民用飞机自然结冰试飞技术研究

刘立苏

摘 要 当飞机在飞行过程中遇到结冰云层时，飞机表面将产生结冰，由于结冰，飞机性能、操稳特性将迅速恶化。自然结冰试飞就是要试验飞机在最为严苛的气候条件下飞机结冰情况，以及飞机结冰后是否还能安全飞行。自然结冰试飞充满了危险性和复杂性，是民用客机适航取证中最为艰难的几个科目之一。本文从自然结冰试飞适航要求、试飞测试改装、试飞测试保障和组织模式等几个方面对自然结冰试飞进行概述，对国内民机自然结冰试飞成功实施具有重要的指导意义。

关键词 自然结冰；试飞；适航；飞行试验；附录C

中图分类号 V2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0177-02

当飞机在飞行过程中遇到结冰云层时，飞机表面将产生结冰，由于结冰，飞机性能、操稳特性将迅速恶化。若不掌握飞机结冰后的飞行特性，将会使飞机进入危险状态。纵观航空历史，因为飞机空中结冰而产生的空难不胜枚举，无数的人因此失去了生命。自然结冰试飞就是要在真实的最为严酷的结冰气象下对飞机进行测试，验证飞机防除冰系统能否保障飞机在结冰气象条件下安全飞行。

自然结冰试飞是民用飞机适航取证过程中十分重要的科目，对结冰气象、飞机测试改装、飞行组织保障都非常苛刻的要求。本文将从自然结冰试飞适航要求、试飞内容和目的、试飞飞机测试改装、结冰气象保障、飞行组织管理模式等几方面对民用飞机自然结冰试飞进行介绍。

1 适航要求

云层是否能够结冰强度由云层的中的液态水含量、水滴平均有效直径和周围空气温度3个变量决定。自然结冰试飞所需的气象条件由CCAR25部附录C进行规定。附录C将空中大气结冰状态分为连续最大结冰和间断最大结冰。中国民用航空规章（CCAR）主要参考了美国联邦航空规章（FAR），CCAR25部附录C的内容与FAR25部附录C②相同。

2 试飞内容和目的

自然结冰试飞的目的是验证飞机在25部附录C所规定的真实的结冰气象条件下飞行时，飞机各系统（环控、防冰、电源、发动机、APU、导航、大气数据系统等）是否能够正常工作使飞机防护表面不产生结冰及即使结冰后也要具有足够的性能和操纵品质使飞机安全飞行。同时通过自然结冰试飞时飞机未防护表面结冰的形状来检验模拟冰型试飞所采用的冰型的正确性。

3 试飞飞机测试改装

为了保障飞机在自然结冰试飞时试飞安全和测量自然结冰云层参数，测试飞机需要进行专项试飞测试改装。通常来说，为了进行自然结冰试飞而进行的专项试飞测试改装包括摄像头改装、机翼前缘喷漆改装、平尾结冰标尺改装、发动机吊挂和唇口喷涂改装、CCP及监控改装等5个方面。

1）摄像头改装。自然结冰试飞过程中需监控、记录飞机各个位置结冰情况。摄像画面可以拍摄飞机各关键部位实时画面，并在客舱监控平台上显示，帮组机组监控飞机表面结冰情况，保证飞行安全。同时，摄像画面记录的结冰情况是适航符合性的重要依据。

2）机翼前缘喷漆。为了更好地观测机翼前缘的结冰情况，需在机翼前缘喷涂黑色哑光底漆和黄色刻度线。另外，由于机翼前缘结冰可能会超过缝翼上表面，因此，要将上翼面的喷涂区域向后方主翼表面延伸150mm。

3）结冰标尺改装。为了测量机翼前缘和平尾前缘结冰厚度，需在机翼前缘和平尾前缘安装结冰标尺。标尺为扇形铝板，用黄色、黑色哑光漆标出刻度，最小刻度为1英寸，共4英寸。从实际需求出发，只在左侧机翼翼尖和左侧平尾翼尖安装两个标尺。

4）吊挂及发动机唇口喷涂改装。为了更好地观测发动机吊挂前缘的结冰现象，将吊挂前缘喷涂黑色哑光漆，并在吊挂前缘附近的短舱外表面以及沿吊挂弦向喷涂标尺以测量结冰厚度和结冰范围。为了更好地观测发动机唇口结冰情况，将发动机唇口喷涂黑色哑光漆。

5）CCP及监控改装要求。自然结冰试飞中用来测量结冰云层中水滴直径和水含量的仪器是组合式云测量探头（CCP）。CCP能够实时探测外界大气中水滴直径（MVD）、液态水含量（LWC）、温度、空速。CCP主要由CDP、CIP、HOTWIRE、空速管等几个部分组成。

CCP在飞机上安装位置的选择，必须使其脱离飞机流场对水滴的影响，测量出外界大气的真实情况。安装前需用CFD计算出飞机表面水滴流场分布，找出合适的安装位置，避开水滴加强区和减弱区。

4 结冰气象保障

自然结冰气象预报主要预报自然结冰气象条件，对自然结冰气象条件出现的概率、位置、时机和气象特征进行预报。高质量的气象数据对于结冰试飞的成功至关重要。自然结冰气象保障主要用到的预报资料有高质量的卫星云图、气象雷达数据，探空气球数据、地面观察站数据以及民航飞行员结冰报。

预报内容包括结冰云团的分区区域，云团的大小和连续性，出现结冰的概率；结冰云层的温度、液态水含量和水滴直径；结冰云层的運动趋势，最佳采集时间和采集策略等。

气象专家在讲评的时候，使用卫星云图和雷达数据来讲述自然结冰气象出现的位置，使用等温线、液态水含量分布曲线等来说明建议的飞行高度和采样策略，使用杰普逊航图来说明建议的飞行路径。

5 试飞组织模式

由于自然结冰气象条件极其难得，往往需要在很大的空域范围内开展追云试飞，而地面遥测系统的有效范围总是有限的，国外自然结冰试飞普遍不设置地面监控，以提高追云试飞的工作范围。而在国内，该类试飞科目不设置地面监控并没有先例。国内某型飞机在国外开展的自然结冰试飞中，首次采用了此模式，飞行中不设置地面遥测监控，使得飞机追云试飞的范围不再受遥测监控范围的限制，大大增加了自然结冰试飞灵活性。所有的安全保障和技术决策均由机上人员完成，提高了技术决策的效率。

6 结论

一次成功的自然结冰试飞对飞机测试改装、结冰气象保障、飞行组织管理模式等方面都有极其严苛的要求。本文基于某型飞机自然结冰成功经验对这几方面进行了介绍，对其他机型自然结冰试飞成功开展有一定借鉴、指导意义。

注释

①CCAR25 R4 中国民用航空规章第25部.运输类飞机适航

标准.

②FAR25 PART25 Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes.endprint