NASA的DC-8飞行实验室在美国佛罗里达州杰克逊维尔的塞西尔机场接受飞行安全检查。NASA 的高冰晶水含量 (HIWC) 项目于2022年7月穿越雷暴，研究冰晶的形成及其如何影响飞机发动机的性能。

来源：NASA/John Gould

NASA的一组研究人员再次使用NASA的DC-8飞行实验室来研究大型雷暴中心的冰晶等，该研究旨在优化喷气式发动机的设计，并提高飞行安全性。

这项研究工作属于NASA高冰晶水含量项目的一部分，该项目此前曾执行过两次飞行任务：第一次是于2015年在美国佛罗里达州进行，第二次是于 2018 年在美国佛罗里达州、加利福尼亚州和夏威夷进行。

2022年7月，研究团队在美国东南沿海和墨西哥湾执行了一次飞行任务。这一次，该研究团队（包括美国联邦航空管理局和日本合作伙伴在内）将美国佛罗里达州杰克逊维尔的塞西尔机场作为他们的运营基地。

来自NASA位于俄亥俄州克利夫兰的格伦研究中心（Glenn Research Center）的高冰晶水含量项目首席研究员Thomas Ratvasky表示：“在这次任务中，我们正在尝试做一些稍微不一样的事情。我们的首要目标是在有人为源气溶胶存在的区域执行飞行任务，以更好地了解这些气溶胶对高浓度冰晶形成过程所造成的影响。”

DC-8翼尖的这些管状仪器在NASA的高冰晶水含量项目中被用于收集冰晶数据。等动能采样头（isokinetic probe）（左侧）用于测量云中的总含水量。另一个设备是云滴探测仪（cloud droplet probe），用于测量较小的云颗粒。

来源：NASA/John Gould

气溶胶101

气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒，由自然过程和人为活动两部分所造成。人为源包括化石燃料的燃烧、工业排放和农业活动排放等。

这些气溶胶污染物一旦被释放到空气中，可经过大气传输，最终甚至可以到达海洋上空。

根据一种理论表明，气溶胶与对流系统一旦发生相互作用，将会增加雷暴中的冰晶浓度，但科学家们目前尚未了解这种复杂的相互作用究竟是如何起作用的。

在风暴中，尤其是中尺度对流系统，会形成高浓度的冰晶。当飞机穿越其中，喷气式发动机的功率和性能会降低。

因此，高冰晶水含量项目的研究人员一直在收集有关冰晶及其对喷气式发动机的影响等数据。

通过本次旨在研究气溶胶的额外飞行任务，高冰晶水含量项目将弥合现有数据鸿沟。这些数据将为相关监管机构制定减轻冰晶影响的新安全标准提供参考。

Thomas Ratvasky表示：“我们希望确保高气溶胶环境能够在该数据集中得到体现。当今大部分发动机无须证明在这种冰晶环境下的飞行能力，但对未来的发动机而言，则将需要证明能够在冰晶环境下安全飞行。”

动力损失/发动机损坏

过去30年间，已有170多起商用运输机（如客机）在飞越对流系统时发生动力损失和发动机损坏的事故。

这些事故发生的原因在于：喷气式飞机在飞越冰晶浓度很高的区域时，部分冰晶颗粒进入发动机的核心部分，亦即产生动力的部分。

在某些情况下，冰晶会在压缩机等关键部件内部形成一层融水。热量从发动机传递到含有冰晶的融水中会导致压缩机中结冰。当冰块脱落时，可能会造成发动机动力损失或损坏。

位于飞机其他部位的替飞行员收集重要信息（例如飞机速度）的仪器也可能被冰晶遮挡，导致驾驶舱内的读数错误和不精确。

为了解气溶胶在影响飞机性能的高浓度冰晶的形成过程中所起的作用，高冰晶水含量项目将利用在NASA位于加利福尼亚州的阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center）的DC-8飞机，并在含有高浓度冰晶和气溶胶的风暴区域中执行飞行任务。

一根进气管从NASA的DC-8飞行实验室的改装窗口中伸出。飞行时，空气进入管子并被引流至飞机内部，仪器将在那里检测大气中的气溶胶含量。这项研究工作属于NASA高冰晶水含量项目的一部分。

来源：NASA/John Gould

飞行实验室

高冰晶水含量项目团队利用数据收集仪器和其他技术对NASA的DC-8飞机进行了升级改装，使机组研究人员能够对环境进行实时观测。

DC-8的左翼和机头上装有测量飞机穿越的云层总含水量的装置，以及云滴探测仪。同时，右翼上还装有能够测量较大冰晶颗粒的大小和形状的仪器。

机头内部装有一个经改装的天气雷达，以检测DC-8前方飞行路径的风暴状况。该项目团队与NASA位于弗吉尼亚州的兰利研究中心（Langley Research Center ）的研究人员合作使用该雷达装置。

这次飞行任务中，研究人员在飞机上新安装了被动腔气溶胶光谱仪探头，用于测量大气中气溶胶颗粒的数量。被动腔气溶胶光谱仪探头和其他气溶胶测量仪器属日本名古屋大学（Nagoya University）所有，在高冰晶水含量项目中被用于联合研究。

飞机的右舷有一个进气口，将空气引流到飞机本身，空气流经一系列仪器后再从飞机下游排出。

DC-8内部装有监测仪、显示器和其他站点的机架，研究人员可坐在那儿查看飞行数据。

每次飞行任务大约持续7小时，并以各种不同的速度和高度飞行，飞行里程可达数千英里。

在典型的飞行剖面中，该项目团队在与客机相同的较高高度飞行，以飞越冰晶。然后下降到非常低的高度（甚至低于1000英尺），以便在气溶胶升入风暴并与云和冰晶相互作用之前捕捉到气溶胶。

放心：安全至上。操作这架飞机的专家清楚将会发生什么，以及如何应对冰晶。

Thomas Ratvasky表示：“我们不会在客机飞行区域之外的地方飞行，因此我们可以获得适用于正常飞行操作的数据。我们项目的飞行员和整个团队都意识到高冰晶水含量对发动机和空气数据系统的性能所造成的危害，并通过程序将这些危害降至最低。”

NASA DC-8飞机内部一览（面朝前方）。高冰晶水含量项目的研究人员坐在这些控制台前操作设备、收集有关飞行的外部条件的相关数据。背景中可以看到飞机的驾驶舱。

来源：NASA/John Gould

高空伙伴关系

高冰晶水含量项目的研究工作的顺利开展，归功于几个提供专业知识和项目资金的机构之间的密切合作。

Ratvasky表示：“如果没有NASA内部和外部的这些合作，我们将无法开展该项目。我们有来自兰利研究中心的科学小组、来自格伦研究中心的结冰小组和来自阿姆斯特朗飞行研究中心的飞机。美国联邦航空局对仪器仪表提供支持，名古屋大学和日本气象厅也提供了他们的专业知识和气溶胶仪器。”

在飞行活动之后，下一步需要处理数据，然后将其移交至美国联邦航空局和冰晶结冰航空规则制定咨询委员会等相关机构。

一旦完成研究，相关人员将对相对较新的喷气式发动机的认证标准进行评估，并且几乎可以消除由于对流系统中的冰晶导致的功率损失事件。

来源：

https://www.nasa.gov/aeroresearch/nasa-studies-source-of-ice-crystals-in-high-places