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北国风光，千里冰封，万里雪飘。*的诗句下冰雪的世界是如此的广袤、壮丽，但你可曾了解，冰封下的“银装素裹”却是飞行挥之不去的梦魇。
01
飞行的“冰之殇”
大家有没有遇到过这样的情况：冬天，当你火急火燎坐上航班准备飞往目的地时，却被告知航班延误，这时慢吞吞来了一辆地勤车开始喷涂防除冰液。飞行首要是“安全”，而结冰会带来重大的飞行安全隐患。结冰造成的事故约占总事故的12%，其中60%发生在飞机巡航及进场时。2004年11月21日，包头一架CRJ200在起飞后不久发生结冰，造成坠机事故，导致机上53人、地面2人死亡；2006年6月3日，安徽芜湖一架运-8飞机由于结冰坠毁，造成5名机组成员和35名顶尖雷达专家牺牲；2018年1月，贵州一架运8飞机由于平尾结冰失事，12名机组成员牺牲。
关于飞机结冰的研究可以追溯到上个世纪初期，在20世纪30年代，人们发明了最初的飞机除冰装置。在1948年，Preston和Blackman完成了首次飞机结冰试验，结果表明结冰使飞行阻力增加了81%，飞行员感觉整个飞机都要失控了。随着新的飞机设计需求以及新性能的要求，飞机结冰适航只会变得更加严格。美国联邦航空航天管理局（FAA）的适航条例附录C中对运输机和无人机结冰适航条例有着严格的规定。自然结冰后飞机气动特性的评估曾经是ARJ21飞机适航取证征程中的最后一只“拦路虎”。C919大飞机成功首飞后面临的结冰适航取证难题，同样使得与结冰相关的研究成为研究热点。
02
千奇百怪的冰形和它背后的机理
我们知道水在温度低于冰点（0℃）时就会结冰。但是在空气中存在这样一群不安分的小水滴，因为缺少凝结核，它们能在温度达到-20℃时依旧保持液态，这群小水滴也叫过冷水滴，如图1所示。高空中，冰晶或者雪在下落时，遇到暖空气融化，就会形成过冷水滴。当冷暖气团相遇并形成逆温层时，这种情况发生的可能性更大。
为什么说过冷水滴不安分呢？因为这群过冷水滴非常不稳定，能量很低的撞击到物体表面会瞬间结成冰，能量高一点的会沿着物面溢流，直到能量被耗尽而发生冻结；这样有的水滴集中在撞击“根据地”冻结，有的逃逸到周围冻结形成“燎原之势”，最终导致了千奇百怪的冰形。根据冰的形状及其对气动特性的影响，可将飞机结冰冰形分为霜冰、明冰、脊冰。
图1 过冷水滴及孕育它的云层
（图片来源：NSSL）
“短、平、快”的霜冰：霜冰通常在较冷的大气环境中形成，其对应结冰过程相对简单：过冷水滴撞击到升力面时瞬间冻结成冰，几乎没有水溢流。在较短时间内所结的霜冰附着在翼型前缘平平的一层，仍然能够保持流线体外形，如图2所示。
