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

為了防止飛機在空中發生危險接近或者碰撞，國際民航組織（ICAO）對飛行中的各種間隔作了詳細的規定；這些規定包括了VFR飛行、IFR飛行、機場終端區飛行、航路飛行、進離場飛行等各個飛行階段；值得注意的是，許多的飛行規則都是早在相關的理論研究出現之前就已經在實際飛行中應用了，并且這些基于經驗的規定從相當大的程度上保證了飛行安全；但是隨著空中飛機數量的增加，加上各種航空技術的進步，使得人們不得不通過尋求減小許多間隔標準來滿足航空運輸的需求，因此多年以來，各國的研究人員都試圖從理論上來研究各種飛行間隔的安全性和合理性，希望能夠安全、可靠的修改規則，改進和完善各種間隔標準。

最小尾流間隔標準是空中交通間隔規定中較為特殊的一類標準。它的應用空間僅僅是在機場終端區內進近著陸和起飛爬升階段，尤其以前者為重點的使用區域；最小尾流間隔標準涉及到前后機的分類，雙機之間的相互作用，與其它類別的間隔標準有著較大的區別，如垂直間隔、側向間隔等主要是關心單機的空間運動狀態；另外，由于機場終端區的瓶頸效應其實主要就在于跑道的使用率上，當機場跑道數目不變，而飛行流量大幅度的增加時，當然不可避免的會出現交通擁擠和航班延誤，而尾流間隔標準與跑道的使用率是密切相關的；如果進近著陸的前后機序列之間的最小間隔能夠安全的縮小，當然可以有效的提高跑道的使用率。也正是因為這樣的原因，在航空運輸發展初期，飛行流量不大的時候，最小尾流間隔標準并沒有引起人們太多的關注，研究人員們更多的是把注意力放在高度層的配備、側向間隔、縱向間隔等標準的理論依據分析上，只是在飛行流量大幅度的增加，機場跑道使用率已成為主要的矛盾的焦點時候，人們才開始意識到最小尾流間隔標準的重要性和特殊性。正是在這樣的背景與考慮之下；本論文課題對飛行中的尾流間隔標準進行了研究。

1.2 國內外研究概況

從70年代開始，由于航空技術的飛速發展，大型噴氣式運輸機開始出現并投入商業運行，使得人們開始考慮因為飛機的重量大大增加所引起尾流強度的增加可能導致對跟進飛機安全的影響。

1976年，國際民航組織ICAO的第九屆航行會議著重強調了由于翼尖渦流所引起的飛行安全問題，并且特別提到了在起飛和著陸過程輕型飛機無意中進入前面重型噴氣式飛機產生的尾渦中而導致的飛行事故問題（比如說：在ILS進近過程中低于標稱的下滑道；在目視飛行過程中保持的縱向間隔過小等等）。事實上在1967年ICAO已經就尾流可能造成的問題通知了各成員國，要求機場終端區管制員當條件許可的時候，提醒起飛落地的飛機注意前機尾流的影響，但是并沒有形成一個完整的間隔標準；而且其后幾年相關規定的研究和發展緩慢，所以1976年會議的另一個目的也是為了加快這方面的步子。會議的結果形成了一個關于尾流標準的指導性材料，并且提出一旦在相關的成員國的實際運行中獲得足夠的經驗和證明，就將其作為正式的空中航行服務程序（PANS）,然后在全球推廣。此指導性材料提出的尾流間隔標準主要包括在對飛機進行尾流分類的基礎上，無論是對雷達間隔還是非雷達間隔都是實行增大的最小尾流間隔。很明顯，這些最小尾流間隔標準目的就是最大程度上減小潛在的尾流危險。

在最小尾流間隔標準的研究方面，因為到70年代的中后期，美國的許多機場終端區的飛行流量已經開始飽和了，所以美國是最早意識到并從事尾流方面的相關研究的。

在二十世紀的50年代初，美國道戈拉斯飛機公司的Bleviss,Z.O發表了第一篇有關尾流危險遭遇的文章，那時道格拉斯公司的DC-6開始投入商業運行[7]；隨后，在1955年，Kraft通過飛行試驗確定發動機的螺旋槳形成的渦流對后面跟進的飛機不會造成危害，但是發現由于機翼升力所導致的尾渦將有可能對后機安全構成一定的威脅[8]。1970年波音747的正式投入使用使得人們不得不考慮這個龐然大物所產生的強烈的尾流可能會對後面跟進的小型機造成致命的影響；在此之后，美國航空航天局（NASA）和美國聯邦航空局（FAA）對尾流特性和間隔標準的研究作了大量的工作，不過這兩者的研究側重點有所不同；NASA的主要目的是研究尾流的形成和消散的詳細機理，試圖通過建立復雜的尾流模型來推斷尾流的行為特性，并進一步研究各種方法（包括新機型的設計等）來達到減弱尾流強度、縮小尾流間隔的目的。

Aero Vironment 公司的Crow,S.C等人從70年代的后期開始對近地面層的尾渦的形成和消散特性進行了大量的觀察和實驗，得到了許多有用的結論，如尾渦消散的Crow不穩定性等等[16] [17] [21] [22]；Langley研究中心的Greene在1985年建立了一個近似的尾渦消散模型，重點研究了大氣層的密度分布、湍流強度以及雷諾數對尾流消散的影響，這個理論模型相當復雜，可以用來比較好的描述中高空的為尾流的行為，但是沒有把低空近地面層對尾流運動方式的影響考慮在內[9]；而Hough,G , Barrows,T.M等人則對尾渦在機翼上的作用力的分布和計算作了較為深入的研究，對Strip theory作了進一步的修改和完善，提出了Vortex Lattice Methold的計算方法，可以比較好的應用于目前的分析和計算[18] [19]；同時，美國聯邦航空局（FAA）的研究則更關心如何實施安全合適的尾流間隔來增大機場終端區的容量，偏重于實際運行數據的統計和分析；其中John A.Volpe國家運輸系統研究中心分別在1976-77，1980年在芝加哥的奧黑爾國際機場利用先進的遙感技術和激光設備（Laser Doppler Velocimeter(LDV) 激光多普勒測速儀,Monostatic Acoustic Vortex Sensing System(MAVSS) 固態聲能渦流傳感系統等）對起飛和落地的各種機型的尾流特性作了大量的測量，獲得了實際運行的尾渦的統計資料，包括在不同半徑上的平均環量、尾渦的消散率、以及維持強度時間等重要參數，并且通過統計數據擬合出了幾種不同的尾渦消散模型[11] [12]。

與此同時，英國航空管理局（CAA）在70年代中期也啟動了尾流危險遭遇事件報告制度，并在此統計數據的基礎上提出了EER(Equal Encountering Rate)模型，用以衡量最小尾流間隔的標準[12] [20]，但是由于其數據量相對于FAA和NASA的要小的多，所以相比較而言，FAA和NASA的工作更具實證性。然而到目前為止，由于尾渦消散的復雜性，還沒有形成一個公認的成熟的尾流安全間隔模型。