象学二、积冰的种类1.明冰

2、（ Clear Ice ）：光滑透明、结构坚实。在0-10的过冷雨中或大水滴组成的云中形成 无论对于预报员或飞行员来说，认识积冰的不同类型都是很重要的，因为不同的积冰类型对飞行的危害程度是不一样的。主要的积冰类型为：明冰、毛冰、雾淞和霜。中国民航大学 飞行技术学院第 7页飞行气象学明冰（ClearIce） 明冰通常在冻雨或者大水滴组成的温度为0-10的云中形成，特点透明，冰层很厚等。中国民航大学 飞行技术学院第 8页飞行气象学明冰中国民航大学 飞行技术学院第 9页飞行气象学明冰对飞行的危害性明冰具有较大危险性，因为：它会在积冰部位形成突出的角，这将明显影响气流它是透明的，机组不容易发现它不容易除去，因为它不仅凝结在机体前缘。中国民航大学 飞行技术学院第 10页飞行气象学2、毛冰（Mixed Ice）表面粗糙不平，冻结得比较坚固，像白瓷，形成在温度为-5 -20的云中；中国民航大学 飞行技术学院第 11页飞行气象学毛冰对飞行的危害性毛冰与明冰相比，其积冰形式和危害性几乎是一样的中国民航大学 飞行技术学院第 12页飞行气象学3、雾淞（Rime Ice）不透明，表面粗糙。多形成在温度为 -2

3、0左右的云中当过冷水滴在飞机表面迅速凝结时形成松脆的不透明的白色雾淞。一般形成于机翼前缘和机体其它突出部位的前缘。中国民航大学 飞行技术学院第 13页飞行气象学雾凇中国民航大学 飞行技术学院第 14页飞行气象学飞机上的雾凇中国民航大学 飞行技术学院第 15页飞行气象学雾凇对飞行的危害性 雾淞是最常见的积冰类型，但它的危害较小，因为它多在机体突出部位的前缘发生，而防冰除冰装置也在这个位置。 同时它的积冰形状对气流的影响较小，它松脆的质地使除冰较容易。中国民航大学 飞行技术学院第 16页飞行气象学4.霜 （Frost）飞机由低于0 的区域进入较暖的区域时，水汽在飞机表面上凝华而成。注：霜是在晴空中飞行时出现的一种积冰，它是未饱和空气与温度低于0的飞机接触时，如果机身温度低于霜点，水汽在机体表面直接凝华而成中国民航大学 飞行技术学院第 17页飞行气象学中国民航大学 飞行技术学院第 18页飞行气象学各种积冰的发生率 雾淞最常见Clear0 C to -10 CMixed-10 C to -15 CRime-15 C to - 40 C 积冰的类型与气温没有绝对关系，不同的飞行员驾驶不同的飞机同

4、时通过同一个区域时，可能报告遇到不同的积冰类型，积冰的类型与很多因素有关。中国民航大学 飞行技术学院第 19页飞行气象学三、积冰强度及影响因子在一个相同的积冰天气环境下，积冰的强度取决于飞机的类型，飞机的设计，飞行的高度，飞行的速度等因素。目前积冰强度的官方定义是针对飞行员报告的，现在FAA正在对这个定义进行评估，准备重新进行定义以便飞行员、预报员以及其它相关人员能有一个统一的积冰强度的定义。 中国民航大学 飞行技术学院第 20页飞行气象学（一）积冰强度的划分飞机积冰强度等级划分积冰等级弱积冰中积冰强积冰极 强单位时间积冰厚度（mm/min）0.60.61.01.12.02.0飞行过程所积冰层厚度（cm）5.05.115.015.130.030.0中国民航大学 飞行技术学院第 21页飞行气象学微量积冰 微量积冰指冰层的生成速度略大于其升华速度，这种积冰没有明显危害，无需启动防冰除冰设备，也无需改变飞行高度或航径，除非这种积冰达到1小时以上。中国民航大学 飞行技术学院第 22页飞行气象学轻度积冰 轻度积冰指如果这种积冰持续1小时以上，则对飞行将构成威胁，因此间断使用防冰除冰设备成为必要，

5、如果需要在这种环境中长时间飞行，则必须改变高度或改变航径。轻度积冰是最常见的。中国民航大学 飞行技术学院第 23页飞行气象学中度积冰中度积冰只要持续很短时间就会对飞行造成威胁，因此必须启用防冰除冰设备，并且如果预计持续的时间略长，则要求改变高度或航径。中国民航大学 飞行技术学院第 24页飞行气象学严重积冰在严重积冰的环境下，防冰除冰设备已经无法将冰层除去或防止积冰增加，需要立即改变高度或航径。中国民航大学 飞行技术学院第 25页飞行气象学（二）影响积冰强度的因子1云中过冷水含量和水滴的大小2飞行速度3机体积冰部位的曲率半径大多数气象学家同意云中过冷却水滴含量、温度、云滴大小是影响积冰强度的最重要因子。中国民航大学 飞行技术学院第 26页飞行气象学 云或者降水是形成飞机积冰的必要条件，其中，云中的过冷水滴含量是一个关键的因素。 中国民航大学 飞行技术学院第 27页飞行气象学云滴的大小云滴的大小影响积冰的类型和强度，但影响的程度比含水量和温度小。小水滴容易随气流绕过飞机，只在机翼及机身前缘积累积冰。大水滴形成的积冰不仅发生在飞机前缘，也可能发生在机翼的中后部，而飞机的防冰除冰系统多安装在飞

6、机表面前缘，因此大水滴的积冰危害更大。中国民航大学 飞行技术学院第 28页飞行气象学飞机积冰与飞行高度的关系积冰可以发生在任何飞行所能到达的高度，最容易发生在10000ft，50发生在500013000ft。中国民航大学 飞行技术学院第 29页飞行气象学飞机积冰与气象条件一、积冰与云中温度、湿度的关系（一）飞机积冰与云中温度的关系飞机积冰通常形成于0-20范围内；强积冰多发生在-2-10范围内积冰不会发生在气温低于-40时，因为此时不存在过冷水滴。中国民航大学 飞行技术学院第 30页飞行气象学气温对飞机积冰的影响还体现在另一个方面：当飞机从温度低于0 的大气中进入温度高于0 的大气中时，由于机体表面保持较低温度，因此碰到温度高于0 的水滴时也可能发生积冰。中国民航大学 飞行技术学院第 31页飞行气象学（一）飞机积冰与云中温度的关系中国民航大学 飞行技术学院第 32页飞行气象学（二）飞机积冰与云中湿度的关系温度露点差越小，相对湿度就越大，越有利于积冰的形成。飞机积冰一般发生在云中温度露点差7OC的范围内，以05OC发生积冰最多，强积冰发生在温度露点差04OC范围内。中国民航大学 飞行技术

7、学院第 33页飞行气象学飞机积冰与空速和温度的关系中国民航大学 飞行技术学院第 34页飞行气象学二、各类云中的积冰飞机积冰与云状有密切的关系。根据云的类型，厚度，温度及其相伴的降水现象分析得出：积雨云和浓积云中积冰概率最大层积云、高积云、层云其次雨层云和高层云中积冰概率较小卷状云中发生积冰的概率最小中国民航大学 飞行技术学院第 35页飞行气象学二、各类云中的积冰1.积云和积雨云TCu和Cb，由于云中含水量和水滴都较大，积冰强度也较大，通常是强积冰。最强的积冰多见于将要发展成Cb的高大TCu的上半部和Cb成熟阶段的上升气流区，而且常常积明冰。在积雨云的消散阶段，由于盛行下沉气流，云中过冷水滴减少，积冰的可能性就减小了。积状云中飞行，还常伴随颠簸现象中国民航大学 飞行技术学院第 36页飞行气象学这两种云多出现在逆温层下，云中含水量中等，但水滴一般较小，积冰多为轻度到中度，且云的上部比下部强。由于云的面积较大，长时间在云中飞行，也会产生较强的积冰。2.St和Sc（或Ac）中的积冰中国民航大学 飞行技术学院第 37页飞行气象学St和Sc（或Ac）中的积冰 1982.11.11，我国西北地区出现

8、一次层积云降雪天气。层积云云底高度为500m，温度为-5OC，云顶高度为2300m，温度为-12OC，云层厚度为1800m，云层均为积冰层。飞机降落穿过云层时，机翼前边已出现中度积冰。 1989.3.16，某部一架米8直升机，起飞后在2800m高度入Ac，出现积冰，右发停车，飞行高度不断降低，迫降在海拔1460m的山坡上，直升机报废，重伤4人。中国民航大学 飞行技术学院第 38页飞行气象学3.Ns和As中的积冰 这两种云的水滴含量也比积状云少，通常为弱积冰，但是在锋面附近的雨层云，由于范围、厚度很大，也能产生强积冰。另外由于这两种云是由系统性上升运动生成的，垂直速度很小，云层中下部积冰一般比上部强。需要注意的是，在冻冻雨和雨夹夹雪中飞飞行，会形成强积冰中国民航大学 飞行技术学院第 39页飞行气象学4.卷状云中的积冰 卷状云由于高度很高，云基本上是由冰晶组成，并且云层薄，一般不会发生明显的积冰，有时会在风挡玻璃和机翼上产生轻微的霜。中国民航大学 飞行技术学院第 40页飞行气象学在以下天气系统中，云中飞机积冰的可能性比较大： 锋面系统 气旋系统三、产生飞机积冰的天气形势中国民航大学 飞行技

9、术学院第 41页飞行气象学冷锋的影响 冷锋引起的暖空气上升，集中在地面锋线附近的约10公里范围内，该范围内云比较集中，是积冰多发区域。中国民航大学 飞行技术学院第 42页飞行气象学暖锋的影响 暖锋在锋前形成大范围的云区，可达1000公里以上，并且可能形成冻降水，在云中飞行，容易积冰。最好的方法是在云层上方飞越，或在云层底下穿过。中国民航大学 飞行技术学院第 43页飞行气象学气旋中容易积冰的区域 容易积冰的区域位于暖锋前或地面低压中心后部，冷锋前也有小范围的积冰区。中国民航大学 飞行技术学院第 44页飞行气象学四、容易产生积冰的时间和地区季节：主要出现在冬半年高度：5000米以下，3000米左右最大温度：-4-10范围内概率最大。地区：锋面附近或穿越锋区时积冰的概率较大中国民航大学 飞行技术学院第 45页飞行气象学积冰对飞行的影响一、积冰对飞行的影响1. 破坏飞机的空气动力性能2.降低动力装置效率，甚至产生故障3.影响仪表和通讯，甚至使之失灵中国民航大学 飞行技术学院第 46页飞行气象学1.破坏飞机的空气动力性能机翼和尾翼积冰，使升力减少，阻力系数增加，并可引起飞机抖动，致使飞行进入不稳

10、定状态，严重的积冰将使飞机操纵变得困难。中国民航大学 飞行技术学院第 47页飞行气象学2.降低动力装置效率，甚至产生故障发动机进气口积冰使进气量减少；螺旋浆飞机的桨叶积冰，会减少拉力，使飞机推力减小。同时，脱落的冰块还可打坏发动机和机身。从进气口来的空气进入汽化器，使文氏管内压力和温度降低，当燃油注入气流中来时，温度会进一步降低。文氏管和燃油蒸发引起的双重冷却效应，改变了空气的温度和湿度，使暴露在空气中的进气口积冰。中国民航大学 飞行技术学院第 48页飞行气象学3.影响仪表和通讯，甚至使之失灵如空速管积冰影响空速表工作；天线积冰影响通讯质量甚至使通讯中断；风挡积冰影响视线等。中国民航大学 飞行技术学院第 49页飞行气象学发动机积冰中国民航大学 飞行技术学院第 50页飞行气象学 发动机积冰中国民航大学 飞行技术学院第 51页飞行气象学 对长途飞行的喷气式飞机来说，燃油积冰是一个重要问题。长途高空飞行，机翼油箱里燃油的温度可能降至与外界大气温度一致约为-30。油箱里的水在燃油系统里传输的过程中很可能变成冰粒，这样就会阻塞滤油器、油泵和油路控制部件，引起发动机内燃油系统的故障。 在空气中湿度

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