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空中交通安全间隔的理论方法研究

时间:2017-08-30 14:36来源:蓝天飞行翻译公司 作者:民航翻译 点击:

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除了这三种典型的尾流遭遇方式之外,其他的情况都可以看作这三种情况的不同程度的叠加。而在这三种情况下,最危险的状态就是后机不慎进入尾涡中心,这是最坏的情形,所以在本文后面的讨论和分析中都是主要考虑这种情况。
为了确定尾流间隔标准,保证跟进飞机的安全,NASA和FAA从70年代起通过大量的飞行试验对尾流的持续和消散现象进行了观察和测量。发现在中高空大气较为稳定的环境下,大型飞机所形成的尾流流场持续的时间要比FAA规定的尾流间隔标准长的多;而在低空近地面层,由于地面层效应、侧风的影响和湍流强度的加强使得尾流在更短的时间内就消散了;并且随着消散的过程,尾涡核心的能量逐步减弱,尾涡强度减小,有可能对跟进的后机不再造成危险的影响;因此,有必要对尾流的消散机理进行考察和研究。
2.3尾流的消散机理
尾流的消散机理比想象的要复杂的多;其消散过程和方式与周围大气环境紧密相关(包括大气紊流度、大气分层效应、温度梯度、风的速度场、地面效应等等);直到现在,人们也没有完全了解尾流的消散机理。其困难就在于在许多情况下很难确定大气条件对尾流运动及消散的确切关系。但是从观察到的不同现象来看,对于尾流的消散形式可以做一个简单的分类,即分成以下几类:
1. 连接消散
这种消散形式是由于强度相同的尾涡相互之间的诱导作用导致在扩散运动中两个涡连接起来,然后重新形成一个流场,其强度在连接之后迅速减小,而且一定尺度的大气湍流在尾涡纵向距离上所造成的不稳定的波动加速了这种连接消散的形成。由于最初是由Crow在1970年提出来的,所以一般称之为尾涡的Crow的不稳定性;而且Crow发现大气紊流度与连接时间有着直接的关系,并给出了一个确定的公式。但遗憾的是,他同时也发现近地面层的效应对连接消散并没有起到太多的作用。
2. 迸裂消散
迸裂消散是人们发现有时候尾涡持续发展到一定时间后,其核心半径会突然增大,看上去就象是迸裂了一样,这种迸裂形式顺着尾涡轴心以极快的速度传递发生,最后形成一个比原先尺寸要小的多的新的核;是什么原因导致出现这种现象仍然还不清楚,其外层的流场虽然有一定的减弱,但与连接消散相比,迸裂消散并不是像那样很快的消散;相反,仍然在空中保留了相当强度的漩涡。
3. 湍流消散
这种消散形式是由于空气的粘性作用,尾涡在旋转扩散运动过程中,同时受到一定尺寸的大气湍流的作用,间距越来越大,强度越来越弱,最后消失,这也是最自然的可以想象得出的一种消散方式。
当然,在尾涡的演变过程中,这三种消散方式并不是相互孤立的,有可能在湍流的尺度和强度合适的情况下,既发生迸裂消散同时又造成连接消散,如果是出现这种情况的话,尾涡将会很快的消散,此时尾流的影响作用几乎可以不加考虑;因此常常需要注意的是以某种单独形式持续和消散的过程。可是困难在于这三种消散方式是随着大气条件的不同而随机发生的,无法事先确定尾涡到底会以哪种方式消散;另外人们通过比较发现,飞机的外形变化对尾涡的消散也有影响;在起飞着陆阶段,航空器处于着陆形态(起落架放下、襟翼打开)时所形成的湍流有助于加速尾涡的迸裂消散和粘性消散,而在洁净外形的条件下,机翼附面层的紊流和发动机的喷流所形成的小尺度的湍流与大气湍流的作用相比,对尾涡的消散几乎没有什么大的影响。
尽管如此,在测量和观察中发现各种形式的尾涡消散过程都有一个相同的现象:在尾涡形成之后持续演化的一段时间内,其强度变化不大,与其起始强度差不多,然后在后面的时间里以很快的速度消散,强度也很快的减小;但是这个维持强度大小不变的时间段受大气影响是一个随机变量,消散率也需要大量的统计数据来确定。由于诸多的不确定因素,到目前为止,仍然还没有一个公认的比较成熟的近地面层尾涡消散模型。
2.4尾流事故数据的分析
尾流的形成确实造成了飞行安全问题,需要对其作仔细的研究,但同时尾流的消散过程复杂性也带来了研究上的困难。下面对美国1983-1990年的尾流遭遇事故的数据进行了分析,分析结果反映出尾流对飞行安全的影响以及从另一侧面看出尾流消散的复杂性。
数据来源于美国交通运输部(NTSB)的尾流事故统计报告和航空安全报告系统(ASRS)的机组人员遭遇尾流的匿名报告,在1983-1990年7年中,总共有140起遭遇尾流的报告。报告的内容主要包括地点、航班号、机型、遭遇时间、飞行高度、飞行阶段、飞行状态及尾流的影响程度等等,部分的数据分析结果如图2-10、11、12、13所示。
图2-10表明了在各个不同的飞行阶段,所发生的尾流遭遇事件的比例大小,从图中明显看出,在进近落地阶段的比例高达50%,虽然在巡航阶段所统计的尾流遭遇事件数占到了21%,但是由于巡航飞行阶段飞行高度较高,安全裕度较大,相比较而言,还是进近落地阶段的尾流遭遇事件应该加以重点考虑。而图2-11则更加清晰的说明了在落地的飞机序列之间是最容易发生尾流遭遇,其次是起飞飞机的序列之间。
图2-12和图2-13则分别表示在不同的高度和在不同的时间(月份)内所发生的尾流遭遇事件的数量,从图2-12中再次可以看出大多数尾流遭遇发生在低于1000英尺的空间,也就是在起飞落地阶段;因此必须给不同种类的机型确定不同的最低尾流间隔来保证飞行安全。而图2-13则说明尾流遭遇事件的发生与大气环境的变化有着某种不确定的关系,反映出研究尾流消散的复杂性。
 
图2-10不同飞行阶段遭遇尾流事件比例图
(1- 起飞阶段,2-爬升阶段,3-巡航阶段,4-下降阶段,5-进近阶段,6-落地阶段)
 
          图2-11  不同飞行阶段组合尾流遭遇数(前机/后机)
 
图 2-12  不同飞行高度上发生的尾流遭遇数
 
                图2-13 不同月份里尾流遭遇事件数
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