冲上云霄

刨冰

大自然的沉重透明涂层会破坏空气动力学。


冻雨事件在万斯空军基地(Enid OK)完全覆盖了数架雷神T-1A Jayhawks。冰很重,有可能使水力和稀疏应力过大。尝试起飞之前,必须清除所有冰块。
卡斯滕·希恩(Karsten Shein)
Comm-Inst气候科学家

H在中场急忙驶过后,副驾驶喊出“ V2”,飞行员向侧杆施加了反压力。机头抬起,但是飞机努力地提起。再过几秒钟后,飞机飞上了空中,但飞机没有升空,机场围栏外的树木也迅速靠近。

摇杆振动器已激活。怀疑冰,知道飞机可能不会清除树木,飞行员大喊“流产!”然后拉回油门

一阵沉重的轰击声,飞机返回地面,副驾驶使用了扰流板和反推力装置。他们设法使喷气机明显减速,但仍以约40 kts的速度撞上了跑道尽头的灯光,使前起落架坍塌,并在潮湿的地面上留下了80英尺长的沟槽。没有人受伤,但飞机严重受损。

调查人员确定,从加热的机库中出来的飞机的温暖皮肤融化了在过去一个小时内大降的积雪–随着滑行期间飞机皮肤冷却,积雪重新融化。

整个过程留下了粗糙而坎bump的釉面,这是飞行员们都没有想到的。如果飞行员试图继续起飞,就足以扰乱气流并降低升力,以至飞机本来会失速并陷入树木之中。

过冷

积冰是与天气有关的飞机事故的更频繁的起因之一,飞行员的预测冰积能力需要了解其形成因素。像大多数天气现象一样,冰是热量和水的产物。除极少数情况外,水必须为液态,温度必须等于或低于冰点。

除了在约-40°C(-40°F)以下的严酷低温下,大多数云都是由液滴组成的。只有极冷的云,例如卷云或高耸的积云,将完全由冰晶制成。在高于-40°C但低于冰点的温度下,云将是冰晶和水滴的混合物。但是,在低于-20°C(-4°F)的OAT下,存在的大部分水将是冰。

-20°C和2°C(-4°F到35°F)之间的温度最容易积冰,其中-10°C到0°C(14–32°F)的温度是冰区。可能最迅速的积冰。实际上,研究表明,在-10°C下,对于云中存在的每个冰晶,至少有一百万个液态云滴,并且这些滴是过冷的。

釉冰完全覆盖了NCAR研究飞机的机翼,这是一项研究的一部分,目的是了解结冰行为及其对飞行的影响。即使飞机获得了可在已知结冰条件下飞行的证明,飞机上的冰量也不是真正安全的。

当温度升至0°C以上时,冰将始终开始融化,而当温度降至冰点以下时,水并不总是开始凝结。有几个原因。大气中的大多数水滴都包含微小的杂质。液滴越小,其中存在的水越少,最终冻结的温度就越低。

另外,虽然许多小液滴将在低于冰点的温度下形成冰晶,但由于液滴被搅动时,由于内部搅动,在液滴内形成的弱冰键通常会迅速破裂。但是,随着过冷的水滴撞击具有次冻结温度的较大表面,情况发生了变化。

接触将或多或少地将液滴自发地转变成冰。这就是为什么只要有液体沉淀并且OAT处于冰点或冰点以下就可以使飞机结冰。冰还有其他积聚方式,这些方式不涉及过冷的水。

一种情况是,雪或雨夹雪会降落在已经冷冻至高于冰点的飞机蒙皮上的低于冰点的空气中,例如通过停在加热的机库中或进行红外除冰措施。即使使用车载加热的除冰系统也会积冰。

当冷冻的沉淀物落在温暖的皮肤上时,它融化。如果皮肤在亚冰冷的空气中冷却时融化的水仍然存在,则水可能会重新凝固成凹凸不平的釉。高速行驶时,水可能会流回前缘之外,并渗入皮肤,尤其是未加热的部分。

在较慢的速度下,例如在出租车上,前缘也会受到影响。并且如果放气或加热除冰功能打开,则在前缘的后部很可能会发生积聚。

北美的冻结级别图。沿飞行路线的冻结水平的知识将为避免可能结冰的高度或寻找更热的空气来融化积冰提供关键指导。

冷浸冰

当飞机从高空巡航下降时,可能会发生相反的情况。机翼油箱中的燃料无法立即使温度与周围空气平衡。由于这种冷浸,当飞机飞过冰点以上的雨水时,机翼蒙皮可能会保持在冰点以下。

撞击机翼的雨水很快被冷却,并可能冻结在机翼上。正常情况下,冷浸冰只是暂时的,并且会随着机翼与空气的温度平衡而融化,但仍然存在危险,因为它会使机翼变形,并在除冰系统的后部(通常在飞行的关键着陆阶段)。

在更高的高度(高达42,000英尺左右),并且温度远低于-40°C,将冰晶摄入动力装置可能会引起积垢问题。

尽管在冰晶丰富的超冷温度下水含量受到很大限制,但晶体仍会在发动机内以及发动机系统探头周围积聚。此类问题最常见于高耸的积云附近,与过冷水不同,这些冰晶在雷达上的显示效果不佳,并且不会在外表面产生积聚。

结冰的一个重要因素是与机翼和进气口相对应的气压下降。随着压力的降低,温度也会降低。当OAT高于冰点2°C时,机翼表面上方的压力下降可能会使温度下降至冰点或略微低于冰点,从而使雨水冻结到地面。类似地,化油器和涡轮进气口降低了送入燃烧段的空气压力。

这种类似的压力下降会产生进气结冰。化油器结冰可能在空气温度高达20°C(68°F)时发生。尽管文丘里效应在涡轮机中并不那么严重,尤其是在直流涡轮机中,但许多涡轮螺旋桨发动机中的间接气流导管会在进气管的弯头处积冰。

在严重的情况下,发动机积冰的结果可能会阻塞进气口并导致压缩机失速甚至燃烧熄火。更常见的是,摄入的冰块可能会引起浪涌或刀片振动。过度振动或摄入冰块会损坏风扇叶片和发动机的其他零件,从而导致发动机故障。

重量,阻力和迎角

积冰最常见的问题与飞机升力面的空气动力性能特征有关。翼型冰的积聚会对4个基本飞行因素中的3个产生不利影响-升力,阻力和重量。即使机翼上有少量冰,也将大大降低其升力系数和失速迎角(AoA)。

在较低的空速下效果最明显。尽管所有结冰都增加了阻力,但相对于干净的机翼表面,前缘后部的粗糙冰块,釉冰角和冰脊都增加了不成比例的阻力。

甚至只有几毫米的冰块都可以使机翼的阻力系数增加一倍,而前缘上的大号釉角可以使机翼的阻力增加200%或更多。同时,表面粗糙度和因积冰引起的翼型变形将大大降低升力。即使只有薄薄的雾e,降低30%至40%的举重率并不少见。升力和阻力因子的改变也影响失速AoA。

机翼上积冰已显示可将临界AoA降低多达清洁机翼角度的50%。冰翼上的气流也可能对后缘控制面的行为产生意想不到的影响。尽管这种控制主要是通过使空气偏转来实现的,但冰可以改变空气通过它们的流量,从而改变其有效性。

每立方米919公斤(57磅/立方英尺)的冰相对较重。如果要在120平方米(约1284平方英尺)的机翼上积聚1毫米的冰,它将增加飞机的重量约110公斤(约242磅)。虽然此重量可能不会对一架强大的公务机的机翼产生巨大影响,但它可以使已经沉重的飞机超过其最大起飞或着陆重量,并且还可能改变重心。

更危险的是,稳定器表面远离重心的积聚会破坏飞机的稳定性,并使其难以控制,甚至无法控制失速或其他异常姿态。

雷神山毛榉空中国王的前缘部分脱落的冰块积聚。防冰和除冰系统仅应被视为购买足够时间以留有除冰条件的一种手段。

观测和预报冰

全球大多数大型机场都具有具有降水识别功能的自动气象观测系统(AWOS),该系统可以区分雨雪。这些系统中最先进的系统还将配备能够识别冻雨和/或跑道表面状况的仪器。

当系统包含降水鉴别器时,元数据将包含代码A02。否则,它将包括“ A01”(尽管并非所有的A02站都具有冻雨传感器)。通常,冷冻雾或降水将包含在元数据和特殊报告中。

代码FZ在雾或降水代码之前,如FZDZ(冻毛雨),FZRA(冻雨)或FZFG(冻雾)一样。在一些沿海机场,飞行员甚至可能遇到FZPY(冷冻喷雾)。与任何降水报告一样,它也可以用前导“ +”(重)或“-”(轻)符号进行限定,并且还可以包括“附近”的VC。如果有冻雨传感器但无法使用,则备注(RMK)部分将包含代码FZRANO。

在一些观察员手动增加观察报告的机场中,RMK部分还可能包括在水平面上积聚的冰层厚度。这包括融化和再冻雪的厚度。但是,大多数机场都不具备手动报告冰积的功能。

无论使用AWOS仪器还是手动报告,飞行员都应认识到,任何报告,包括气温处于或低于冰点的地方的液体沉淀或雾,都表明可能结冰。

重要的是,即使在有能力报告冻雨或积冰的机场,也绝不应该缺少报告来表明这些条件不存在,特别是在其他条件正确的情况下。

报告结冰情况

在高空,许多在预报有结冰的地方遇上结冰或未积冰的飞行员都会发出pirep。 Pirep仍然是气象学家或飞行员确定在给定位置和高度是否结冰的唯一方法,并且如果它们正在积冰,它们可能是帮助同行飞行员避开这些区域或寻找较热空气的最佳方法。

在没有水泡的情况下,使用气象气球的观测值来估计冰冻水平,并将该信息输入到数值模型中以生成结冰潜力图。

考虑到产生积冰所需的条件相对简单,全球许多地区都可以获得当前的天气和结冰潜力的预报地图产品。例如,FAA根据观测数据和模型数据的混合物发布当前的结冰产品(CIP),以可视化当前结冰的可能性和严重程度(无,痕迹,轻,中,重),以及结冰的可能性。遇到过冷的大液滴(SLD)。

SLD是较大的雨滴,可产生快速的结冰结冰,可能难以完全脱落。 CIP每小时更新一次,并使用20×20公里的网格。由于CIP估计结冰,因此永远不会建议100%的确定性。只有pirep才能做到这一点。但是一个好的经验法则是,如果CIP要求在给定的高度和位置结冰的机会超过50%,飞行员应该期望得到结冰。

配套的预测结冰产品(FIP)在接下来的12小时内提供与CIP类似的信息。这些产品可从Aviationweather.gov获得。可以从几个网站(例如wxweb.meteostar.com)获得对其他地区的类似预测指南。当高空条件有利于结冰时,可以发布结冰机或乙形结冰。

Falcon 900EX在ZRH(瑞士苏黎世)上除冰。如果飞机上结霜,下雪或结冰,则必须为飞机除冰;如果飞机在滑行或起飞过程中可能会积冰,则也应为飞机除冰。

某个区域适度的糖霜势必会催促飞机出没,而重糖霜势必就需要sigmet。 Airmet的有效期为6个小时,结冰的Sigmet的有效期为4个小时。雷暴的对流sigmet也应视为结冰的Sigmet,因为在高于冻结水平的雷暴中及其周围经常会遇到严重的结冰。在冰块中运行冰块倾向于首先积聚在相对于迎面而来的气流横截面较薄的突起上。

天线,皮托管系统,甚至座舱挡风玻璃的凸起框架都是冰的地方,如果有积冰的话,很可能会首先出现。在较老的飞机上,可以从驾驶舱轻松监控其中许多位置,但是随着飞机的空气动力学变得更加清洁,飞行员可能没有太多可依靠的视觉提示。

取而代之的是,他们将根据环境条件来预测冰的存在,并监控其仪器和性能,以防可能出现积冰的异常现象。

这些异常包括飞机没有保持在修剪状态,以及压力与GPS高度和空速之间的差异,特别是当压力高度/空速保持恒定或落后于GPS读数时,表明皮托管已被堵塞。虽然有意飞入有冰或可能有冰的空域绝不是一个好主意,但许多飞机都经过了可进入已知冰状态的飞行认证。

这仅表示此类飞机具有旨在在一段时间内减轻积尘的防冰和/或除冰措施,通常可以有足够的时间安全地离开积冰区域并避免积聚。在任何情况下,飞行员都应该熟悉结冰咨询信息,例如FAA的AC 91-74B以及其特定飞机的AFM或POH。在地面上,在尝试起飞之前,应采用批准的除冰方法。

大多数除冰液会使表面保持无冰状态大约持续一段时间,或者直到起飞后几分钟。出发延误可能需要第二轮除冰。飞行员也应该谨慎,因为覆盖飞机的冰冻雨很可能还会在冰上覆盖滑行道和跑道。

预期会进入一个可能会结冰的区域,在发现任何冰块之前应采取防冰措施。一个好的经验法则是在可见湿气和OAT低于2°C(35°F)左右的最初迹象时启动防冰系统。如果发现积垢,应激活除冰系统。

许多飞行员选择推迟弹出除冰靴的时间,直到积满足够的冰为止,错误地认为薄冰薄板更难以去除,而反复使用可能会在较厚的冰层下方形成气袋,从而使冰无法去除。

飞离结冰条件

无论飞机上的除冰系统是哪种类型,最好都遵循AFM或POH的规定进行正确使用,并尝试在结冰情况恶化至使除冰系统失效之前将其从结冰状况中移除。

保持防冰或除冰系统处于活动状态也是值得的,直到您可以确定飞机及其系统保持并且可以保持无冰状态为止。离开结冰区域通常就像改变高度一样简单。出发前,请务必在飞行路线上妥善处理冻结水平。这将为定位温暖的空气提供最直接的帮助。

该地区的管制员,飞行值班员或其他飞行员也许还能告诉您哪里可以找到暖和的空气。在锋面附近的地表附近,额叶边界呈现温度反转,温暖的空气越过地表较冷的空气。大多数地面锋面仅在地面上方几千英尺处延伸,因此爬升至温暖状态可能只需要很小的高度调整即可。

如果没有前面,几乎总是会在较低的高度找到较热的空气,如果高度足够,下降会导致您接近融冰的温度。自然,利用机载或地面雷达数据(如果有)快速寻找晴朗的空气将阻止任何进一步的积聚,尽管将空气温度降至零度以下有助于将已经积聚的冰保持在适当的位置。

像往常一样,如果您在预测的地区捡到冰,或者没有到冰上,请务必提交必读,以帮助气象学家和您的飞行员更好地查明危险区域。


Karsten Shein是ExplorEiS的联合创始人兼科学总监。他曾是Shippensburg大学的助理教授和NOAA的气候学家。 Shein持有具有仪器等级的商业许可证。

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