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美国一架公务机报完结冰后急速下坠:一万米高空,哪来的冰?

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当地时间11月1日中午,美国一架载有9人的Learjet 60公务机,从得克萨斯州奥斯汀飞往巴哈马途中,坠毁在佛罗里达州西棕榈滩附近的居民区。

FR24的航迹数据与流出的陆空通话录音,记下了这架飞机(注册号N722BD),
在最后几分钟的经过,飞机在佛罗里达上空下到约10700米(35000ft)高度,起初无线电里还啥事没有,机组向迈阿密管制报遇上了轻度明冰、还能应付,伴随中度颠簸;顺着管制员的询问报出外界气温是−47°C,还客气地说要是有更平稳的高度麻烦知会一声。没过多久,机组说碰上了降水,申请爬升到约11300米(37000ft)。

刚复诵完爬升指令不久,无线电里突然传出机组的Mayday求救,紧接着宣告紧急状态,报出飞机正在急速下坠、空速也超出了上限。管制员当即放开所有高度限制,问他们需要什么帮助,那头却传来飞行员近乎绝望的声音,说飞机就要撞地了。管制员在频率里紧跟着回话,说我陪着你们,跟我说话。航迹显示,飞机短暂爬升后向右大角度俯冲,传回的下降率超过每分钟32000英尺,相当于每秒往下掉160多米。急速下坠之后,任凭管制员在频率里一遍遍呼叫,又托附近的西南航空客机帮忙喊话,那头也再也没有回音。

事故原因目前由美国国家运输安全委员会(NTSB)调查。在听完这段让人后背发凉的录音,很多人心里都会冒出一个疑问,这一万多米高空、外界零下47度,云里按理早没液态水了,飞机怎么还会遇上结冰?


图注:Learjet 60

气温越低,机身反而越不容易积冰

通常情况下,没加温的机身表面要想结冰,云里需要有液态水滴。云层里飘着的水滴非常小,平均直径只有20微米左右,差不多是头发丝粗细的五分之一。

哪怕气温降到0°C以下,这些小水滴也不会结冰,一般都是液态,气象上叫“过冷水滴”。飞机钻进这样的云里,过冷水滴迎面拍在冰冷的蒙皮上,很快就会冻住,如果要是冻的慢一点,水滴先顺着蒙皮铺开再冻实,就会结成一层又硬又透亮的明冰。可要是云里已经是冰晶了,打在冷蒙皮上大多就像干沙子撒在铁皮上一样直接弹开了。


图注:NASA明冰

所以机身结冰并不是天越冷越厉害,刚降到0°C以下的零下几度的时候,云里可能全是过冷水滴,赶上云中液态水充沛,机身积冰通常最重。温度继续往下掉,云里产出的冰晶会越来越多,过冷水滴蒸发后又不断凝华到冰晶上,云里的液态水就这样一点点被抽干了。

等降到−20°C以下,大多数云里就没什么液态水了;再冷到−40°C左右,过冷水滴就几乎没法再保持液态了。飞机爬升到约7600米(25000ft)以上,碰到的云里基本都是冰晶,按理说机身上很难再结出冰来。


图注:NASA雾凇冰

冰晶遇上飞机的发热部位,照样能结冰

不过碰上雷暴这类强对流天气,万米高空也没那么安稳。发展迅猛的积云和积雨云里,强劲的上升气流能托住大量水滴,让结冰云层上下延伸上千米;在热带锋面和雷暴里,上升气流还会把海量水汽一路顶上高空,从而凝成密密麻麻的冰晶。雷暴云顶向四周摊开好几公里的云砧,里头基本都是这种冰晶,哪怕底下的雷暴早就消散了,高空这大片冰晶云还能悬在那很久不散。


图注:超级单体云砧

一般冰晶打在没加温的冷蒙皮上大多都会弹开,但要是遇上机身发热的部位就是另一回事了。飞机开启风挡加温或前缘防冰时,这些表面会持续发热;速度够快的时候,迎面空气受压缩也会让前缘升温。云砧或高空卷云里的冰晶撞上这些发热表面,就可能融化成水,顺着气流流到后面没加温的冷蒙皮上重新冻住。


更棘手的是高空冰晶云很难提前去预防。云里要是只有冰晶、没有液态水,雷达反射率大约只有雨滴的二十分之一;机载气象雷达只平着往前扫的话,屏幕上几乎没有回波,飞行员就要把雷达天线往下压,去扫前方低空零度层附近的降水。如果要是低空出现强回波,就说明那片区域上方的高空可能聚着大量冰晶。如果穿到这种冰晶云里,机身外面的普通结冰探测器通常是测不出来的,机体表面一般也看不出什么积冰。

可就算机体外面看着没事,冰晶照样可能往涡轮发动机里面钻。平时遇到过冷水滴,冰一般结在进气道、风扇和压气机前几级;高浓度冰晶却容易穿过前段,直接到压气机深处结冰。里面的冰越积越多,或者成块甩脱打伤压气机,发动机就可能自己掉推力、喘振,甚至熄火停车。

FAA记录过这类发动机内部结冰事件,最高出现在约12800米(42000ft)高空,外界气温低于−45°C。


图注:NASA高空冰晶发动机试验

同一个防冰开关,机翼通热引气,平尾靠电加温

按FlightSafety编写的Learjet 60飞行员训练手册,这型飞机的防冰系统必须在进入结冰环境前打开。驾驶舱防冰面板上有个标着STAB WING HEAT(水平安定面与机翼加温)的电门;在空中打开它,机翼和水平尾翼会一块加温防冰,但走的是两套完全不同的热源。


机翼靠发动机引气防冰:

引出的热空气经过关断和调压活门,通进左右机翼前缘里的分配管加热蒙皮,随后再排进中央翼和主起落架舱,给收在里面的主轮和刹车加温。

架在垂尾顶端的T型水平尾翼不用引气,而是在左右前缘各铺了一块橡胶电热垫,接飞机28V的直流电。两侧电热垫顺着翼展方向一共嵌了14根加热条,最前缘的2根持续通电加热,上下表面其余12根由电子控制器按时序轮流接通,每根每次通电15秒。哪怕做成了轮流通电,这套平尾防冰一开,每台发电机的负载电流还是会涨大约60安培。


水平尾翼更容易积冰,在驾驶舱里却看不见

水平尾翼通常比机翼薄,碰上过冷水滴时,迎风面越窄、越薄的部件越容易沾上水滴,结起冰来比机翼更快。不少飞机专门在飞行员视线里装一根细小的结冰探头,就是因为这种细杆子最先结冰。许多大型喷气式客机之所以能省掉平尾防冰,是因为它们的平尾做得很厚且不容易积冰,而且适航取证时验证过,就算带了冰,正常飞行中也到不了失速迎角。

平尾之所以关键,是因为常规飞机的重心大多在机翼升力中心前面,机头天生有往下沉的力矩,需要靠水平尾翼提供向下的气动力压住机尾来配平。

可是在Learjet 60上,飞行员坐在驾驶舱里,白天只能看风挡下角和机翼前缘,夜里靠风挡红光探冰灯,或者是打亮检查灯去看右翼外侧前缘那块黑色观察区。手册里特意提醒,哪怕盯着这些地方看,机翼上透明的明冰有时候还是很难发觉,还有高高架在垂尾顶上的水平尾翼,在驾驶舱里更是连影子都看不到。


在1999年8月,FAA还专门发过一道适航指令(AD 99-16-03):

起因是一架Learjet 55在飞行中出现严重的操纵抖振,查下来是水平安定面防冰系统出了故障。这道指令点名了1998年服务通告里指定序号的Learjet 23到60系列飞机,要求机务做一次目视检查,挨根核对平尾防冰引线和机身线路的线号有没有接错;查出不对必须先修好再放飞,还需要在每个接线排左右两侧装上线号标识带、贴上警告标牌。FAA防的就是平尾前缘在机组毫无察觉的时候结冰,最后影响俯仰操纵。

看到“尾翼结冰”和“大角度俯冲”,很多人容易联想到教科书里的“结冰尾翼失速”,飞机进近着陆、放下襟翼时,机翼离失速更远了,可朝下压机尾的水平尾翼承受的负迎角却更为极端,前缘带冰时反而更容易失速。

要是平尾失速,原本往下压住机尾的气动力骤减,机头就会猛地往下栽。不过按2015年版FAA结冰咨询通告的统计,容易发生这类失速的机型,很少在放全襟翼之前中招,还有巡航阶段或者只放了一部分襟翼时发生尾翼失速,通告里还没有已知先例。

早年针对特定批次飞机的接线检查指令,还有低空放全襟翼时的尾翼失速,都不能直接套到这次佛罗里达事故上;N722BD在复诵爬升指令之后到底遭遇了什么,还是等NTSB后续的报告吧。

只是再回头再听那段录音,机组在零下47度的高空平静地报出轻度明冰还能应付时,谁也没想到局面会急转直下的这么快。一万多米高空的严寒确实让云里很难再留住液态水,可如果真碰上强对流天气,高空冰晶在雷达上几乎不显回波,垂尾顶上的平尾在驾驶舱里又根本看不见。外头冻到零下四五十度,并不代表飞在上面就不用提防结冰了。


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