第 二 篇

尾流的安全間隔理論研究

 

第一章 緒    論

1.1 研究背景

為了防止飛機(jī)在空中發(fā)生危險(xiǎn)接近或者碰撞，國(guó)際民航組織（ICAO）對(duì)飛行中的各種間隔作了詳細(xì)的規(guī)定；這些規(guī)定包括了VFR飛行、IFR飛行、機(jī)場(chǎng)終端區(qū)飛行、航路飛行、進(jìn)離場(chǎng)飛行等各個(gè)飛行階段；值得注意的是，許多的飛行規(guī)則都是早在相關(guān)的理論研究出現(xiàn)之前就已經(jīng)在實(shí)際飛行中應(yīng)用了，并且這些基于經(jīng)驗(yàn)的規(guī)定從相當(dāng)大的程度上保證了飛行安全；但是隨著空中飛機(jī)數(shù)量的增加，加上各種航空技術(shù)的進(jìn)步，使得人們不得不通過(guò)尋求減小許多間隔標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足航空運(yùn)輸?shù)男枨�，因此多年以�?lái)，各國(guó)的研究人員都試圖從理論上來(lái)研究各種飛行間隔的安全性和合理性，希望能夠安全、可靠的修改規(guī)則，改進(jìn)和完善各種間隔標(biāo)準(zhǔn)。

最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)是空中交通間隔規(guī)定中較為特殊的一類標(biāo)準(zhǔn)。它的應(yīng)用空間僅僅是在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)內(nèi)進(jìn)近著陸和起飛爬升階段，尤其以前者為重點(diǎn)的使用區(qū)域；最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)涉及到前后機(jī)的分類，雙機(jī)之間的相互作用，與其它類別的間隔標(biāo)準(zhǔn)有著較大的區(qū)別，如垂直間隔、側(cè)向間隔等主要是關(guān)心單機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；另外，由于機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的瓶頸效應(yīng)其實(shí)主要就在于跑道的使用率上，當(dāng)機(jī)場(chǎng)跑道數(shù)目不變，而飛行流量大幅度的增加時(shí)，當(dāng)然不可避免的會(huì)出現(xiàn)交通擁擠和航班延誤，而尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)與跑道的使用率是密切相關(guān)的；如果進(jìn)近著陸的前后機(jī)序列之間的最小間隔能夠安全的縮小，當(dāng)然可以有效的提高跑道的使用率。也正是因?yàn)檫@樣的原因，在航空運(yùn)輸發(fā)展初期，飛行流量不大的時(shí)候，最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有引起人們太多的關(guān)注，研究人員們更多的是把注意力放在高度層的配備、側(cè)向間隔、縱向間隔等標(biāo)準(zhǔn)的理論依據(jù)分析上，只是在飛行流量大幅度的增加，機(jī)場(chǎng)跑道使用率已成為主要的矛盾的焦點(diǎn)時(shí)候，人們才開(kāi)始意識(shí)到最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的重要性和特殊性。正是在這樣的背景與考慮之下；本論文課題對(duì)飛行中的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況

從70年代開(kāi)始，由于航空技術(shù)的飛速發(fā)展，大型噴氣式運(yùn)輸機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)并投入商業(yè)運(yùn)行，使得人們開(kāi)始考慮因?yàn)轱w機(jī)的重量大大增加所引起尾流強(qiáng)度的增加可能導(dǎo)致對(duì)跟進(jìn)飛機(jī)安全的影響。

1976年，國(guó)際民航組織ICAO的第九屆航行會(huì)議著重強(qiáng)調(diào)了由于翼尖渦流所引起的飛行安全問(wèn)題，并且特別提到了在起飛和著陸過(guò)程輕型飛機(jī)無(wú)意中進(jìn)入前面重型噴氣式飛機(jī)產(chǎn)生的尾渦中而導(dǎo)致的飛行事故問(wèn)題（比如說(shuō)：在ILS進(jìn)近過(guò)程中低于標(biāo)稱的下滑道；在目視飛行過(guò)程中保持的縱向間隔過(guò)小等等）。事實(shí)上在1967年ICAO已經(jīng)就尾流可能造成的問(wèn)題通知了各成員國(guó)，要求機(jī)場(chǎng)終端區(qū)管制員當(dāng)條件許可的時(shí)候，提醒起飛落地的飛機(jī)注意前機(jī)尾流的影響，但是并沒(méi)有形成一個(gè)完整的間隔標(biāo)準(zhǔn)；而且其后幾年相關(guān)規(guī)定的研究和發(fā)展緩慢，所以1976年會(huì)議的另一個(gè)目的也是為了加快這方面的步子。會(huì)議的結(jié)果形成了一個(gè)關(guān)于尾流標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性材料，并且提出一旦在相關(guān)的成員國(guó)的實(shí)際運(yùn)行中獲得足夠的經(jīng)驗(yàn)和證明，就將其作為正式的空中航行服務(wù)程序（PANS）,然后在全球推廣。此指導(dǎo)性材料提出的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)主要包括在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行尾流分類的基礎(chǔ)上，無(wú)論是對(duì)雷達(dá)間隔還是非雷達(dá)間隔都是實(shí)行增大的最小尾流間隔。很明顯，這些最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)目的就是最大程度上減小潛在的尾流危險(xiǎn)。

在最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的研究方面，因?yàn)榈?0年代的中后期，美國(guó)的許多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的飛行流量已經(jīng)開(kāi)始飽和了，所以美國(guó)是最早意識(shí)到并從事尾流方面的相關(guān)研究的。

在二十世紀(jì)的50年代初，美國(guó)道戈拉斯飛機(jī)公司的Bleviss,Z.O發(fā)表了第一篇有關(guān)尾流危險(xiǎn)遭遇的文章，那時(shí)道格拉斯公司的DC-6開(kāi)始投入商業(yè)運(yùn)行[7]；隨后，在1955年，Kraft通過(guò)飛行試驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳形成的渦流對(duì)后面跟進(jìn)的飛機(jī)不會(huì)造成危害，但是發(fā)現(xiàn)由于機(jī)翼升力所導(dǎo)致的尾渦將有可能對(duì)后機(jī)安全構(gòu)成一定的威脅[8]。1970年波音747的正式投入使用使得人們不得不考慮這個(gè)龐然大物所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的尾流可能會(huì)對(duì)後面跟進(jìn)的小型機(jī)造成致命的影響；在此之后，美國(guó)航空航天局（NASA）和美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）對(duì)尾流特性和間隔標(biāo)準(zhǔn)的研究作了大量的工作，不過(guò)這兩者的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同；NASA的主要目的是研究尾流的形成和消散的詳細(xì)機(jī)理，試圖通過(guò)建立復(fù)雜的尾流模型來(lái)推斷尾流的行為特性，并進(jìn)一步研究各種方法（包括新機(jī)型的設(shè)計(jì)等）來(lái)達(dá)到減弱尾流強(qiáng)度、縮小尾流間隔的目的。

Aero Vironment 公司的Crow,S.C等人從70年代的后期開(kāi)始對(duì)近地面層的尾渦的形成和消散特性進(jìn)行了大量的觀察和實(shí)驗(yàn)，得到了許多有用的結(jié)論，如尾渦消散的Crow不穩(wěn)定性等等[16] [17] [21] [22]；Langley研究中心的Greene在1985年建立了一個(gè)近似的尾渦消散模型，重點(diǎn)研究了大氣層的密度分布、湍流強(qiáng)度以及雷諾數(shù)對(duì)尾流消散的影響，這個(gè)理論模型相當(dāng)復(fù)雜，可以用來(lái)比較好的描述中高空的為尾流的行為，但是沒(méi)有把低空近地面層對(duì)尾流運(yùn)動(dòng)方式的影響考慮在內(nèi)[9]；而Hough,G , Barrows,T.M等人則對(duì)尾渦在機(jī)翼上的作用力的分布和計(jì)算作了較為深入的研究，對(duì)Strip theory作了進(jìn)一步的修改和完善，提出了Vortex Lattice Methold的計(jì)算方法，可以比較好的應(yīng)用于目前的分析和計(jì)算[18] [19]；同時(shí)，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的研究則更關(guān)心如何實(shí)施安全合適的尾流間隔來(lái)增大機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的容量，偏重于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析；其中John A.Volpe國(guó)家運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心分別在1976-77，1980年在芝加哥的奧黑爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)利用先進(jìn)的遙感技術(shù)和激光設(shè)備（Laser Doppler Velocimeter(LDV) 激光多普勒測(cè)速儀,Monostatic Acoustic Vortex Sensing System(MAVSS) 固態(tài)聲能渦流傳感系統(tǒng)等）對(duì)起飛和落地的各種機(jī)型的尾流特性作了大量的測(cè)量，獲得了實(shí)際運(yùn)行的尾渦的統(tǒng)計(jì)資料，包括在不同半徑上的平均環(huán)量、尾渦的消散率、以及維持強(qiáng)度時(shí)間等重要參數(shù)，并且通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合出了幾種不同的尾渦消散模型[11] [12]。

與此同時(shí)，英國(guó)航空管理局（CAA）在70年代中期也啟動(dòng)了尾流危險(xiǎn)遭遇事件報(bào)告制度，并在此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了EER(Equal Encountering Rate)模型，用以衡量最小尾流間隔的標(biāo)準(zhǔn)[12] [20]，但是由于其數(shù)據(jù)量相對(duì)于FAA和NASA的要小的多，所以相比較而言，F(xiàn)AA和NASA的工作更具實(shí)證性。然而到目前為止，由于尾渦消散的復(fù)雜性，還沒(méi)有形成一個(gè)公認(rèn)的成熟的尾流安全間隔模型。