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第 二 篇

尾流的安全间隔理论研究

 

第一章 绪    论

1.1 研究背景

为了防止飞机在空中发生危险接近或者碰撞，国际民航组织（ICAO）对飞行中的各种间隔作了详细的规定；这些规定包括了VFR飞行、IFR飞行、机场终端区飞行、航路飞行、进离场飞行等各个飞行阶段；值得注意的是，许多的飞行规则都是早在相关的理论研究出现之前就已经在实际飞行中应用了，并且这些基于经验的规定从相当大的程度上保证了飞行安全；但是随着空中飞机数量的增加，加上各种航空技术的进步，使得人们不得不通过寻求减小许多间隔标准来满足航空运输的需求，因此多年以来，各国的研究人员都试图从理论上来研究各种飞行间隔的安全性和合理性，希望能够安全、可靠的修改规则，改进和完善各种间隔标准。

最小尾流间隔标准是空中交通间隔规定中较为特殊的一类标准。它的应用空间仅仅是在机场终端区内进近着陆和起飞爬升阶段，尤其以前者为重点的使用区域；最小尾流间隔标准涉及到前后机的分类，双机之间的相互作用，与其它类别的间隔标准有着较大的区别，如垂直间隔、侧向间隔等主要是关心单机的空间运动状态；另外，由于机场终端区的瓶颈效应其实主要就在于跑道的使用率上，当机场跑道数目不变，而飞行流量大幅度的增加时，当然不可避免的会出现交通拥挤和航班延误，而尾流间隔标准与跑道的使用率是密切相关的；如果进近着陆的前后机序列之间的最小间隔能够安全的缩小，当然可以有效的提高跑道的使用率。也正是因为这样的原因，在航空运输发展初期，飞行流量不大的时候，最小尾流间隔标准并没有引起人们太多的关注，研究人员们更多的是把注意力放在高度层的配备、侧向间隔、纵向间隔等标准的理论依据分析上，只是在飞行流量大幅度的增加，机场跑道使用率已成为主要的矛盾的焦点时候，人们才开始意识到最小尾流间隔标准的重要性和特殊性。正是在这样的背景与考虑之下；本论文课题对飞行中的尾流间隔标准进行了研究。

1.2 国内外研究概况

从70年代开始，由于航空技术的飞速发展，大型喷气式运输机开始出现并投入商业运行，使得人们开始考虑因为飞机的重量大大增加所引起尾流强度的增加可能导致对跟进飞机安全的影响。

1976年，国际民航组织ICAO的第九届航行会议着重强调了由于翼尖涡流所引起的飞行安全问题，并且特别提到了在起飞和着陆过程轻型飞机无意中进入前面重型喷气式飞机产生的尾涡中而导致的飞行事故问题（比如说：在ILS进近过程中低于标称的下滑道；在目视飞行过程中保持的纵向间隔过小等等）。事实上在1967年ICAO已经就尾流可能造成的问题通知了各成员国，要求机场终端区管制员当条件许可的时候，提醒起飞落地的飞机注意前机尾流的影响，但是并没有形成一个完整的间隔标准；而且其后几年相关规定的研究和发展缓慢，所以1976年会议的另一个目的也是为了加快这方面的步子。会议的结果形成了一个关于尾流标准的指导性材料，并且提出一旦在相关的成员国的实际运行中获得足够的经验和证明，就将其作为正式的空中航行服务程序（PANS）,然后在全球推广。此指导性材料提出的尾流间隔标准主要包括在对飞机进行尾流分类的基础上，无论是对雷达间隔还是非雷达间隔都是实行增大的最小尾流间隔。很明显，这些最小尾流间隔标准目的就是最大程度上减小潜在的尾流危险。

在最小尾流间隔标准的研究方面，因为到70年代的中后期，美国的许多机场终端区的飞行流量已经开始饱和了，所以美国是最早意识到并从事尾流方面的相关研究的。

在二十世纪的50年代初，美国道戈拉斯飞机公司的Bleviss,Z.O发表了第一篇有关尾流危险遭遇的文章，那时道格拉斯公司的DC-6开始投入商业运行[7]；随后，在1955年，Kraft通过飞行试验确定发动机的螺旋桨形成的涡流对后面跟进的飞机不会造成危害，但是发现由于机翼升力所导致的尾涡将有可能对后机安全构成一定的威胁[8]。1970年波音747的正式投入使用使得人们不得不考虑这个庞然大物所产生的强烈的尾流可能会对後面跟进的小型机造成致命的影响；在此之后，美国航空航天局（NASA）和美国联邦航空局（FAA）对尾流特性和间隔标准的研究作了大量的工作，不过这两者的研究侧重点有所不同；NASA的主要目的是研究尾流的形成和消散的详细机理，试图通过建立复杂的尾流模型来推断尾流的行为特性，并进一步研究各种方法（包括新机型的设计等）来达到减弱尾流强度、缩小尾流间隔的目的。

Aero Vironment 公司的Crow,S.C等人从70年代的后期开始对近地面层的尾涡的形成和消散特性进行了大量的观察和实验，得到了许多有用的结论，如尾涡消散的Crow不稳定性等等[16] [17] [21] [22]；Langley研究中心的Greene在1985年建立了一个近似的尾涡消散模型，重点研究了大气层的密度分布、湍流强度以及雷诺数对尾流消散的影响，这个理论模型相当复杂，可以用来比较好的描述中高空的为尾流的行为，但是没有把低空近地面层对尾流运动方式的影响考虑在内[9]；而Hough,G , Barrows,T.M等人则对尾涡在机翼上的作用力的分布和计算作了较为深入的研究，对Strip theory作了进一步的修改和完善，提出了Vortex Lattice Methold的计算方法，可以比较好的应用于目前的分析和计算[18] [19]；同时，美国联邦航空局（FAA）的研究则更关心如何实施安全合适的尾流间隔来增大机场终端区的容量，偏重于实际运行数据的统计和分析；其中John A.Volpe国家运输系统研究中心分别在1976-77，1980年在芝加哥的奥黑尔国际机场利用先进的遥感技术和激光设备（Laser Doppler Velocimeter(LDV) 激光多普勒测速仪,Monostatic Acoustic Vortex Sensing System(MAVSS) 固态声能涡流传感系统等）对起飞和落地的各种机型的尾流特性作了大量的测量，获得了实际运行的尾涡的统计资料，包括在不同半径上的平均环量、尾涡的消散率、以及维持强度时间等重要参数，并且通过统计数据拟合出了几种不同的尾涡消散模型[11] [12]。

与此同时，英国航空管理局（CAA）在70年代中期也启动了尾流危险遭遇事件报告制度，并在此统计数据的基础上提出了EER(Equal Encountering Rate)模型，用以衡量最小尾流间隔的标准[12] [20]，但是由于其数据量相对于FAA和NASA的要小的多，所以相比较而言，FAA和NASA的工作更具实证性。然而到目前为止，由于尾涡消散的复杂性，还没有形成一个公认的成熟的尾流安全间隔模型。