基于水平距離形式的結冰包線研究
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摘 要：FAR25部附錄C定義的結冰包線將云層液態水含量、云層水滴平均有效直徑和環境溫度作為變量，將云層水平距離視為常量。然而在大多數情況下，飛機在飛行中遭遇的云層的水平距離比標準水平距離更短或更長，所以更為實用的結冰包線是基于液態水含量-水平距離形式的。該文介紹了FAR25部附錄C的形成背景及使用方法，并基于FAR25部附錄C的結冰包線，給出了不同連續最大結冰條件水平距離的液態水含量，同時繪制了環境溫度一定時和中位體積直徑一定時基于水平距離形式的結冰包線，為確定不同云層水平距離所對應的液態水含量提供了一定的便利和指導。
關鍵詞：結冰包線 水平距離 液態水含量 液態水含量系數
中圖分類號：V21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0069-05
FAR25部附錄C定義的結冰包線將云層液態水含量、云層水滴平均有效直徑和環境溫度作為變量[1]，將云層水平距離視為常量。在FAR25部附錄C中定義的連續最大結冰條件液態水含量-平均有效水滴的關系圖只適用于水平距離為17.4海里的冰云，間斷最大結冰條件液態水含量-平均有效水滴的關系圖只適用于2.6海里的冰云。
對于申請在結冰氣象條件下飛行的運輸類飛機，必須在測定的自然結冰條件下進行飛行試驗[2]。大多數情況下，在飛行中遭遇的冰云的水平距離會更短或更長。為了將飛行試驗數據與附錄C的包線相比較，應當將飛行試驗數據平均到與附錄C的包線相同的距離上，這種方法并不總是有效的，尤其是在遭遇的冰云水平距離比標準水平距離短的時候。使用FAR25部附錄C中的連續最大/間斷最大結冰條件液態水含量系數與云層水平距離曲線來調整平均遭遇的液態水含量，以得到在17.4海里或2.6海里的距離上的等效值是不合適的，應當使用連續最大/間斷最大結冰條件液態水含量系數與云層水平距離曲線來調整FAR25部附錄C的液態水含量曲線，以與飛行試驗中得到的實際平均距離相匹配。
對冰云的平均有效水滴直徑的測量統計分析表明，平均有效水滴直徑比通常認為的變化范圍要小得多。因此，與飛行試驗數據比較的時候，水平距離可能是更有用的變量。
該文介紹了FAR25部附錄C的形成背景和使用方法，并基于FAR25部附錄C的結冰包線，給出了不同連續最大結冰條件水平距離的液態水含量，同時繪制了環境溫度一定時和中位體積直徑一定時基于水平距離形成結冰包線，為確定不同云層水平距離所對應的液態水含量提供了一定的便利和指導。
1 FAR25部附錄C的形成背景
FAR25部附錄C從1964年開始使用，目的是選擇用于飛機結冰防護系統設計需考慮的結冰條件參數值。附錄C中給出的連續最大結冰條件，它們是運輸類飛機結冰防護冰系統設計必須考慮的層云結冰條件。附錄C中給出的間斷最大結冰條件，代表對流云、積云的結冰條件。通常，連續最大結冰條件用于機體的結冰防護，如機翼、尾翼。間斷最大結冰條件適用于發動機進氣道和導向葉片的結冰防護[3]。附錄C的結冰條件更側重于對飛機設計的應用，并不包含全部的結冰特性。
按統計學規律，FAR25部附錄C中的圖1和圖4涵蓋了在給定的冰云的水平距離、溫度、典型水滴直徑下，冰云中可能存在液態水含量概率的99%。對于圖1層云的標準水平距離為17.4海里，圖4中積云的標準水平距離是2.6海里，這兩個標準水平距離選定主要是因為NACA在20世紀40年代進行結冰研究的旋轉柱狀傳感器的覆蓋范圍分別為8.7海里和2.6海里，并沒有其他含義。在50年代初期，NACA和美國國家氣象局的研究人員對上面的結冰條件進行了評估并形成了目前附錄C的基礎。
在結冰條件的運用中，通常使用中位體積直徑或近似的變量——平均有效直徑來代表實際水滴大小的分布。中位體積直徑隨著每種不同大小的水滴數量的變化而變化，對于層云一般平均尺寸為15μm，積云為19μm。在冰形計算中，中位體積直徑已被用于替代實際分布式的水滴直徑[4]。
2 FAR25部附錄C的使用
目前，國內外沒有一個綜合性指南來指導如何使用FAR25部附錄C，設計人員通常選用推薦的同飛行高度相應的中位體積直徑和溫度從附錄C的圖1和圖4中獲得最大的液態水含量。
2.1 暴露距離的選擇
從FAR25部附錄C中的圖1和圖4中獲得的云層液態水含量值僅對標準水平距離17.4海里或2.6海里有效。這是由NACA研究人員推薦的用于結冰防護系統設計的“合適”距離。
如果需考慮更長或更短暴露距離，則需按照附錄C圖3和圖6的液態水含量系數與云層水平距離曲線來對液態水含量進行修正，這主要因為更長的距離將導致在暴露距離中更低的最大液態水含量值。例如：飛機穿越100海里的結冰層云，通過查圖3就可得到相應的液態水含量系數為0.46，如給定的中位體積直徑和溫度分別是0.15μm和-10℃，那么在100海里水平距離范圍內最大平均的液態水含量為0.46×0.6g/m3=0.28g/m3。
暴露距離的選擇取決于申請人。一個常用的方法是在一個較長的可能暴露距離100海里或200海里估計未防護表面的冰積聚。這種情況下從FAR25部附錄C中的圖1獲得的液態水含量應按照圖3選定的暴露距離對應的液態水含量系數進行修正減小。另外一種方法是估計45min等待條件下未防護表面上的冰積聚。這種情況下，通常假設整個等待飛行在水平距離為17.4海里的冰云中進行，而不需要進行任何修正，可直接使用圖1中的液態水含量。 2.2 中位體積直徑的選擇
目前的方法是選擇40μm的絕對水滴直徑（不是中位體積直徑）應用計算機軟件對翼型水滴撞擊區域進行計算，這種情況下不考慮暴露距離。傳統方法也使用20μm的中位體積直徑對標準水平距離或更長的水平距離下的冰積聚進行計算。盡管20μm的中位體積直徑被廣泛用于冰積聚率和冰積聚數量的計算，但FAA建議應考慮整個中位體積直徑的范圍[5]，這意味著飛機設計人員應考慮水平距離至少17.4海里、中位體積直徑直到40μm的情況。
3 FAR25部附錄C基于距離形式的轉化
3.1 附錄C的形式轉化
為了簡化，該文只對連續最大結冰條件進行轉換，間斷最大結冰條件轉化方法相同。根據FAR25部附錄C的圖3，可獲得暴露云層水平距離的液態水含量系數，然后與17.4海里標準水平距離條件下的液態水含量相乘，得到不同水平距離、不同環境溫度和不同的中位體積直徑所對應的液體水含量。典型狀態下不同云層水平距離的液態水含量見表1。
為了更清晰、更方便地查找不同水平距離下連續最大結冰條件的液態水含量，該文將其上表數據插值繪出，見圖1、圖2。圖1中的各圖是環境溫度一定時連續最大結冰條件基于水平距離形式的轉換。圖2中的各圖是中位體積直徑一定時連續最大結冰條件基于水平距離形式的轉換。
3.2 附錄C轉化為基于距離形式的結冰包線
對于水平距離的形式，申請人可以使用液態水含量系數與云層水平距離曲線將附錄C中的圖1和4轉換成一個等效的液態水含量。圖3顯示了將FAR25部附錄C的結冰包線轉換為基于距離的形式，中位體積直徑為15μm，溫度為0℃、-10℃、-20℃和-30℃。圖3采用了對數水平距離刻度來同時適應較短的間斷最大包線和較長的連續最大包線。
4 結語
?。?）FAR25部附錄C定義的結冰包線將云層液態水含量、云層水滴平均有效直徑和環境溫度作為變量，將云層水平距離視為常量。然而對冰云的平均有效水滴直徑的測量統計分析表明，平均有效水滴直徑比通常認為的變化范圍要小得多，水平距離可能是更為有用的變量。
?。?）比標準水平距離更長或更短的暴露距離，可根據FAR25部附錄C獲得暴露云層水平距離的液態水含量系數，然后與標準水平距離條件下的液態水含量相乘，得到不同水平距離、不同環境溫度和不同的中位體積直徑所對應的液體水含量。
參考文獻
[1] FAA.Airworthiness Standards： Transport Category Airplanes[Z].14CFR Part 25：519-526.
[2] FAA.Compliance of Transport Category Airplanes with Certification Requirements for Flight in Icing Conditions[Z].AC25-28，2014.
[3] 裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統[M].北京：航空專業教材編審組，1985.
[4] FAA.Icing Design Envelopes （14CFR Parts 25 and 29，Appendix C）Converted to a Distance-Based Format[Z].DOT/FAA/AR-00/30，2002.
[5] FAA.Aircraft ice protection[Z].AC25-73A，2006.
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