飞机外部结冰，特别是机翼表面结冰，是飞行安全的致命威胁。过去20多年，多起空难被发现与粒径超过1000微米的过冷大水滴（Supercooled Large Droplets, SLD）结冰有关。水一般在零摄氏度结冰，但过冷水可以在零摄氏度以下还保持液态，也可能随环境变化而瞬间结冰。

飞机SLD结冰问题研究可追溯到1994年Roselawn空难。美国FAA在事故调查中发现飞机在飞行中遭遇了超出适航条款要求的大粒径过冷水滴环境，在除冰罩后形成脊状冰，导致坠机事故，类似特征在1994年至今的多次空难中得到证实。为了考虑过冷大水滴问题对于飞行安全的影响，FAA于2014年11月颁布了140修正案，修改了附录C规定的水滴粒径（0-50微米）为新条款附录O（0-1000微米）。

但是历时近20年，对于过冷大水滴实际结冰机理的认识仍比较空白。目前学术研究领域普遍缺乏针对条款的水滴粒径范围实验条件，系统的针对飞机过冷大水滴环境的防除冰措施很不足。

2016年6月22日，上海交通大学航空航天学院副院长刘洪教授在新一期美国《流体物理学》杂志上报告说，中国研究人员用了近10年时间设计能够在地面模拟飞机结冰环境的风洞装置，以及能够精确控制水滴粒径的发生器，对介于0至1500微米之间的过冷水滴的结冰过程进行了系统研究，最终量化出了过冷因素和粒径因素影响结冰速率的物理规律。Physics of Fluids主编专门撰文进行介绍和推荐，在国际上受到了极大关注。

图：实验装置示意图

刘洪教授团队经过长期的深入实验，研究了大跨度粒径过冷大水滴（0-1500微米）中两个重要因素，粒径效应和过冷度影响结冰的机理，定量地精确地给出了过冷大水滴的碰撞壁面时的最大铺展及回缩速率，建立了针对大跨度粒径过冷大水滴结冰理论描述，并从理论上建立了过冷度传热影响的机制，同时建立了新机理下的结冰速率表达式、以及冲击传热的水滴模型，该模型可直接用于目前结冰模拟软件修正原有模型。

刘洪告诉记者：“飞机结冰的速率因为粒径和过冷因素会差别上百倍，这是以前没有认识到的现象和规律，能够帮助解释失事飞机遭遇的极快速结冰问题。”

他指出，这项研究有助提升飞机的设计安全性。目前，他们建立的有关过冷结冰模型、冲击传热水滴模型已应用在国产客机ARJ21和C919的相关设计上。

期刊主编撰文认为：感谢上海交通大学刘洪教授团队为了解决该问题，设计水滴的垂直冰风洞、能够精确控制水滴粒径的发生器，得到完全不同的机理认识，分析看到 “异常结冰现象”、建立“异常结冰现象”机理解释和理论，完成了实验发现到理论提升研究的全过程。该研究结果对飞机安全设计及飞行安全领域的现实意义，有助于整体提升飞机设计的安全性设计水平。实验结果实际上支持了FAA 2014年的140修正案颁布的合理性和必要性，这是对全世界飞行安全领域都很重要的事实。

未来十年该团队将针对飞行安全的实际环境，不断修正理论在实际复杂环境的应用，努力为人类飞行安全做出更大贡献。

文章链接：

Chen Zhang and Hong Liu, "Effect of drop size on the impact thermodynamics for supercooled large droplet in aircraft icing,"  Phys. fluids 28,  62107 (2016);   http://dx.doi.org/10.1063/1.4953411

刘洪教授简介：

上海交通大学航空航天学院教授，博导，Email：hongliu@sjtu.edu.cn

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研究方向：超声速空气动力学理论研究；飞行器设计；飞行器多学科综合优化设计方法研究。

（本文信息来源：上海交通大学网站；由e科网整理编辑）

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