飛機除冰背後的科學：確保飛行安全的關鍵步驟

如果你經常搭飛機，或許曾在冬季旅行時遇到這樣的情況：機場廣播傳來航空公司員工的聲音，宣佈飛機需要進行除冰作業，因此航班將稍有延誤。但這個過程究竟是如何進行的？為什麼它如此重要？作為一名研究表面霜凍和水滴的機械工程師，我深知飛機除冰的重要性。事實上，除冰是航空公司在冬季不可或缺的安全步驟，因為冰雪會影響飛行的物理特性。

簡而言之，除冰之所以必要，是因為飛機機翼上的冰雪會使升力減少高達30%。升力是讓飛機保持在空中的垂直向上力，當空氣流過機翼時便會產生。冰雪會改變空氣流過機翼的方式，進而影響飛行員操控飛機的能力，同時也可能增加失速速度，這對飛行安全極為不利。失速速度是指飛機產生足夠升力以保持飛行所需的最低速度。

此外，機翼上的冰塊可能在飛行中脫落，損壞機翼的襟翼或引擎。因此，除冰已成為飛行中不可或缺的一環，特別是在冬季。

許多人對冬季用於道路的化學除冰劑並不陌生，但這些產品中的鹽分具有腐蝕性，因此不適用於飛機。飛機除冰劑主要由乙二醇（一種無色無味的有機液體）的水溶液與多種新增劑混合而成。這些新增劑可能包括增稠劑、防腐劑、降低表面張力的表面活性劑、阻燃劑以及染料。乙二醇能有效降低水的冰點，使水更難在表面結冰或保持冰凍狀態。丙二醇和乙二醇是最常用的兩種，通常佔除冰溶液的30%至70%。

多年來，由於成本低廉，乙二醇是除冰劑的唯一選擇。然而，自1980年代以來，丙二醇因其對野生動物和人類的毒性較低，逐漸被商業航空公司廣泛採用。

航空公司在除冰時通常使用四種標準液體，這些液體具有不同的黏度和保護時間。黏度是液體流動阻力的量度，而保護時間則是指液體在冰雪條件下保護飛機的預期時間。

在美國，航空公司通常採用兩步除冰程式。首先，使用加熱的I型液體或I型液體與水的混合溶液進行除冰，以去除機翼上現有的冰雪。I型液體是最稀的除冰液，通常為紅色或橙色，因其黏度最低，能輕鬆覆蓋飛機表面。然而，它的保護時間也最短，通常不到20分鐘，具體取決於天氣條件。

接著，地面人員通常會為飛機塗上防冰液，通常是II型或IV型。防冰液用於防止冰雪在機翼上重新積聚。II型和IV型液體含有增稠劑，能增加其黏度，使液體在飛機表面停留更長時間，從而延長保護時間，通常超過30分鐘。II型液體為透明或淡黃色，而IV型液體通常為綠色，染料的使用有助於地面人員清楚識別已塗覆和未塗覆的區域。

III型液體現已較少使用，其設計目的是在較低速度下脫落，因此有時用於小型通勤飛機，因為這些飛機的速度通常不如商用噴射機快。

除冰過程也需考慮環境因素。乙二醇在生物降解過程中需要大量氧氣，這可能消耗溪流或湖泊中的溶解氧，威脅魚類和其他水生生物的生存。此外，乙二醇對野生動物有毒，因此美國環境保護署要求機場監控其雨水排放。大多數機場會收集並處理雨水逕流，或將其送至市政汙水處理設施。

機場也越來越多地使用液體回收系統，以回收乙二醇並捕捉這些液體中的有毒新增劑。他們通常會在指定區域進行飛機除冰，以便收集並儲存從飛機上流下的液體，直到能夠回收利用。

在飛行中，飛機使用其他技術來降低結冰風險。例如，大多數現代飛機使用引氣系統，將引擎壓縮機的熱空氣透過內部管道引導至機翼前緣和其他關鍵區域，以防止飛機在空中結冰。有些飛機還使用嵌入機翼的電加熱面板來產生熱量。這些控制系統通常無法在地面使用，因為它們依賴於冷空氣流過機翼表面，這種氣流通常在巡航高度才能實現，以防止飛機表面過熱。

航空公司有時也會使用防冰塗層，以延遲新冰的形成並減少其附著力。小型飛機則可能在機翼上使用稱為氣動靴的充氣橡膠條，必要時可充氣以去除機翼前緣積累的冰塊。

飛行確實是現代科學的奇蹟。不僅讓飛機起飛需要大量工程技術，保持飛機在飛行中無冰也同樣重要。所以，下次你在機場遇到因天氣導致的延誤時，請記住，除冰是確保飛行安全與順利的關鍵步驟。