翼尖尾渦對(duì)后機(jī)影響研究及規(guī)避策略

邢琳琳，高培新

(濱州學(xué)院飛行學(xué)院 山東濱州256603)

翼尖尾渦對(duì)后機(jī)影響研究及規(guī)避策略

邢琳琳，高培新

(濱州學(xué)院飛行學(xué)院 山東濱州256603)

在飛行中，飛機(jī)翼尖尾渦對(duì)飛行安全影響較大，不僅會(huì)降低后機(jī)能見度，而且對(duì)后機(jī)操作及性能都有重要影響?；趯?duì)翼尖尾渦形成機(jī)理、近地流動(dòng)規(guī)律及渦核特性的分析，闡述了飛機(jī)翼尖尾渦對(duì)后機(jī)飛行安全的影響，主要涵蓋后機(jī)平飛狀態(tài)起飛降落、橫向操縱等方面。同時(shí)提出了規(guī)避翼尖尾渦對(duì)后機(jī)影響的具體策略，其中包括嚴(yán)格執(zhí)行國際民航組織規(guī)定的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)、建立混合起降尾流安全間隔等。

翼尖 尾渦 后機(jī) 飛行安全 規(guī)避策略

1 翼尖尾渦基礎(chǔ)理論

1.1 翼尖尾渦形成條件

飛機(jī)在正常飛行條件下，需要特定的飛機(jī)迎角，同時(shí)保持一定的飛行速度。在升力產(chǎn)生過程中，由于機(jī)翼上下弧度不同，會(huì)產(chǎn)生一部分壓差，這種壓差導(dǎo)致流經(jīng)機(jī)翼上下表面的氣流也產(chǎn)生壓差。壓差產(chǎn)生的過程中，上翼面氣流會(huì)向翼根偏移，而下翼面氣流會(huì)向翼尖方向偏移，從而產(chǎn)生一些渦面。這些渦面相互作用，形成了翼尖尾渦。[1]

1.2 翼尖尾渦近地流動(dòng)規(guī)律

當(dāng)飛機(jī)接近地面飛行時(shí)，地面會(huì)對(duì)尾渦下移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)阻力。在離地半個(gè)或1個(gè)翼展高度時(shí)，兩條尾渦會(huì)停止下降而轉(zhuǎn)為橫向移動(dòng)，同時(shí)以相同下降速度向外側(cè)橫移，并且持續(xù)分離。在低空有風(fēng)條件下，尾渦會(huì)隨風(fēng)向移動(dòng)，當(dāng)近地面有側(cè)風(fēng)時(shí)，一股渦流會(huì)隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速向外加速移動(dòng)，而另一股渦流向外移動(dòng)速度則會(huì)減慢。

1.3 翼尖尾渦渦核特性

翼尖尾渦形成后，渦核受誘導(dǎo)力及自身重力的影響會(huì)隨即向后并向下運(yùn)動(dòng)，但受地面效應(yīng)影響，渦核垂直下降速度會(huì)相應(yīng)減小并向兩側(cè)加速擴(kuò)散。這種擴(kuò)散對(duì)翼尖尾渦將產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致渦核間距逐漸增大。[2]隨著飛行的持續(xù)，尾渦高度將逐漸變小。初始飛行階段變化不大，但隨著下降高度的增加，間距會(huì)慢慢增大，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)最低下降高度時(shí)，間距會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)。

2 翼尖尾渦對(duì)后機(jī)飛行的影響

2.1 后機(jī)進(jìn)入前機(jī)翼尖尾渦征兆

翼尖尾渦形成后呈螺旋狀向后延深，其強(qiáng)度與機(jī)翼產(chǎn)生的升力大小密切相關(guān)，飛機(jī)過載愈大則升力愈大，尾渦愈強(qiáng)。大型飛機(jī)尾渦形成的強(qiáng)度很大，對(duì)后機(jī)儀表及相關(guān)設(shè)施都有極大影響，其中氣壓高度表受影響較為明顯。高度表讀數(shù)以機(jī)頭空速管探測(cè)的大氣靜壓為依據(jù)，因此其指示突變、飛機(jī)滾轉(zhuǎn)并難以控制等特征都是飛機(jī)進(jìn)入前機(jī)尾渦的征兆。

2.2 翼尖尾渦對(duì)后機(jī)平飛狀態(tài)的影響

在平飛狀態(tài)，飛機(jī)經(jīng)過前機(jī)尾渦中心位置時(shí)，飛機(jī)俯仰狀態(tài)受到破壞，會(huì)出現(xiàn)上下起伏或顛簸。[3]飛機(jī)開始進(jìn)入尾渦時(shí)，受到向上誘導(dǎo)力影響，飛機(jī)迎角與速度會(huì)急劇增大，升力也會(huì)陡增，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)頭陡升。為保持飛機(jī)平飛狀態(tài)，駕駛員應(yīng)在壓桿的同時(shí)減小油門，但飛機(jī)又會(huì)進(jìn)入誘導(dǎo)力向下的尾渦區(qū)，導(dǎo)致飛機(jī)迎角突然減小，此時(shí)駕駛員應(yīng)拉桿以增大迎角，這就可能使飛機(jī)結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成飛行事故。

2.3 翼尖尾渦對(duì)后機(jī)起飛降落的影響

沿縱軸方向進(jìn)入尾渦時(shí)，受下洗氣流影響，飛機(jī)高度會(huì)急劇下降。[4]在高空飛行時(shí)，駕駛員有充裕的時(shí)間調(diào)整飛行姿態(tài)，因此影響程度相對(duì)較小，但在起飛階段與著陸階段，飛機(jī)受影響相對(duì)較大。在起飛階段，發(fā)動(dòng)機(jī)處于全推力狀態(tài)，下洗氣流會(huì)抵消部分爬升力，飛機(jī)無法爬升到最低起飛越障高度，釀成悲??；在最后進(jìn)近階段，飛機(jī)處于低速狀態(tài)，其機(jī)動(dòng)能力相對(duì)較低，如果遭遇由尾渦引起的高度損失，駕駛員沒有足夠時(shí)間與操縱能力進(jìn)行調(diào)整，可能導(dǎo)致著陸低于最后進(jìn)近超障高度，而發(fā)生事故。

2.4 翼尖尾渦對(duì)后機(jī)橫向操縱的影響

后機(jī)進(jìn)入前機(jī)尾渦后，受到尾渦氣流影響，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩。在飛行過程中，兩側(cè)翼尖都會(huì)生成翼尖渦流，從而產(chǎn)生機(jī)翼后緣下洗流與上洗流。當(dāng)從外側(cè)進(jìn)入前機(jī)尾渦時(shí)，后機(jī)會(huì)向前機(jī)外側(cè)滾轉(zhuǎn)；當(dāng)從內(nèi)側(cè)進(jìn)入前機(jī)尾渦時(shí)，后機(jī)會(huì)向前機(jī)內(nèi)側(cè)滾轉(zhuǎn)。前機(jī)尾渦對(duì)后機(jī)橫向操縱影響較大，會(huì)使后機(jī)發(fā)生持續(xù)滾轉(zhuǎn)。一旦失去控制，在高空時(shí)飛機(jī)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失速；在低空時(shí)，飛機(jī)易發(fā)生機(jī)翼擦地或墜機(jī)。[5]

3 翼尖尾渦規(guī)避策略

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，翼尖渦流會(huì)對(duì)后機(jī)飛行產(chǎn)生重要影響，很多飛行事故均由尾流問題引起，因此切實(shí)采取措施解決尾渦問題可有效提高飛行安全系數(shù)。

3.1 全面把握翼尖尾渦特性

駕駛員應(yīng)通過多種渠道加深對(duì)翼尖尾渦的認(rèn)識(shí)，一方面可以通過目視判斷飛機(jī)間隔，另一方面可以借助機(jī)載雷達(dá)及先進(jìn)儀表設(shè)備規(guī)避尾流帶來的影響。白天可根據(jù)飛機(jī)外形及目視清晰度變化來掌握飛機(jī)間隔情況，夜間可根據(jù)航行燈明暗程度變化來判定間隔。這種方法雖然在一定程度上可提高駕駛員對(duì)尾渦的控制，但易產(chǎn)生視覺誤差，因此駕駛員及相關(guān)人員必須接受專業(yè)目視訓(xùn)練，以增強(qiáng)其夜間判斷能力及特殊問題的處置能力。

3.2 嚴(yán)格執(zhí)行國際及國內(nèi)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)踐運(yùn)行及理論研究基礎(chǔ)上，國際民航組織對(duì)尾流間隔的相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，對(duì)空中航行服務(wù)程序、飛行規(guī)則及空中交通服務(wù)中有關(guān)翼尖尾渦的標(biāo)準(zhǔn)也做了修訂，并將其作為正式航空法規(guī)執(zhí)行。因此，為保障飛行安全，應(yīng)嚴(yán)格按照國際民航組織的相關(guān)規(guī)定，完善飛行程序。同時(shí)，在國際民航組織相關(guān)規(guī)章的基礎(chǔ)上，中國民用航空局也制定了關(guān)于尾渦的相關(guān)章程與航空規(guī)章，如最大起飛重量≥13.6,t的重型機(jī)應(yīng)至少與前機(jī)保持 8,km的尾流雷達(dá)間隔，最大起飛重量在7～13.6,t的中型機(jī)應(yīng)與前機(jī)至少保持 10,km 的尾流雷達(dá)間隔，最大起飛重量＜13.6,t的輕型機(jī)應(yīng)與前機(jī)至少保持 12,km的尾流雷達(dá)間隔。中國民用航空局還指出，航空器在進(jìn)行連續(xù)起降訓(xùn)練時(shí)，除后機(jī)駕駛員能確保在高于前機(jī)飛行高度以上飛行外，其他情況下尾流間隔時(shí)間至少保持 4,m in。只有嚴(yán)格執(zhí)行國際民航組織及中國民航局的相關(guān)航空法規(guī)，才能提高駕駛員對(duì)飛行安全的把控。

3.3 建立混合起降尾流安全間隔

目前我國大多數(shù)機(jī)場(chǎng)是單跑道機(jī)場(chǎng)，但隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，使用一條跑道混合起降的比率會(huì)逐漸增大，因此完善安全尾流間隔，設(shè)立混合起降尾流間隔至關(guān)重要。對(duì)于混合起降尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，國際民航組織與中國民用航空局的規(guī)定都有待進(jìn)一步完善。在實(shí)際飛行中，根據(jù)不同情況，應(yīng)建立不同的混合起降尾流安全間隔，當(dāng)著陸前機(jī)尾流對(duì)起飛、后機(jī)影響不大時(shí)，可采用延遲起飛的方法。當(dāng)前機(jī)起飛后機(jī)著陸時(shí)，要充分考慮側(cè)風(fēng)的影響，當(dāng)正側(cè)風(fēng)＞3,m/s時(shí)，著陸后機(jī)一定要與起飛前機(jī)保持至少90,s的間隔時(shí)間。

3.4 起飛階段翼尖尾渦規(guī)避策略

由于翼尖尾渦嚴(yán)重影響飛行安全，駕駛員必須采取一定措施來規(guī)避翼尖尾渦，盡可能避免穿越尾流區(qū)域。飛機(jī)處于翼尖尾渦上風(fēng)位置最為安全，也就是說輕型飛機(jī)駕駛員應(yīng)盡可能在中型或重型飛機(jī)飛行軌跡的上風(fēng)位置。起飛階段，若前機(jī)為中型機(jī)或重型機(jī)，后機(jī)應(yīng)在起飛點(diǎn)之前抬前輪；離地爬升時(shí)，應(yīng)保持高于前機(jī)爬升航跡的高度爬升，否則應(yīng)轉(zhuǎn)向前機(jī)飛行航跡上風(fēng)方向，避開尾流；在目視飛行條件下，應(yīng)避免在前機(jī)下方飛行。國內(nèi)許多機(jī)場(chǎng)不止配備一條跑道，在這種跑道進(jìn)行起降時(shí)一定要提前預(yù)防，采取轉(zhuǎn)場(chǎng)或盤旋等待程序。在起飛階段，應(yīng)時(shí)刻注意前機(jī)帶來的翼尖尾渦效應(yīng)，采取及時(shí)有效的措施全面提升起飛安全。

3.5 著陸階段翼尖尾渦規(guī)避策略

如果與中型機(jī)或重型機(jī)使用同一跑道落地，后機(jī)除高于前機(jī)最后進(jìn)近飛行航跡外，還應(yīng)在前機(jī)接地點(diǎn)前方接地。在使用平行跑道落地時(shí)，駕駛員既要考慮前機(jī)翼尖尾渦帶來的影響，又要全面考慮飛行高度與航跡，此外還需密切關(guān)注接地點(diǎn)的精確位置。若前機(jī)為重型機(jī)且使用交叉跑道時(shí)，在兩機(jī)航跡交叉部分，后機(jī)飛行航跡應(yīng)高于前機(jī)進(jìn)近航跡。通常情況下，為提供足夠升力，中型機(jī)及重型機(jī)通常以較大迎角升空，若使用同一跑道，則后機(jī)應(yīng)在前機(jī)起飛點(diǎn)之前接地；若前機(jī)在交叉點(diǎn)之前抬前輪，后機(jī)則應(yīng)中止進(jìn)近。在著陸階段，駕駛員要時(shí)刻關(guān)注前機(jī)情況，同時(shí)觀察跑道及滑行道情況，避免因翼尖尾渦帶來的飛行事故。

4 結(jié) 論

通過分析前機(jī)尾渦對(duì)后機(jī)飛行安全的影響、渦流對(duì)飛機(jī)滾轉(zhuǎn)的影響以及不同情況下飛行間隔保持規(guī)則，可以看出翼尖尾渦對(duì)飛行安全有很大影響。在日常飛行時(shí)，駕駛員要嚴(yán)格執(zhí)行國際民航組織及中國民用航空局制定的混合起降尾流安全間隔，并在目視觀察基礎(chǔ)上加大飛行儀表及機(jī)載雷達(dá)的觀測(cè)力度，以應(yīng)對(duì)翼尖尾渦帶來的危害。同時(shí)駕駛員還應(yīng)不斷提高駕駛水平，定期進(jìn)行飛行培訓(xùn)，掌握應(yīng)對(duì)緊急情況的技能，提升飛行安全系數(shù)?！?/p>

［1］ 何德富. 飛機(jī)翼尖尾渦對(duì)后面飛機(jī)飛行安全影響及安全措施[J]. 中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(1)：12-14.

［2］ 張德元. 尾渦衰減飛行試驗(yàn)[J]. 國外試飛，1992(2)：1-8.

［3］ 谷潤平，徐肖豪，魏志強(qiáng). 地面效應(yīng)對(duì)尾渦消散的影響研究[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(3)：1-3.

［4］ 肖濤，代欽. Gurney襟翼對(duì)機(jī)翼地面效應(yīng)氣動(dòng)特性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，2013(5)：572-578.

［5］ 安嵩君，劉長衛(wèi). 飛機(jī)尾渦對(duì)飛行安全的影響[J]. 飛行力學(xué)，2004(4)：69-72.

W ingtip Vortex on a Follow ing Airplane：An Influence Study and Exp loration for Prevention Strategies

XING Linlin，GAO Peixin
(Flying College，Binzhou University，Binzhou 256603，Shandong Province，China)

Wingtip vortex has a great impact on flight safety. Not only can it reduce the visibility of a follow ing airplane，but it also affects airplane operability and performance. Based on the formation mechanism of w ingtip vortex，near earth flow regularity and characters of a vortex core，this paper explains influences of w ingtip vortex on a follow ing airplane，including level flight influence，takeoff and landing influence and lateral control. Meanwhile，it comes up w ith specific strategies to prevent w ingtip vortex，for example，strict implementation of the ICAO wake flow separation standards by pilots，and building of a mixed takeoff and landing wake flow safe separation.

w ingtip；vortex；follow ing airplane；flight safety；prevention strategy

V211.41＋2

：A

：1006-8945(2015)03-0049-02

濱州學(xué)院2013年校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(BYJYWT201314)。

2015-02-05