尾流間隔的應(yīng)用研究

劉芳

民航東北空管局管制中心，遼寧 沈陽 110043

尾流間隔的應(yīng)用研究

劉芳

民航東北空管局管制中心，遼寧 沈陽 110043

本篇論文著重分析了ICAO，F(xiàn)AA和我國的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，通過比較了解我國尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的特性，考慮了影響空中交通管制員做出決策的影響因素，從中國民航的現(xiàn)狀出發(fā)，最后提出了針對不同情況的尾流間隔體系的應(yīng)用方法的建議，提出了尾流間隔的規(guī)避策略，為管制員提供了動態(tài)的尾流間隔應(yīng)用的管制建議。

空中交通管制；尾流間隔；消散

文獻識別碼：A

Air Traffic Control； Wake Turbulence Separation；Decay

飛機因其升力面的上下壓力差都會形成翼尖渦并發(fā)展成為尾流，其特征為大尺度、高能量旋流，強度與飛機起飛重量成正比。當(dāng)飛機誤入前面飛機的尾流區(qū)時，輕者會出現(xiàn)機身抖動、下沉或上仰、瞬間飛行姿態(tài)改變，重則導(dǎo)致發(fā)動機喘振、停車，甚至機身翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，如果處置不當(dāng)就會發(fā)生飛行事故，造成社會財產(chǎn)的損失。關(guān)于尾流紊流對安全經(jīng)濟方面的影響，遵守國際民航組織的現(xiàn)行間隔標(biāo)準(zhǔn)限制了機場和航路的容量。

尾流間隔是影響機場終端區(qū)流量的主要因素，本文將基于尾流對飛行的影響及尾流安全間隔,提出提高機場終端區(qū)容量和促進安全的建議。本文通過運用空氣動力學(xué)相關(guān)理論和試驗數(shù)據(jù)模擬計算的方法,分析尾流的各種屬性及對飛行的影響。提出在起飛、進近、著陸燈飛行階段尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的運用方法和注意事項;針對現(xiàn)行最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn),提出相應(yīng)的應(yīng)用建議。內(nèi)容包括:簡單地介紹一下本課題的研究內(nèi)容和方向,然后對尾流形成的原因、尾流的屬性以及其對后機的影響進行詳細(xì)的分析;對比ICAO及中國的最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn),提出在實際工作中如何運用和把握混合起降尾流間隔標(biāo)準(zhǔn),為管制員提供一個實用的放飛間隔判斷輔助方案;針對現(xiàn)行最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的不足之處,提出幾條改進尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)遵循的準(zhǔn)則。

1 尾流間隔的應(yīng)用

1.1 雷達標(biāo)準(zhǔn)和非雷達標(biāo)準(zhǔn)的比較分析[1]

由于現(xiàn)代的一、二次精密進近雷達能夠提供準(zhǔn)確的飛機的位置、速度和高度等信息，雷達間隔標(biāo)準(zhǔn)則要簡單明了得多;而且其相對間隔距離要小一些，尤其是當(dāng)輕型機跟在重型機后面的時候最為明顯，例如:前機是波音747，其進近速度為150海里/小時，后機為一架Cessna的輕型機，當(dāng)實施的是程序管制間隔時，最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)是3分鐘[7]，以前機的進近速度計算得到等價的距離間隔值為7.5海里，比雷達管制提供的最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)5海里大得多?，F(xiàn)在世界上大多數(shù)國際機場的終端區(qū)均配備了精密進近雷達，實施雷達管制、提供雷達引導(dǎo)服務(wù)。例如美國和西歐早在70年代就已經(jīng)開始在終端區(qū)實施雷達管制服務(wù);如果在這些交通繁忙的機場使用非雷達間隔，將會大大減小機場容量，而且也只有在這些雷達管制下交通繁忙的機場里，尾流最低間隔標(biāo)準(zhǔn)問題才會顯得如此的突出和重要;相反的，在那些較為空閑的機場環(huán)境下，幾乎不會因為尾流危險遭遇問題造成機場終端區(qū)容量減小，原因很簡單，因為有著足夠空閑的空間和時間可加以利用。

大多數(shù)的ICAO的成員國均采用PANSATM, Doc4444的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，中國使用的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)也是同ICAO的一致;但是英國和美國等少數(shù)幾個航空大國在多年本國實行運行經(jīng)驗和研究工作的基礎(chǔ)上，使用的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)與ICAO的標(biāo)準(zhǔn)略有不同。

1.2 尾流標(biāo)準(zhǔn)與空中交通管制中其他標(biāo)準(zhǔn)的分析

尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)與空中交通服務(wù)中所規(guī)定的其他標(biāo)準(zhǔn)如:縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)向間隔標(biāo)準(zhǔn)以及飛行高度層的配備等等差別很大，具體原因可以分為以下幾個方面:

首先，尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)與其他間隔標(biāo)準(zhǔn)的適用空間范圍不一樣。尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)只在機場終端區(qū)的飛機起飛爬升階段和最后進近著陸階段適用，在這個空間范圍內(nèi)，飛機的速度變化范圍大，但絕對數(shù)值小、飛機外形變化大(如:落地時飛機由光潔外形轉(zhuǎn)換為起落架放下、襟翼放下的著陸形態(tài); 而起飛過程則正好相反); 而縱向間隔、側(cè)向間隔標(biāo)準(zhǔn)主要是用于飛機巡航飛行階段，還包括部分起始進近階段及起飛后的上升階段: 在這個空間范圍內(nèi)，飛機的速度變化范圍小，其絕對數(shù)值大，機體外形幾乎不發(fā)生變化，都是光潔外形。

其次，正是由于活動的空間范圍的不同，才使得各種間隔標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點不同。側(cè)向、縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)以及垂直間隔標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)心的是如何讓兩架飛機在空中相撞的危險性盡可能地降低，使之符合一個安全的概率水平。它們常常重點研究的是導(dǎo)航設(shè)備誤差引起的飛機在空中的定位容差，而很少去考慮飛機所產(chǎn)生的尾流強度在巡航飛行中會不會對其他的飛機造成影響，從實際的飛行來看，意義也的確不大。與此相反的是，尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)必須考慮在起飛、進近著陸階段前機形成的尾流強度是否會對后機的正常飛行造成影響:由于在終端區(qū)內(nèi)，現(xiàn)代一次和二次精密進近雷達完全可以對區(qū)域內(nèi)起飛、落地的飛機進行精確的定位，其高度、位置、速度、航向等等數(shù)據(jù)信息要比巡航飛行要準(zhǔn)確得多，所以很少去考慮和研究兩架飛機相撞的情形;最壞的情況是后面跟進的小型機由于間隔問題進入前面重型機的尾渦造成急劇滾轉(zhuǎn)失事或機身結(jié)構(gòu)損壞而失事。

再者，在確定間隔標(biāo)準(zhǔn)時所考慮的參數(shù)也不一樣;對縱向間隔、側(cè)向間隔及垂直間隔標(biāo)準(zhǔn)，其主要的影響參數(shù)包括航空器的速度大小、飛行高度差、航路結(jié)構(gòu)、兩機的飛行軌跡構(gòu)型等等，幾乎不用考慮天氣變化的影響;在尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的主要影響參數(shù)中，飛機速度的大小同樣是考慮的內(nèi)容;但同時機型最大起飛重量、跑道的構(gòu)型及跑道的使用方式以及近地面層大氣環(huán)境的影響都是不得不同等的加以研究的。

正是有了如此多的差異和不同，使得對側(cè)向、縱向間隔及垂直間隔標(biāo)準(zhǔn)的研究和對尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的研究而相差甚遠(yuǎn);從60年代起出現(xiàn)的Rich模型及相關(guān)的理論，經(jīng)過不斷地完善可以很好的用于前者的間隔標(biāo)準(zhǔn)的修改和制定:而對于后者，目前世界上還沒有一個公認(rèn)的成熟的尾流間隔模型:尤其是涉及大氣條件的限制，如尾渦的形成與消散機理以及對機翼的作用力的分析非常復(fù)雜，還需要進一步的研究。

上文討論了我國尾流標(biāo)準(zhǔn)的特性，對尾流間隔有了較全面的認(rèn)識。但是這還不夠，間隔標(biāo)準(zhǔn)只有在被運用得當(dāng)時才能體現(xiàn)該體系的價值?？罩薪煌ü苤茊T運用尾流間隔時，只是熟知數(shù)字是不夠的，還應(yīng)當(dāng)能使用專業(yè)知識判斷如何將遭遇尾流的可能性降到最小。在操作性上，由于尾流不可見，造成尾流規(guī)避的困難性，這一點對管制員和飛行員的素質(zhì)都提出了要求。要盡量不受尾流影響，保證飛行安全，管制員和飛行員必須依靠其專業(yè)知識和對尾流的特性的了解，在大腦中形成尾流的情形，才能使得間隔標(biāo)準(zhǔn)的效用最大化。結(jié)合飛機性能，適合于不同的尾流遭遇程度，選擇適用的尾流標(biāo)準(zhǔn)，具體情況具體處理，嚴(yán)格遵守安全保障程序，幫助飛行員通過不斷調(diào)整其操作或改變飛行航跡來躲避尾流的影響[2]。針對全球正在服役的多數(shù)機型，考慮可能預(yù)見的情況，我們制定了相關(guān)的尾流預(yù)防和規(guī)避策略，作為管制員預(yù)判尾流遭遇情形[3]和已經(jīng)遭遇尾流時飛行員的操作參考。同時，為更好地應(yīng)用好尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，提出了一些對管制員的專業(yè)素質(zhì)上的要求。

2 尾流的預(yù)防和規(guī)避策略

2.1 在同一跑道上追隨一架較大型飛機著陸的標(biāo)準(zhǔn)和策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn) (雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略1):

a) 中型航空器于重型航空器2之后——2分鐘；若前機為A380-800機型，后機為中型機——3分鐘；

b) 輕型航空器于中型或重型航空器之后——3分鐘;若前機為A380-800機型，后機為輕型機——4分鐘。

規(guī)避策略:

(1) 保持在較大型飛機最后進近飛行航跡的上方。

(2) 注意較大型飛機接地點的位置。

(3)在跑道長度允許的范圍內(nèi)，盡量在接地點前方著陸。

(4)如果不能安全地在接地點前方著陸，立即復(fù)飛。

2.2 間距小于2500米的平行跑道上跟隨一架較大型機著陸的策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略 ) :

a) 中型航空器于重型航空器之后——2分鐘。

b) 輕型航空器于重型或重型航空器之后——3分鐘。

規(guī)避策略：

(1) 考慮可能的尾流飄散影響到平行跑道。

(2)保持在較大型機最后進近航跡的上方。

(3) 注意較大型機的接地點。

2.3 交叉跑道上的跟隨較大型飛機著陸的策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略) :

a) 中型航空器于重型航空器之后——2分鐘。

b) 輕型航空器于重型或重型航空器之后——3分鐘。

規(guī)避策略：

(1) 垂直或從側(cè)方穿越較大型機的飛行航跡時應(yīng)當(dāng)保持在較大型機最后進近航跡的上方。

(2) 如果發(fā)現(xiàn)不安全現(xiàn)象，立即復(fù)飛。

2.4 在同一條跑道上跟隨較大型飛機起飛后著陸的策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略) :

a) 中型航空器于重型航空器之后——2分鐘。

b) 輕型航空器于重型或重型航空器之后——3分鐘。

規(guī)避策略：

(1)注意較大型機在跑道上的抬前輪點。

(2)在抬前輪點之前飛機接地，否則直接選擇復(fù)飛。

2.5 在交叉跑道上較大型機后起飛后著陸策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略) :

a) 中型航空器于重型航空器之后——2分鐘。

b) 輕型航空器于重型或重型航空器之后——3分鐘。

規(guī)避策略：

(1)注意大型機抬前輪點，如果抬前輪點在交叉跑道之后，則可以繼續(xù)進近，且著陸點應(yīng)在跑道交叉點之前。

(2)如果大型機抬前輪點在跑道交叉點之前，應(yīng)該保證飛機在大型機飛行航跡的上方，，除非能夠保證在到達跑道交叉點之前接地，否則放棄進近。

2.6 較小型機在大型機后離港的策略

管制員注意實施的非雷達尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略)：

2分鐘的最低標(biāo)準(zhǔn)適用于在重型航空器之后起飛——輕型航空器之間或用于在重型航空器之后起飛的一輕型航空器之間 ， 并且這些航空器均在使用;

a) 同向跑道;

b) 間隔小于760米的平行跑道;

c) 交叉跑道，當(dāng)?shù)诙芎娇掌鞯念A(yù)計飛行航徑將與第一架航空器的預(yù)計飛行航徑在相同高度或低于300米(1000米)處交叉時;

d) 間隔大于760米的平行跑道，當(dāng)?shù)诙芎娇掌鞯念A(yù)計飛行航徑將與第一架航空器的預(yù)計飛行航徑在相同高度或低于300米(1000米)處交叉時。

注：當(dāng)前后起飛離場的航空器分別為A380-800機型和中型機、A380-800機型和輕型機時，其非雷達間隔的尾流間隔時間不得少于3分鐘；當(dāng)前后起飛離場的航空器分別為A380-800機型和其他重型機時，其非雷達間隔的尾流間隔時間不得少于4分鐘。

3分鐘最低間隔標(biāo)準(zhǔn)適用于在一重型航空器值后起飛一輕型或中型航空器之間或適用于在一中型航空器之后起飛一輕型航空器之間，且起飛于:

a) 一同向跑道的中部。

b) 間隔小于760米的平行跑道的中部。

注：當(dāng)前后起飛離場的航空器分別為A380-800機型和中型機、A380-800機型和輕型機時，其非雷達間隔的尾流間隔時間不得少于4分鐘。

規(guī)避策略：

(1)注意較大型機抬前輪點的位置。

(2)多等待一段時間，不急于滑跑，除非確定本機的抬前輪點在前機之前。

(3)爬升時避開大型機的尾流影響方位。

(4)繼續(xù)爬升到大型機的爬升航跡的上方直到轉(zhuǎn)彎避開前機尾流（因為大型機的性能因素，可操作性待商榷）。

(5) 避開前機航跡從那個大型機的下方和后方穿越。

(6)對任何危險情況都進行告警。

2.7 在較大型機后起飛或者著陸進行低空飛行或者復(fù)飛的策略

管制員注意實施的非雷達尾流最小間隔(雷達標(biāo)準(zhǔn)在此省略)：

2分鐘最低間隔標(biāo)準(zhǔn)適用于一輕型或中型航空器于一重型航空器之間以及一輕型航空器與一重型航空器之間，當(dāng)較重的航空器正在作低空飛行或進行復(fù)飛，且較輕的航空器:

a) 使用逆向跑道起飛時。

b) 同一跑道作逆向著陸或在間隔小于760米的平行逆向跑道著陸時。

注：當(dāng)輕型機與A380-800機型之間、中型機與A380-800機型之間，其非雷達間隔的尾流間隔時間不少于3分鐘。

規(guī)避策略：

(1)確認(rèn)在起飛或開始進近前至少有兩分鐘間隔。

(2)如果不安全，立即終止起飛或者立即復(fù)飛。

2.8 在航路上規(guī)避尾流的策略

(1)避開較大型機航跡的下方和后方方位。

(2)如果觀察到較大型機和本機在同一航跡（相聚或者飛越），調(diào)整你的側(cè)向位置，最好是上風(fēng)方向。

3 管制員應(yīng)用尾流間隔時的注意事項

IMC條件下，管制員在嚴(yán)格執(zhí)行飛機尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的同時，應(yīng)當(dāng)對當(dāng)時的大氣環(huán)境等進行專業(yè)判斷，對尾流的消散和漂移狀況進行預(yù)測，同時為后機發(fā)布尾流告警的預(yù)報，為飛行員提供提前的相關(guān)提示。由于尾流是不可見的，所以管制員能否及時預(yù)警，完全取決于管制員的經(jīng)驗和能力。管制員應(yīng)當(dāng)多多改進自己的專業(yè)知識，以適應(yīng)瞬息萬變的工作環(huán)境和極強的反應(yīng)要求。

管制員在發(fā)布注意尾流影響的建議時，應(yīng)為以下航空器提供重型航空器或B757的位置、高度、飛行方向等信息：

(1)終端區(qū)內(nèi)無雷達引導(dǎo)且跟隨在重型航空器后的目視飛行的航空器。

(2)進行能見進近的航空器。

(3)終端區(qū)內(nèi)受到雷達的引導(dǎo)并且引導(dǎo)已經(jīng)結(jié)束的目視飛行的航空器。

管制員在提供尾流告警服務(wù)時，應(yīng)注意適當(dāng)使用以下字眼：jet blast、prop blast和rotor wash等。

4 結(jié)論

本文研究的課題是尾流間隔應(yīng)用研究，目的是通過研究尾流的產(chǎn)生及特性，同時通過對尾流標(biāo)準(zhǔn)的特性進行研究探討，找到運用尾流間隔的最佳方式，使得空域利用效率增高，空域容量增加?？罩薪煌ü苤剖褂煤娇掌髯钚￠g隔標(biāo)準(zhǔn)來防止航空器相撞，防止航空器遭遇尾流威脅。間隔標(biāo)準(zhǔn)要求取決于飛行階段（起飛、巡航、進近、著陸）和空域的幾何結(jié)構(gòu)（等待方式、單跑道運行、平行跑道運行）。航空器之間的間隔需求還取決于雷達的覆蓋范圍和航空器的類型（美國標(biāo)準(zhǔn)：重、B757、中、輕；德國標(biāo)準(zhǔn)：重、中、輕）。運用尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)避免尾流的最佳方法是：了解尾流的影響區(qū)域和性質(zhì)，并盡量避免尾流影響的區(qū)域。前幾章詳細(xì)討論了尾流的性質(zhì)及其影響的范圍，在此基礎(chǔ)上得出幾點結(jié)論包括以下幾個方面：

首先，針對最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的特殊性和重要性，本文認(rèn)為當(dāng)跟進的后機縱向進入前機形成的尾渦流場的中心區(qū)時所造成的滾轉(zhuǎn)運動的影響是最為顯著的，值得重點加以研究；

其次，具體分析了尾流在不同狀況下前機尾流對后機的影響，指出在著陸和進近、航路階段遭遇尾流的特點，指出了飛行員應(yīng)當(dāng)了解的飛機性能和應(yīng)當(dāng)具備的良好判斷；

再次，對目前實行的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的特性（雷達標(biāo)準(zhǔn)與非雷達標(biāo)準(zhǔn)，尾流標(biāo)準(zhǔn)與其他間隔標(biāo)準(zhǔn)諸如橫向間隔、縱向間隔等）進行了仔細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上提出了尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件。

最后，對如何規(guī)避尾流提出自己的建議，作為保證安全的輔助措施，提出了具體的操作意見，要求了飛行員在尾隨或者橫穿前機航跡等具體情況時做出具體的判斷，以達到最好的安全目標(biāo)。當(dāng)然，在適用尾流規(guī)避程序時，要注意某些特殊機型，如B757等，注意在實施尾流間隔時全力保證安全。

隨著對尾流研究的深入，合理的修改尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，順應(yīng)尾流標(biāo)準(zhǔn)的修改將其在實際工作中合理應(yīng)用，對此還需要進一步的研究。同時，關(guān)于尾流的數(shù)據(jù)研究等資料均取自于國外研究成果，所援引理論均為參考FAA的數(shù)據(jù)，取其較為保守的數(shù)值，可能并不符合中國國情。在這一點上，我國的航空航天和科技研究部門，應(yīng)當(dāng)在中國國情的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)的理論研究和數(shù)據(jù)采集上多做研究，使我國國內(nèi)的尾流間隔應(yīng)用研究更適合民航事業(yè)的發(fā)展。可望不久的未來，航空港的飛機能夠接續(xù)不停的安全起飛和降落，而不必被動無奈地長時間等待前面飛機尾渦的消散。

[1]國際民用航空組織空中規(guī)則與空中交通服務(wù).中國民航總局空中交通管理局出版社. 2001年1月20日

[2]空中交通服務(wù)計劃手冊(ICA09426-AN/ 924文件).中國民航總局空中交通管理局出版.1999年9月9日

[3] Pilot and Air Traffic Controller Guide to Wake Turbulence, FAA

[4] Kraft, C. C. ，Jr.Flight Measurement soft he Velocity Distribution and Persistence of the Trailing Vortices of an Airplane，NACA TN3377, March，1995

備注

1雷達標(biāo)準(zhǔn)較為單一，在此不贅述，見參考文獻[7].有關(guān)A380-800機型的雷達尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)見參考文獻[12]

2此處特指非A380-800機型重型航空器

3雷達標(biāo)準(zhǔn)均省略，其后亦同.

Research on Application of Wake Turbulence Separation

Liu Fang
Air Traffic Control Center, Northeast Air Traffic Management Bureau, CAAC, Shenyang 110043, Liaoning, China

This paper analyzes the impact on flight safety of turbulence by modeling the conflict between aircrafts combined with references；compares the specialty of wake turbulence separation in China to counterparts in ICAO and FAA；proposes methods of application of wake turbulence separation based on different situations and strategy of aircraft wake turbulence avoidance considering development of civil aviation in China which provides particular proposal of air traffic control.

V335.1

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.012

劉芳，女，大學(xué)本科 中級工程師，

出生年月：1974年2月5日，單位：民航東北空中交通管理局。