NASA 的 DC-8 飛行實驗室在美國佛羅里達州杰克遜維爾的塞西爾機場接受飛行安全檢查。NASA 的高冰晶水含量 ( HIWC ) 項目于 2022 年 7 月穿越雷暴，研究冰晶的形成及其如何影響飛機發動機的性能。

來源：NASA/John Gould

NASA 的一組研究人員再次使用 NASA 的 DC-8 飛行實驗室來研究大型雷暴中心的冰晶等，該研究旨在優化噴氣式發動機的設計，并提高飛行安全性。

這項研究工作屬于 NASA 高冰晶水含量項目的一部分，該項目此前曾執行過兩次飛行任務：第一次是于 2015 年在美國佛羅里達州進行，第二次是于 2018 年在美國佛羅里達州、加利福尼亞州和夏威夷進行。

2022 年 7 月，研究團隊在美國東南沿海和墨西哥灣執行了一次飛行任務。這一次，該研究團隊（包括美國聯邦航空管理局和日本合作伙伴在內）將美國佛羅里達州杰克遜維爾的塞西爾機場作為他們的運營基地。

來自 NASA 位于俄亥俄州克利夫蘭的格倫研究中心（Glenn Research Center）的高冰晶水含量項目首席研究員 Thomas Ratvasky 表示：" 在這次任務中，我們正在嘗試做一些稍微不一樣的事情。我們的首要目標是在有人為源氣溶膠存在的區域執行飛行任務，以更好地了解這些氣溶膠對高濃度冰晶形成過程所造成的影響。"

DC-8 翼尖的這些管狀儀器在 NASA 的高冰晶水含量項目中被用于收集冰晶數據。等動能采樣頭（isokinetic probe）（左側）用于測量云中的總含水量。另一個設備是云滴探測儀（cloud droplet probe），用于測量較小的云顆粒。

來源：NASA/John Gould

氣溶膠101

氣溶膠是懸浮在空氣中的微小顆粒，由自然過程和人為活動兩部分所造成。人為源包括化石燃料的燃燒、工業排放和農業活動排放等。

這些氣溶膠污染物一旦被釋放到空氣中，可經過大氣傳輸，最終甚至可以到達海洋上空。

根據一種理論表明，氣溶膠與對流系統一旦發生相互作用，將會增加雷暴中的冰晶濃度，但科學家們目前尚未了解這種復雜的相互作用究竟是如何起作用的。

在風暴中，尤其是中尺度對流系統，會形成高濃度的冰晶。當飛機穿越其中，噴氣式發動機的功率和性能會降低。

因此，高冰晶水含量項目的研究人員一直在收集有關冰晶及其對噴氣式發動機的影響等數據。

通過本次旨在研究氣溶膠的額外飛行任務，高冰晶水含量項目將彌合現有數據鴻溝。這些數據將為相關監管機構制定減輕冰晶影響的新安全標準提供參考。

Thomas Ratvasky 表示：" 我們希望確保高氣溶膠環境能夠在該數據集中得到體現。當今大部分發動機無須證明在這種冰晶環境下的飛行能力，但對未來的發動機而言，則將需要證明能夠在冰晶環境下安全飛行。"

動力損失/發動機損壞

過去 30 年間，已有 170 多起商用運輸機（如客機）在飛越對流系統時發生動力損失和發動機損壞的事故。

這些事故發生的原因在于：噴氣式飛機在飛越冰晶濃度很高的區域時，部分冰晶顆粒進入發動機的核心部分，亦即產生動力的部分。

在某些情況下，冰晶會在壓縮機等關鍵部件內部形成一層融水。熱量從發動機傳遞到含有冰晶的融水中會導致壓縮機中結冰。當冰塊脫落時，可能會造成發動機動力損失或損壞。

位于飛機其他部位的替飛行員收集重要信息（例如飛機速度）的儀器也可能被冰晶遮擋，導致駕駛艙內的讀數錯誤和不精確。

為了解氣溶膠在影響飛機性能的高濃度冰晶的形成過程中所起的作用，高冰晶水含量項目將利用在 NASA 位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心（Armstrong Flight Research Center）的 DC-8 飛機，并在含有高濃度冰晶和氣溶膠的風暴區域中執行飛行任務。

一根進氣管從 NASA 的 DC-8 飛行實驗室的改裝窗口中伸出。飛行時，空氣進入管子并被引流至飛機內部，儀器將在那里檢測大氣中的氣溶膠含量。這項研究工作屬于 NASA 高冰晶水含量項目的一部分。

來源：NASA/John Gould

飛行實驗室

高冰晶水含量項目團隊利用數據收集儀器和其他技術對 NASA 的 DC-8 飛機進行了升級改裝，使機組研究人員能夠對環境進行實時觀測。

DC-8 的左翼和機頭上裝有測量飛機穿越的云層總含水量的裝置，以及云滴探測儀。同時，右翼上還裝有能夠測量較大冰晶顆粒的大小和形狀的儀器。

機頭內部裝有一個經改裝的天氣雷達，以檢測 DC-8 前方飛行路徑的風暴狀況。該項目團隊與 NASA 位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心（Langley Research Center ）的研究人員合作使用該雷達裝置。

這次飛行任務中，研究人員在飛機上新安裝了被動腔氣溶膠光譜儀探頭，用于測量大氣中氣溶膠顆粒的數量。被動腔氣溶膠光譜儀探頭和其他氣溶膠測量儀器屬日本名古屋大學（Nagoya University）所有，在高冰晶水含量項目中被用于聯合研究。

飛機的右舷有一個進氣口，將空氣引流到飛機本身，空氣流經一系列儀器后再從飛機下游排出。

DC-8 內部裝有監測儀、顯示器和其他站點的機架，研究人員可坐在那兒查看飛行數據。

每次飛行任務大約持續 7 小時，并以各種不同的速度和高度飛行，飛行里程可達數千英里。

在典型的飛行剖面中，該項目團隊在與客機相同的較高高度飛行，以飛越冰晶。然后下降到非常低的高度（甚至低于 1000 英尺），以便在氣溶膠升入風暴并與云和冰晶相互作用之前捕捉到氣溶膠。

放心：安全至上。操作這架飛機的專家清楚將會發生什么，以及如何應對冰晶。

Thomas Ratvasky 表示：" 我們不會在客機飛行區域之外的地方飛行，因此我們可以獲得適用于正常飛行操作的數據。我們項目的飛行員和整個團隊都意識到高冰晶水含量對發動機和空氣數據系統的性能所造成的危害，并通過程序將這些危害降至最低。"

NASA DC-8 飛機內部一覽（面朝前方）。高冰晶水含量項目的研究人員坐在這些控制臺前操作設備、收集有關飛行的外部條件的相關數據。背景中可以看到飛機的駕駛艙。

來源：NASA/John Gould

高空伙伴關系

高冰晶水含量項目的研究工作的順利開展，歸功于幾個提供專業知識和項目資金的機構之間的密切合作。

Ratvasky 表示：" 如果沒有 NASA 內部和外部的這些合作，我們將無法開展該項目。我們有來自蘭利研究中心的科學小組、來自格倫研究中心的結冰小組和來自阿姆斯特朗飛行研究中心的飛機。美國聯邦航空局對儀器儀表提供支持，名古屋大學和日本氣象廳也提供了他們的專業知識和氣溶膠儀器。"

在飛行活動之后，下一步需要處理數據，然后將其移交至美國聯邦航空局和冰晶結冰航空規則制定咨詢委員會等相關機構。

一旦完成研究，相關人員將對相對較新的噴氣式發動機的認證標準進行評估，并且幾乎可以消除由于對流系統中的冰晶導致的功率損失事件。