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特殊气候环境对飞机的影响(一)

 2015-03-14 来源:民航资源网 作者:适航与安全  [投稿排行榜]

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      飞机运行过程中可能会遇到各种特殊恶劣气候环境,包括极端高低温、结冰、突风、雷电、高强辐射场(HIRF)、低能见度(雾、尘、雨、雪等)、火山灰或沙尘暴等,这些特殊气候环境对飞机的运行会造成不同程度的影响。据统计,有14%的民航事故是由恶劣天气引起的,其中又有34%的灾难性事故与天气有关。为了保证飞机在遭遇恶劣天气时能有一定的承受能力,并及时作出规避,不论飞机适航性要求和运营要求,还是飞机在研制取证和运营过程中,均会考虑特殊恶劣天气对飞机的影响。“适航与安全”微信平台将和大家聊一聊特殊气候环境对飞机的影响、相关要求及应对措施,本期主要谈谈高低温、结冰、突风天气。

      1. 高温、低温环境

      高温、低温环境是飞机运行所遇到的最为常见的环境,在世界各地运行的航空器可能经历的极端低温环境温度在-55℃以下(11km以上恒温层大气温度为-56℃),极端高温环境温度也可能在+60℃以上。飞机机载电子电气设备、液压系统、燃油系统等正常工作也有一定的温度限制。温度太低会导致电子电气设备无法正常启动、液压油或燃油结冰,温度太高也会导致电子电气设备性能下降、结构材料承载能力下降。

      CCAR 25部25.1309(a)款要求航空器机载设备、系统及其安装必须保证在各种可预期的运行条件下能完成预定功能,这里“可预期的运行条件”就包括预期运行条件下的极端高温和极端低温条件,并需要进行极端高温和极端低温环境条件下的试验验证,并制定飞机运行的温度包线,同时还需要确定其停放环境的温度限制,后者通常比前者温度范围小,这是因为飞机运行过程中有环控系统进行调温,而在停放时可能面临低温冷透后的再启动问题。

      下图为波音737运行环境包线,从图上可以看出起运行环境温度最低可以到-72℃,而起飞和着陆最低温度限制为-54℃(比运行温度高),最高温度限制与运行温度相同。

    图:波音737运行环境包线


      2. 结冰天气

      结冰天气严重危害飞行安全,其危害是多种多样的。例如,机、尾翼结冰,破坏其气动外形,致使飞机丧失升力和操纵性;螺旋桨结冰,其外形改变,致使飞机丧失推力;发动机进气道结冰,可能使发动机丧失推力;飞机操纵面、刹车及起落架结冰,可能影响其正常功能;旋翼桨叶上结冰,多寡不均,可能导致直升机失去平衡,增强振动水平;飞机动压管结冰,使飞行速度与高度表读数失真;飞机天线结冰,致无线电及雷达信号丧失等。

      图:飞机机翼结冰现象


      20世纪80年代以来,飞机防除冰问题引起了国际航空界广泛关注。各国适航当局发布防除冰适航性要求,例如FAR 25.1419“防冰”要求必须通过飞行试验验证FAR 25部附录C中确定的连续和间断的最大结冰状态下安全飞行的能力,同时必须具备探冰和作动机体防除冰系统的方法。在设计上,为克服飞机高空飞行遭遇机翼结冰问题,允许结冰条件下飞行的民机的机翼上都装有防除冰设施,包括电加热或热空气除冰设施、除冰套除冰设施等。

      1994年10月美国老鹰航空ATR-72客机空难后,FAA意识到一种更为严重的结冰天气(过冷大水滴(SLD),包括冻雨或冻毛毛雨)严重危害到了飞机的飞行安全,且现阶段25部附录C结冰气象条件已无法覆盖SLD结冰天气条件。经过20年的研究,FAA与2014年11月发布了25-140号修正案,新增了FAR 25部附录O“SLD结冰条件”及相关适航性要求。

      然而,目前世界上运行的飞机的防除冰系统还都是按照25部附录C结冰条件进行设计,不具备在过冷大水滴结冰条件下安全运行的能力,因此一旦遇到严重结冰天气,尤其是冻雨天气,一定要停飞或绕飞,禁止飞入该种结冰环境。

      3. 突风天气

      据统计,突风(包括大侧风、顺风和风切变)与30%以上的进近及着陆事故和15%的可控飞机撞地(CFIT)事故相关。风切变是4%的进近及着陆事故的主要诱因,它也是造成重大伤亡事故的第九大原因。2014年7月23日台湾复兴航空1架GE222班机(ATR72型客机)空难就是因为降落时遇上了突风。

      大风天气往往给航班运行带来不利影响,甚至导致大量航班延误或取消。一般来说,影响飞机飞行的风大约有5种:

      逆风:即迎面吹向飞机的风,对飞机起飞和降落有利,一般在逆风情况下起飞或降落。

      顺风:即从飞机后面吹来的风。飞机通常会避免在顺风情况下起飞或降落。

      侧风:即从侧面吹来的风。飞机降落时如遇到侧风剧变,可能偏离跑道中线。

      风切变:即大气中不同两点之间的风速或风向的剧烈变化。对飞机起飞和着陆安全威胁最大的是低空风切变。

      湍流:它是由大气快速不规则地流动所引起的,使飞机产生颠簸。

      CCAR 25部25.341“突风和紊流载荷”和附录G分别给出了飞机离散突风设计准则和连续突风设计准则,要求在飞机飞行载荷设计过程中需要充分考虑突风和紊流载荷。其中,离散突风设计中,必须考虑海平面上参考突风速度为17.07米/秒(56.0英尺/秒)当量空速(EAS)的正负突风;连续突风设计中,必须考虑在0到9140米(30000英尺)的高度区间上真实突风速度25.90米/秒(85英尺/秒)。

      按照上述适航性要求设计和验证的飞机都有一定的抗突风能力,而且飞机越大抗突风能力也越强。飞机在取证时,都要进行大侧风试飞,验证飞机的扛侧风能力,并确定飞机的侧风风速限制。例如,波音737-800型飞机的最大验证侧风为不带小翼36节(18.5m/s),带小翼为33节(17m/s),这可能是飞机的极限抗侧风能力,考虑到飞机运行的安全裕度,在飞机飞行手册中确定的侧风限制风速比前述速度小,可能为30节(15m/s),当机场跑到的侧风风速高于该值时,该型飞机是禁止起飞或降落的。

      以上就是本期“适航与安全”微信平台跟大家分享的特殊气候环境中高低温、结冰、突风天气对飞机影响,下期将继续和大家呈现雷电、高强辐射场(HIRF)、低能见度天气(雾、尘、雨、雪等)、火山灰或沙尘暴等特殊气候或环境对飞机飞行安全的影响,敬请关注。

      (注:本文由工信部民航局适航性技术研究与管理中心适航与安全微信团队(微信公众号:适航与安全)授权民航资源网刊登,作者:胡涛

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    (供稿:工信部民航局适航性技术研究与管理中心

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