航空器尾流的影响分析与耗散模拟

航空器尾流的影响分析与耗散模拟

艾毅

中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院 四川 广汉 618307

摘要：随着国家航空产业的不断发展和航空器数量的不断增加，航空器尾流因素对机场容量和空域运行的影响也越来越大。重型和超重型飞机产生的尾流会对附近航线上的其他飞机产生潜在的危险，需要引入一种模型对尾流进行评价。本论文采用了基于尾流环量的模型来识别未来空域中潜在的尾流相遇。并采用蒙特卡洛模拟实现对尾流环量的模拟过程。

关键词：航空器尾流；尾流环量；蒙特卡洛模拟

0 前言

随着民航产业的不断发展，可用空域资源不足问题日益显现，与日俱增的飞行流量对空中管理效能而言是一个巨大的挑战。而飞机的尾涡对于整个民航的安全与效能来说一直是一个或缺的因素，前机飞行过程所形成的尾涡会对后面飞机会产生巨大的影响^[1-5]。当飞机接近机场降落或起飞时，飞机越接近跑道，交通越密集，这种状况就越有可能发生危险。当后机进入前机的尾涡区时，会出现飞机抖动、下沉、改变飞行状态、发动机停止甚至翻转等现象。小型飞机尾随大型飞机起飞或着陆时，若进入前机尾涡中，处置不当还会发生重大事故^[6-8]。

2 尾流的危害

使尾流涡旋特别危险的是，它们会在产生它们的飞机后方和下方保持一定距离。在飞行途中，飞机的尾流可以延伸超过25海里，并且非常缓慢地向下和向外下降-在生成飞机下方大约1000英尺处保持水平。这意味着，当一架飞机从另一架飞机的飞行路径下方通过时，即使空中交通管制员保证了垂直间隔，飞机也会遭遇前方飞机的尾流。在终端环境中，不同尺寸飞机的集中会增加暴露在尾流涡流中的风险。这一切都意味着飞行员必须敏锐地意识到所有飞行阶段的尾流湍流^[5-7]。

对于飞机来说，遇到尾流会带来严重的安全风险。尾流相遇时，飞机机翼会急剧上升或下降，从而干扰正在飞行的飞机。飞机态度的这种急剧变化是危险的，因为飞行员往往对遭遇毫无准备，必须迅速做出反应以平衡飞机。此外，尾流遭遇经常发生在飞机起飞时最初爬升或最后进场着陆时。无论哪种情况，飞机都离地面很近，几乎没有给飞行员留下重新控制飞机的空间。

3 尾流环量的耗散

通过对以往模型进行分析，我们开发了改良的尾流相遇模型。模型采用了以本文中OGE分析为基础的TDAWP算法。在这个新模型中，我们使用了Holzapfel在TDAWP模型中引入的归一化概念来增加尾迹区的可变性。考虑的随机参数为:a)飞行器质量分布，b)飞行器速度，c)大气湍流强度。该模型进行了一系列的蒙特卡罗模拟，并构建了一个三维区域，该区域使用一个简单但真实的几何结构来跟踪飞机。

本文模型依赖于包含以下数据的四个输入文件的存在

(1)横向风速分布(UDATA)，(2)环境湍流(QDATA)，(3)风速分布(UDATA) 环境温度剖面(TDATA)，和(4)飞机规格文件(ACDATA)。这些变量是:1)横向位置，2)垂直高度，3)初始涡降率和4)初始涡分离。三种环境投入使用构成格式。每个文件开头都有一个行标头，表示记录的总数。主体是一个两列矩阵，它的行数由表头定义。第一列包含一个高度值列表，第二列表示每个高度的对应值。列出的高度之间的数据将从附近的值线性插值。对于超过定义高度范围的数据，将应用最后一个可用值。

ACDATA文件中要求的根据 Kuta Rukovsky 的绕流气动力定理，飞机的尾涡初始强度 即飞机的尾涡环量可以表示^[6-9]

（1）

为前机法向过载系数; 是前机的质量; 为大气密度， 为前机真空速; 为前机翼展; 为前机机翼特征参数，对于后掠翼飞机和梯形机翼飞机通常取 。

对于后掠翼飞机，翼剖面环量可近似表示为：

（2）

在尾流相遇分析中，利用蒙特卡罗模拟方法对单个本文结果进行扩展，形成尾流危险包络线。由式(1)中定义的初始涡降率可知，影响尾迹行为的参数为大气环境变量、飞行器质量和飞行速度。为了定义一个三维尾迹区，我们使用蒙特卡罗模拟来估计一组飞机质量和飞行速度的可能组合，这些组合与飞机类型一致。

图3不同大气湍流强度下本文和TDAWP环量衰减行为比较

本文模型模拟了尾流环量强度为零的动态演化过程。在实践中，在一定的阈值水平下的环流可以被认为对特定的飞机类型是相对无害的。如前所述，大型运输机比小型运输机能承受更强的尾流。为了解决这一问题，我们引入了一个循环阀值水平，作为封皮不再被跟踪的点，因为它代表了后续飞机的非危险状态。

结论

蒙特卡罗模拟是一个耗时的过程，因为大范围的飞机性能值需要产生一个三维尾流体积。为此，我们构建了特定机群的尾流体积族，并对每个机群中最关键的机型进行了蒙特卡罗模拟。这个过程为每个飞机产生一个保守的尾流环量。这些尾流环量可以于分析潜在的尾流遭遇风险。

参考文献

[1] 潘卫军, 杨昌其, 陈文涛. RVSM空域航空器大高度偏差垂向碰撞风险评估[J]. 中国安全生产科学技术, 2008(06):21-25.

[2] Swol, Christopher Douglas. 2009. "Simulation-Based Analysis of Wake Turbulence Encounters in Current Flight Operations." Master of Science, Civil Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University.

[3] 戴幻尧, 狄东宁, 乔会东, et al. 飞机尾流探测技术研究进展及应用前景[J]. 科技导报, 2013(31):66-69.

[4] 魏志强, 牟明江, 李志远. RECAT间隔标准的差异性对比与计算分析[J]．航空计算技术, 2017, 47(4): 6-9

[5] Naoki, M. Reduced Wake Vortex Separation Using Weather Information. Aerospace Exploration Agency. 2013.

[6] 魏志强, 吴金栋, 刘馨泽, 李娜. 空中交通尾流间隔标准的安全性评估分析[J]. 中国安全生产科学技术, 2018, 14(12): 180-185.

[7] 赵宁宁, 陈越, 李晓晨, 魏志强. 航空器尾流重新分类标准的安全性评估方法[J]. 安全与环境学报, 2020, 20(04): 1277-1283.

[8] Holzäpfel, F.; Gerz, T.; Köpp, F.; et al. Strategies for circulation evaluation of aircraft wake vortices measured by lidar. Atmos. Ocean. Technol. 2003, 183-1195.

[9] 魏志强, 牟明江. 飞机尾流间隔标准中的机型分类方法[J]. 空军工程大学学报(自然科学版), 2019, 20(01): 32-37.