飛機(jī)尾流探測技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用趨勢探析

摘 要：飛機(jī)尾流指的是空氣動(dòng)力飛行器在飛行過程中形成的固定的流體力學(xué)特點(diǎn)，包括維持時(shí)間久、空間尺度范圍大以及穩(wěn)定性良好等特征，故能夠被納、雷達(dá)以及激光雷達(dá)等傳感器探測到。飛機(jī)尾流憑借自身特有的湍流，而有著獨(dú)特的電磁散射特征，通過雷達(dá)對飛機(jī)尾流進(jìn)行探測有著十分高的現(xiàn)實(shí)意義。文章通過分析民航飛機(jī)尾流的產(chǎn)生與消散，闡述民航飛機(jī)尾流探傳感器技術(shù)特點(diǎn)、民航飛機(jī)尾流探測研究現(xiàn)狀，旨在為相關(guān)人員基于民航飛機(jī)尾流的產(chǎn)生與消散、民航飛機(jī)尾流探傳感器技術(shù)特點(diǎn)及民航飛機(jī)尾流探測研究現(xiàn)狀的民航飛機(jī)尾流探測技術(shù)的應(yīng)用趨勢研究適用提供一些思路。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；探測距離；尾流消散；應(yīng)用趨勢

引言

飛機(jī)尾流是飛機(jī)在飛行過程中產(chǎn)生的必然現(xiàn)象，與大氣不同，飛機(jī)尾流擁有特殊的空氣動(dòng)力學(xué)特性與雷達(dá)特性。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來分析，飛機(jī)在飛行過程中，尾部產(chǎn)生的氣流更加強(qiáng)烈，而且為不規(guī)則變化，因此飛機(jī)尾流成為了航空安全的重要影響因素。

1 民航飛機(jī)尾流的產(chǎn)生與消散

1.1 尾流的產(chǎn)生

尾流，即翼尖渦流，指的是飛機(jī)三維機(jī)翼在出現(xiàn)升力情況下，隨著出現(xiàn)誘導(dǎo)阻力的誘因。在飛機(jī)三維機(jī)翼出現(xiàn)升力情況下，飛機(jī)上翼面的壓強(qiáng)將不足于飛機(jī)翼面，于兩個(gè)飛機(jī)翼尖位置氣流便會(huì)自下翼面經(jīng)翼尖流往飛機(jī)上翼面，如圖1所示。此外，結(jié)合懦可夫斯基升力公式，尾渦強(qiáng)度與尾渦相互有著下述關(guān)聯(lián)性：

？祝0=Y/pVLv=NyG/pLv

該公式中，Lv=πl(wèi)/4，Lv表示飛機(jī)有效翼展，l表示飛機(jī)翼展。

圖1 飛機(jī)尾流的產(chǎn)生示意圖

1.2 尾流的消散

尾流的消散機(jī)制十分繁雜，飛機(jī)尾流的消散步驟、方式受局部大氣環(huán)境很大程度影響，包括大氣分層效應(yīng)、風(fēng)的速度場、溫度梯度以及大氣絮流度等等[1]?，F(xiàn)階段，針對尾流的消散機(jī)理尚不十分明確，結(jié)合相關(guān)研究而言，飛機(jī)尾流消散通常存在以下幾種方式：I.經(jīng)較長一段時(shí)間之后，翼尖渦流擴(kuò)散能夠使得各個(gè)漩渦不斷增大，造成尾流與大氣相融合，引發(fā)尾流消散；II.即刻的結(jié)構(gòu)變換，能夠片刻使漩渦中心位置加寬，造成漩渦瓦解、破裂，引發(fā)尾流消散。

2 民航飛機(jī)尾流探傳感器技術(shù)特點(diǎn)

2.1 激光雷達(dá)探測技術(shù)

飛機(jī)尾流的激光雷達(dá)探測技術(shù)屬于一項(xiàng)較為成熟的探測技術(shù)。Lockheed Corporation推行SOCRATES項(xiàng)目，通過激光雷達(dá)探測技術(shù)對飛機(jī)尾流進(jìn)行跟蹤，達(dá)到了顯著的機(jī)場使用率、機(jī)場安全可靠性等改善效果[2]。倫敦希思羅機(jī)場開展的激光雷達(dá)探測研究發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)尾流組成有著一系列有趣之處。良好的天氣環(huán)境下，激光雷達(dá)探測性能十分可觀，可確切呈現(xiàn)出尾流空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)，能夠給予飛機(jī)升降以有利的尾流特性依據(jù)，性能發(fā)揮距離比較遠(yuǎn)，然而在濃霧、陰雨等天氣環(huán)境下，激光雷達(dá)的傳播急劇衰減，性能發(fā)揮距離極大地下降，無法符合飛機(jī)尾流探測標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，激光雷達(dá)探測技術(shù)還有著成本造價(jià)高的不足。

2.2 雷達(dá)

相較于激光雷達(dá)探測技術(shù)，雷達(dá)有著天氣環(huán)境適應(yīng)能力佳、成本造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，并且同樣可以確切呈現(xiàn)出尾流空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)，符合民航安全對飛機(jī)尾流動(dòng)態(tài)預(yù)測、檢測的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，飛機(jī)尾流的雷達(dá)探測技術(shù)愈來愈得到人們的熱點(diǎn)關(guān)注。自上世紀(jì)八十年代到今天，歐美諸多發(fā)達(dá)國家開展了一系列飛機(jī)尾流探測研究檢測尾流雷達(dá)發(fā)射率，相關(guān)飛機(jī)尾流雷達(dá)探測研究[3]，如表1所示。自多普勒譜雷達(dá)相關(guān)研究角度出發(fā)，尾流構(gòu)成成分包括兩個(gè)相對旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)漩渦，尾流速率能夠視為兩個(gè)旋向不同的渦旋重疊，公式為：

v2（r）=v（r-r2）-v（r-r1）

其中，v（r）指的是尾渦剖面切向速率模型，r1、r2指的是渦旋中心，方程經(jīng)矢量疊加一定地呈現(xiàn)了渦旋的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)[3]。設(shè)定飛機(jī)航速為70m/s情況下，通過單位長度尾流之中徑向速率vd所具備的體積呈現(xiàn)多普勒譜S（vd），單位為m3/s，統(tǒng)計(jì)手段獲取單渦、雙渦多普勒譜公式與單渦所得結(jié)果基本一致，公式均可表示為：

S（vd）≈？祝20/8π3d，v0≤|Vd|≤V1

其中，？祝20指的是尾流渦環(huán)值。V0=？祝0/2πBa指的是尾流多普勒最小速率值，經(jīng)計(jì)算，單渦、雙渦標(biāo)準(zhǔn)差均在3m/s范圍。

3 民航飛機(jī)尾流探測研究現(xiàn)狀

3.1 尾流雷達(dá)探測技術(shù)的問題與趨勢

自尾流雷達(dá)探測技術(shù)研究方向而言，截止目前，它的理論研究仍舊鮮有成果。于飛機(jī)尾流探測實(shí)驗(yàn)研究之中，大部分研究集中于光大、雷達(dá)等探測技術(shù)上，且尾流雷達(dá)探測技術(shù)愈來愈得到行業(yè)的熱點(diǎn)關(guān)注。

3.2 尾流探測技術(shù)的理論體系

現(xiàn)階段國際上關(guān)于尾流探測技術(shù)的相關(guān)研究所集中在民航領(lǐng)域，故此類研究所研究的主要方向?yàn)榻涛擦飨嚓P(guān)探測實(shí)驗(yàn)。相關(guān)面向反隱身實(shí)踐需要的遠(yuǎn)程尾流探測技術(shù)的理論體系，國際上還沒有十分明確的研究方向。在我國，相關(guān)人員在進(jìn)行尾流探測、尾流目標(biāo)特性相關(guān)研究的一并時(shí)間，首次進(jìn)行了更進(jìn)一步的尾流探測技術(shù)理論體系研究，初步構(gòu)建出尾流雷達(dá)回波框架，開發(fā)出Hough變換、GLRT及LMP等一系列尾流探測技術(shù)，同時(shí)研究了不同常規(guī)天氣環(huán)境下的尾流探測距離[5]。這一系列尾流探測技術(shù)的理論體系研究，極大地對雷達(dá)目標(biāo)檢測理論進(jìn)行了豐富，但仍沒有構(gòu)筑出全面系統(tǒng)的尾流檢測理論體系，還有待進(jìn)一步展開研究。

4 民航飛機(jī)尾流探測技術(shù)的應(yīng)用趨勢

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的急速進(jìn)步，為航空運(yùn)輸也發(fā)展創(chuàng)造了有利契機(jī)，機(jī)場運(yùn)輸越來越繁忙，客流量越來越大，飛機(jī)尾流所引發(fā)的飛機(jī)安全隱患及尾流對機(jī)場吞吐量的制約等問題，愈來愈得到行業(yè)專家人士的熱點(diǎn)關(guān)注。迄今為止，世界上已存在一些機(jī)場已經(jīng)配備有自身的飛機(jī)尾流探測雷達(dá)[6]。由此能夠遇見，在不久的將來，各大機(jī)場將陸陸續(xù)續(xù)配備尾流探測設(shè)備，尾流探測將成為民航領(lǐng)域的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，飛機(jī)尾流探測技術(shù)研究是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要花費(fèi)大量的人力、物力，為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)尾流探測技術(shù)研究的有效性，相關(guān)人員要全面認(rèn)識(shí)飛機(jī)尾流的特殊目標(biāo)特性，研制特有的飛機(jī)尾流檢測、跟蹤算法，并且應(yīng)當(dāng)權(quán)衡一系列工藝、實(shí)踐應(yīng)用等需求，積極為人類社會(huì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：靳宇波，男，漢，中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院研究生，研究方向：飛機(jī)尾流。