隆冬腊月，飞机也怕结冰？

　　水凝固为冰是我们熟悉的物理过程，一旦温度低于冰点，液态的水往往就会变作固态的冰。如今隆冬腊月，结冰现象更是十分常见。冰，可以让人们体验到酣畅淋漓的滑冰运动，还能幻化成异彩纷呈的绝美冰雕。然而，冰也常常令人苦不堪言，比如路面结冰会影响行车安全，水管结冰会导致爆裂，电线电缆结冰会使基站坍塌……对于飞机而言，结冰也是个麻烦事儿。

　　一架穿上冰衣的飞机（图片来源：NASA）

　　飞机缘何会结冰？

　　提到飞机结冰，小伙伴们或许会想到这样的景象：雨雪天气里，停机坪上的飞机个个都穿上了一层冰衣。其实，多数情况下飞机结冰并不发生在地面，而是在天上。

　　机翼上挂满冰溜的飞机（图片来源：NASA）

　　我们知道，在大气对流层下半部的云层中，有很多过冷水滴，即温度低于冰点却仍未凝固的液态水滴。过冷水滴的状态十分不稳定，只需受到外界一点点扰动，就会迅速结成冰。当飞机在云层中高速飞行时，如果飞机部件表面温度低于冰点，过冷水滴撞击后就会很快聚积成冰。这种现象被称为“水滴积冰”，它是导致飞机结冰的罪魁祸首。

　　过冷水滴经过机翼时的运动轨迹（图片来源：参考文献[4]）

　　此外，飞机偶尔还会遇到“干结冰”和“凝华结冰”的问题。当飞机穿过雨夹雪或含有大量冰晶的云层时，发动机等温度较高的部件会使冰晶融化沉积，然后再凝固成冰，这便是“干结冰”。至于“凝华结冰”，顾名思义，它和雾凇的形成原理相同，指的是空气中的水汽在机身表面凝华成冰的现象。

　　总体来说，影响飞机结冰的因素主要有3个。其一，飞机的外形形状，这是由于飞机外形直接影响流场分布，从而影响了撞击在飞机表面上的水滴分布情况。其二，飞机的飞行状态，研究发现，当飞行速度在亚音速以下或附近、飞行高度介于3至7千米时，最易结冰。其三，飞行的气象条件，如环境温度、云层形式、云层范围、空气中液态水含量等，通常，积云和积雨云最易导致飞机发生严重的结冰现象。

　　积云虽美，却易使飞机结冰（图片来源：en.wikipedia.org）

　　飞机结冰有何危害？

　　飞机结冰对飞行安全有诸多不利影响，首先就表现在改变飞机的气动外形。当机翼和尾翼结冰后，表面粗糙度会变大，从而增加了飞行阻力，减小了升力。科学家们通过风洞和飞行试验证明，即使机翼前缘的积冰厚度只有一毫米，也会使阻力骤增40%，升力锐减30%。

　　结冰还严重影响飞机的操纵性。例如，若操纵面结冰，由于质量分布改变，操纵杆上的力也会随之变化，操纵效率大为降低。最令人头大的还属隐匿在操纵面缝隙间的冰，它能诱发操纵面卡死，使飞机的操纵性能完全丧失。

　　发动机转子叶片上的积冰，它会降低发动机效率（图片来源：en.wikipedia.org）

　　除了影响气动和操纵性能，结冰还增加飞机的起降距离、降低发动机的工作效率和有效推力、干扰正常的通讯导航信息，因此常会酿成严重的飞行事故。2006年6月，我国一架军用运输机在安徽坠毁，机上5名机组人员及35名空军专家全部罹难，堪称我军历史上最严重的空难。调查结果显示，此次空难正是由飞机多次穿越结冰雨云，机身结冰失控所致。据估计，在过去的50年中，因结冰引起的飞行事故已造成至少500人丧生。

　　飞机风挡结冰，严重影响飞行员的视线（图片来源：NASA）

　　飞机结冰如何防范？

　　既然飞机结冰贻害无穷，难道就不能避免吗？答案是肯定的。

　　现代飞机在设计时会在机翼、尾翼、发动机进气道前缘等易结冰的部位安装加热装置，以保证无论在何种气象条件下飞行，这些部位都不会结冰。例如，空客320、波音737等多数客机均通过引气系统将发动机的热气引至机翼前缘，而波音787等则在机翼前缘内壁贴上电加热垫，通过电子调节器实现精确加热。

　　波音737的防冰装置示意（图片来源：参考文献[4]）

　　近年来，一些科学家还从荷叶上找到了新的防冰灵感。生活中我们常会看到，当水滴落到荷叶表面时，水滴并不会粘附在荷叶上，而是聚成球状滚落，这就是“荷叶效应”（请戳?《荷花池里的奥秘》）。如果能制造出不粘水滴的飞机表面，无疑是最直接有效的防冰手段。不过，这种防冰技术目前还只存在于实验室中，距离应用仍很遥远。

　　参考文献：

　　[2] 刘根林,沈海军. 飞机防冰与除冰技术综述[J]. 江苏航空,2003(4):18-20.

　　[3] 周莉,徐浩军,龚胜科,等. 飞机结冰特性及防除冰技术研究[J]. 中国安全科学学报,2010,20(6):105-110.

　　[4] 胡琪,黄安平,孙涛,等. 机翼防/除冰技术研究进展[J]. 科技导报,2015,33(7):114-119.

　　[5] 王光秋. 民机先进技术汇编[M]. 北京:国防工业出版社,2016.

　　[6] 於萧萧. 基于微观物理现象的飞机结冰特性研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2016.

　　[7] 王冠,张德远,陈华伟. 飞机防冰——从传统到仿生的发展[J]. 工业技术创新,2014,1(2): 241-250.