空中交通中的尾流安全间隔研究

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南京航空航天大学硕士学位论文空中交通中的尾流安全间隔研究姓名：胡军申请学位级别：硕士专业：交通运输规划与管理指导教师：徐肖豪2001.12.1 塑室堕窒堕盔奎堂堡主堂焦笙苎——摘要本课题对置鲨笪型条件下的星尘星煎闷堕握选进行了较为详细的分析和研究：首先对尾流的形成和消散机理以及尾流对飞行安全的影响做出了详细的分析，然后就目前实行的几种不同的最小尾流间隔标准进行了比较和分析，提出了相关的几条准则和一种改进的机型尾流分类标准；在这之后，采用理论分析和统计数据分析相结合的方法，建立了尾流危险遭遇基本模型和尾涡消散模型：并在此基础上对民用航空不同机型的尾流分类的合理性进行了计算和评估，为最小尾流间隔标准的确定和改进提供了初步的理论依据。关键词：空中交通管制，飞行间隔，尾涡消散，飞行安全 空中交通中的尾流安全间隔研究AbstractW酞evortexseparationstandardsareusedtopreventhazardouswakevortexencounterswhichmainlyfoundinthefinalapproachcoursewithintheairportterminationzone．Firstly，thispaperanalysisthemechanismofthevortexdecayandresearchtheinfluenceonthesafetyoftheflight；then，severaldifferentradarwakevortexseparationstandardsarecomparedandsomebasicguidelinesaredevelopedtoestablishthefuturevortexstandards．Inaddition，onekindofadvancevortexclassificationforthecivilairplaneisproposed．Secondly，anencounterhazardmodelwhichestablishedformefollowingaircraftandasimplevortexdecaymodelwhichmostlyconcemwiththeproceedingonearedeveloped；andasafeseparationmodelcanbederivedfromtheboth．Finally，throughthesimulationcalculation，thecorrectnessofthevortexclassificationofdifferenttypesofaimraftsaretestedandproved．Keywords：airtrafficcontrol，flightseparation，wakevortexseparation，vortexdecay,flights嘶II 南京航空航天大学硕士学位论文1．1课题研究背景第一章绪论自从二十世纪初期美国的莱特兄弟发明飞机以来，航空运输以其他运输方式无可比拟的快速和安全迅速成为二十世纪中后期最为人们青睐的交通方式。进入二十一世纪之后，随着航空技术的进一步发展，航空运输将在整个综合交通运输体系中占有越来越重要的地位。但是由于有限的空域资源，飞行量的大幅度增加将会使得飞行冲突变得日益严重，不仅限制了飞行流量的增加，也对现有的各种飞行造成了许多的不安全的影响。为了防止飞机在空中发生危险接近或者碰撞，国际民航组织(ICAO)对飞行中的各种间隔作了详细的规定；这些规定包括了VFR飞行、IFR飞行、机场终端区飞行、航路飞行、进离场飞行等各个飞行阶段；值得注意的是，许多的飞行规则都是早在相关的理论研究出现之前就已经在实际飞行中应用了，并且这些基于经验的规定从相当大的程度上保证了飞行安全；但是随着空中飞机数量的增加，加上各种航空技术的进步，使得人们不得不通过寻求减小许多间隔标准来满足航空运输的需求，因此多年以来，各国的研究人员都试图从理论上来研究各种飞行间隔的安全性和合理性，希望能够安全、可靠的修改规则，改进和完善各种间隔标准。我国实行改革开放以来，民用航空业进入了高速发展时期，特别是二十世纪的80、90年代，随着中国国民经济的高速增长，民用航空运输业已年平均20％左右的高速度增长。空中交通飞行流量的快速增加给空中交通管理部门带来了巨大的压力：因为在60、70年代实行的各种飞行规则和标准已经不能适应现代航空运输业的安全、快速的需求，在许多机场和空域常常是由于管制规则的不合理和管制手段的落后使得大量的航班延误；尤其是在较为繁忙的几个国际机场如：北京首都国际机场，上海虹桥国际机场、广州白云国际机场更是成为飞行流量增长的瓶颈地区：为此中国民航总局在二十世纪的90年代通过参考国际民航组织的有关标准，借鉴世界各个航空大国的经验和技术，采取了许多重大的改革措施来缓解矛盾和进一步满足中国航空运输市场迅速扩大的需求，这些措施包括大量的新建和扩建国际机场、重新审定各种飞行规则和标准等等。其中对有关飞行规则、管制规则做出了许多大的修改，如：1994年和1997年两次重新配备了飞行高度层，京广深航路、京沪航路等主要航路的管制权的移交等等。尽管如此，仍然还存在方方面面的不完善的地方，比如说由于空管体制的原因，在很多需要进行流量管理的空域，无法对现有的航线结构，空域资源作优化处理，只能部分的缓解矛盾；另外，一些飞行间隔标准也不尽合理，还不能做到充分l 空中交通中的尾流安全间隔研究的利用空间资源。最小尾流间隔标准是空中交通间隔规定中较为特殊的一类标准。它的应用空间仅仅是在机场终端区内进近着陆和起飞爬升阶段，尤其以前者为重点的使用区域；最小尾流间隔标准涉及到前后机的分类，双机之间的相互作用，与其它类别的间隔标准有着较大的区别，如垂直间隔、侧向间隔等主要是关心单机的空间运动状态：另外，由于机场终端区的瓶颈效应其实主要就在于跑道的使用率上，当机场跑道数目不变，而飞行流量大幅度的增加时，当然不可避免的会出现交通拥挤和航班延误，而尾流间隔标准与跑道的使用率是密切相关的；如果进近着陆的前后机序列之间的最小间隔能够安全的缩小，当然可以有效的提高跑道的使用率。也正是因为这样的原因，在航空运输发展初期，飞行流量不大的时候，最小尾流间隔标准并没有引起人们太多的关注，研究人员们更多的是把注意力放在高度层的配备、侧向间隔、纵向间隔等标准的理论依据分析上，只是在飞行流量大幅度的增加，机场跑道使用率已成为主要的矛盾的焦点时候，人们才开始意识到最小尾流间隔标准的重要性和特殊性。正是在这样的背景与考虑之下：本论文课题对飞行中的尾流间隔标准进行了研究。1．2国内外研究概况从70年代开始，由于航空技术的飞速发展，大型喷气式运输机开始出现并投入商业运行，使得人们开始考虑因为飞机的重量大大增加所引起尾流强度的增加可能导致对跟进飞机安全的影响。1976年，国际民航组织ICAO的第九届航行会议着重强调了由于翼尖涡流所引起的飞行安全问题，并且特别提到了在起飞和着陆过程轻型飞机无意中进入前面重型喷气式飞机产生的尾涡中而导致的飞行事故问题(比如说：在ILS进近过程中低于标称的下滑道；在目视飞行过程中保持的纵向间隔过小等等)。事实上在1967年ICAO已经就尾流可能造成的问题通知了各成员国，要求机场终端区管制员当条件许可的时候，提醒起飞落地的飞机注意前机尾流的影响，但是并没有形成一个完整的间隔标准；而且其后几年相关规定的研究和发展缓慢，所以1976年会议的另一个目的也是为了加快这方面的步子。会议的结果形成了一个关于尾流标准的指导性材料，并且提出一旦在相关的成员国的实际运行中获得足够的经验和证明，就将其作为正式的空中航行服务程序(PANS)，然后在全球推广。此指导性材料提出的尾流间隔标准主要包括在对飞机进行尾流分类的基础上，无论是对雷达间隔还是非雷达间隔都是实行增大的最小尾流间隔。很明显，这些最小尾流间隔标准目的就是最大程度上减小潜在的尾流危险。在最小尾流间隔标准的研究方面，因为到70年代的中后期，美国的许多机场终端区的飞行流量已经开始饱和了，所以美国是最早意识到并从事尾流方面的相关研究的。在二十世纪的50年代初，美国道戈拉斯飞机公司的Bleviss，Z．O发表了第一篇有 南京航空航天大学硕士学位论文关尾流危险遭遇的文章，那时道格拉斯公司的DC一6开始投入商业运行”1；随后，在1955年，Kraft通过飞行试验确定发动机的螺旋桨形成的涡流对后面跟进的飞机不会造成危害，但是发现由于机翼升力所导致的尾涡将有可能对后机安全构成一定的威胁fs]。1970年波音747的正式投入使用使得人们不得不考虑这个庞然大物所产生的强烈的尾流可能会对後面跟进的小型机造成致命的影响；在此之后，美国航空航天局(NASA)和美国联邦航空局(FAA)对尾流特性和间隔标准的研究作了大量的工作，不过这两者的研究侧重点有所不同；NASA的主要目的是研究尾流的形成和消散的详细机理，试图通过建立复杂的尾流模型来推断尾流的行为特性，并进一步研究各种方法(包括新机型的设计等)来达到减弱尾流强度、缩小尾流间隔的目的。AeroVironmcnt公司的Crow,S．C等人从70年代的后期开始对近地面层的尾涡的形成和消散特性进行了大量的观察和实验，得到了许多有用的结论，如尾涡消散的Crow不稳定性等等II叫f17】【2l】阱l；Langley研究中心的Greene在1985年建立了一个近似的尾涡消散模型，重点研究了大气层的密度分布、湍流强度以及雷诺数对尾流消散的影响，这个理论模型相当复杂，可以用来比较好的描述中高空的为尾流的行为，但是没有把低空近地面层对尾流运动方式的影响考虑在内[91：而Hough，G，Barrows，T．M等人则对尾涡在机翼上的作用力的分布和计算作了较为深入的研究，对Striptheory作了进一步的修改和完善，提出了VortexLatticeMethold的计算方法，可以比较好的应用于目前的分析和计算【18J【19】；同时，美国联邦航空局(F从)的研究则更关心如何实施安全合适的为例间隔来增大机场终端区的容量，偏重于实际运行数据的统计和分析：其中JohnA．Volpe国家运输系统研究中心分别在1976—77，1980年在芝加哥的奥黑尔国际机场利用先进的遥感技术和激光设备(LaserDopplerVelocimeter(LDV)激光多普勒测速仪，MonostaticAcousticVortexSensingSystem(MAVSS)固态声能涡流传感系统等)对起飞和落地的各种机型的尾流特性作了大量的测量，获得了实际运行的尾涡的统计资料，包括在不同半径上的平均环量、尾涡的消散率、以及维持强度时间等重要参数，并且通过统计数据拟合出了几种不同的尾涡消散模型【llJU2】。与此同时，英国航空管理局(CAA)在70年代中期也启动了尾流危险遭遇事件报告制度，并在此统计数据的基础上提出了EER(EqualEncounteringRate)模型，用以衡量最小尾流间隔的标准【12】【201，但是由于其数据量相对于FAA和NASA的要小的多，所以相比较而言，FAA和NASA的工作更具实证性。然而到目前为止，由于尾涡消散的复杂性，还没有形成一个公认的成熟的尾流安全间隔模型。‘我国国内对有关民用航空间隔标准理论的基础研究还处于刚起步的阶段，我国的民航运输业的发展也只是在近三十年内的事情，由于民航事业起步较晚，民航运输业的发展程度较低，同航空大国相比，无论是运输业实力方面还是在航空科研实力方面，可以说都还是刚刚才起步，大部分的管制方法和管制规定都是直接参考国际民航组织的文件，没有进行独立的科学依据和理论研究，暂时还无法形成一个完善的空中 空中交通中的尾流安全间隔研究交通管制基础理论体系；即使民航管理部门感到现行的民航管理规定存在一些问题．却因为没有自己独立的基础研究理论而无法拿出一个安全、合理的方案依据；目前国内大多数的研究人员的注意力也大都放在诸如空中交通流量控制等实效性较强的研究上，而对于间隔的基础理论研究方面相对要少一些；如王欣的硕士论文主要对空中交通中由于导航设备误差形成的飞行间隔标准的理论建模进行了初步的分析和研究【61。国内虽然在一些航空院校和研究所对飞机的尾流流场作过相关的研究，如北航的刘宝杰的博士论文就是研究的尾涡的流场流动机制及相关应用，但大部分研究主要是从空气动力学的角度出发去分析和研究单机的流场，并没有将相关的特性与民用航空飞行的间隔标准联系起来，涉及飞机最小尾流间隔标准方面的研究还是空白；另外有关的空军部门也对尾流的问题作过相关的研究，不过他们重点关心的是战斗机在空中紧密编队飞行时，长机的尾流对僚机飞行性能的影响，与民航的飞行环境迥然不同。导致这种状况的原因是多方面的，最主要的原因是国内的航空运输量虽然已经有了长足的进展，但远远还未达到类似美国飞行流量的等级，同时由于空管体制的原因，还存在大量的空域资源未被充分的利用：在出现流量控制、航线拥挤的情况下，可以采取多种手段进行调整，还没有必要对最小尾流间隔标准进行修改和调整；但是随着全球经济一体化的加快，中国加入世贸组织后，在可以预见的几十年内，国内的航空运输市场将会迅速增长，现在使用的间隔规定和标准将会进一步制约飞行流量的大幅度的增长，使得有关间隔标准的理论研究将变得越来越迫切。1．3课题研究目的和内容本课题研究的主要目的就是对空中交通中的最小尾流间隔标准进行分析和研究，采用理论分析和统计数据分析相结合的方法，对进近着陆中的尾流遭遇过程建立基本的数学模型，并且利用FAA的数据资料进行模型的计算，并验证其合理性。本文的主要内容包括：首先简单的介绍一下本课题的研究内容和方向；然后对尾流的形成与消散特性以及尾流对飞行安全造成的不同影响进行详细的分析，之后则对目前实行的几个不同的最小尾流间隔标准(国际民航组织ICAO的标准，美国联邦航空局FAA的标准，英国航空管理局CAA的标准)进行仔细的比较和分析，在此基础上提出几条尾流间隔标准应当遵循的准则，并且给出一种改进的尾流间隔标准中的机型尾流分类法。接着通过引入滚转比例系数，简化相关的分析，建立尾流危险遭遇的基本数学模型和简单的尾涡消散模型，并对基本模型进行了分析和改进，确定在给定的时间间隔内前后机发生危险遭遇的概率值的计算方法。而且在此分析的基础上对不同机型的尾流分类的合理性进行仿真计算和分析。在本文的最后，对所作的工作做了概括性的总结，并提出了不足之处和一些改进的建议。4 南京航空航天大学硕士学位论文第二章尾流的形成与消散在空中交通中，尾流是指飞机在空中飞行时在机翼后方所形成的两个强度相等的、旋转方向相反的空气漩涡，其形成和消散的过程相当复杂；并且正是尾流的存在给后面跟进的飞机造成安全上的潜在威胁；下面分别从尾流的形成机理，包括其流场形成的简单原理及表现形式，尾流的消散机理以及尾流对飞行安全的影响等几个方面来进行分析和研究。2．1尾流的形成机理尾流的英文是waketurbulence(在有些文章中翻译成尾流紊流度)，与其含义相同的另一个单词是尾涡(wakevortex)；略有不同的是，尾流是用来描述这种空气漩涡对于后机的影响程度，表现的是对于周围大气环境的影响；而尾涡则是从空气漩涡的内在特性来说明这种现象，实际上二者说明的是同一种事物，只不过在不同的场合应用而已。在国际民航组织(tCAO)的相关文件中更多的是使用尾流(waketurbulence)，小部分场合使用尾涡(wakevortex)；在本论文中也是类似，在大多数情况下是使用“尾流”，在另外一些需要对其漩涡特性进行强调的地方，仍然使用“尾涡”。图2-1尾涡形成的简单示意图2．1．1尾流形成的简单原理及表现形式尾流的形成是飞机获得升力的同时形成的；由空气动力学可知当三维机翼产生5 空中交通中的尾流安全间隔研究升力的同时，下翼面的压强高于上翼面，在两个翼尖处的气流就会由下翼面绕过翼尖流到上翼面，同时仍具有相对向后流动的速度，其结果是在两个机翼后方形成两个漩涡，漩涡中的气流一边旋转一边向后流动，而且两个漩涡的旋转方向相反；因此有时也称之为翼尖涡流(见图2—1)。由于漩涡相互之间的诱导作用和重力的原因，漩涡形成之后一边旋转扩散，一边以一定的速度下降，两个漩涡的中心间距约为翼展的70—90％；经观察发现在低湍流、较为稳定的大气中，尾涡在下降扩散的过程中中心的间距几乎保持不变，而在低高度有侧风和地面效应的作用，尾涡的运动方式则有所变化。(如图2—2、2．3所示)图2-2无风情况下尾涡近地面层运动示意图图2-3侧风情况下尾涡近地面层运动示意图2．1．2尾涡的速度分布规律及尾涡核在空气动力学上可以从横截面上将每一个漩涡近似的看作位于原点的一个点涡的流动的理想情况来研究。如图2-4所示，流场的流线是一些同心圆，互不相交，流速只有切向速度v。，在这个流场内速度分布规律为：v。：皇．一1(2-1)LHr其中r0定义为点涡的强度，切向速度与离中心的距离，成反比。图2-4理想点涡的流场图 南京航空航天大学硕士学位论文这个点涡其实应该看作是一根在Z方向上无限长的直涡线。涡本来是有旋流，但像这样的理想情况下一根单独的涡线所产生的流场，除了真正的涡心那一条线(在平面里就是一点)之外，其余的地方仍然是无旋流。因此从理论上讲，对于平面内任何形状的围线，只要这个围线把点涡包围在内，其强度应该不变。在实际的尾涡中，由于周围的空气的粘性作用，强度是随着半径的增大而减小的。另外需要注意到的是：对公式(2．1)那样的速度分布规律是不可能一直用到核心上面去的，因为按照公式(2-1)，当r斗0时，％寸m，相应的压强应该趋于无穷大，这显然是不现实的，因为按这种速度分布规律，速度在半径方向上的变化率是：盟：一旦．一1(2．2)务2万r2当，很小之后，这个变化率很大，这时候气团内的粘性力必然要起作用，其结果是在尾涡中心必然有一个核，在这个核内流体的切向速度不是与半径成反比，而是与半径成正比：在核外的流速才与半径成反比，如图2—5所示。这时核内是有旋流，核外是无旋流。在实际的观察和测量～J}|‘‘～。j≮、～0擅中也证明了尾涡核心的存在；但是这个核心的尺寸图2-5尾涡核内外切线速度比较图的大小却是很难确定，它与流体的粘性大小及涡强大小不同而不同，也就意味着飞机的重量发生变化的时候，尾涡核的大小也会发生变化。2．1．3诱导速度及尾流流场的形成一条强度为r的涡线上的一段凼将会对线外的一点P产生一个诱导速度，其情况类似于电流在周围空间产生磁力一样，表达涡段产生诱导速度的公式是：dv：堡．sin8(2-3)4万2P这个西是一个垂直于凼线段与受扰点P所组成的平面的速度(如图2-6)，其值正比于涡强r和涡段长度凼，反比于距离r的平方，另外在乘上r与出的夹角目的正铉。这个公式在形式上和电磁学的电磁感应毕奥．萨瓦公式一样，名称也相同。图2．6诱导速度产生原理图现在将公式(2．3)应用于上面提到的点涡流场；如图2。7所示，设直线段AB是涡线，P为线外的一点，P到AB的垂直距离是h，令任意微段凼与P的连线和AB的垂线PN之间的夹角是，，，则有： 空中交通中的尾流安全间隔研究ds=d(h．tgy)=h-sec2y·dy(2-4)dv-毛．cosy．dy(2-5)再令PA与AB的夹角为口；PB与BA的夹角是∥。对(2-5)式积分，Y积分限为(争讲。呼卅’如下：V=胁f罄铲F咿咖p。，=毛(cosa+cosp)P所得到的这个诱导速度是垂直于纸面的，按图2-6中所示r的方向，它是向外指的。图2—7直涡线产生的诱导速度计算图当涡线是半无限长的时候，且P点至涡线的垂直足N与涡线的一端重合时，即口=900，∥=00，有：v=去(2—7)而当涡线两端均为无限长时，口=声=00，有：。：三(2-8)2砌在这种情况下，(2．8)式正好就是(2．1)式所描述的点涡的流场；如此一来，当两个相同强度旋转方向相反的点涡间距为S时在周围空间形成的诱导速度场将会相互叠加，形成的流场图如图2-8所示：在两个点涡之间形成一个下洗区，而在两涡的外侧形成上洗区。其结果是在飞机的两个翼尖之内产生了额外的下洗速度，而在两个翼尖的外侧产生了额外的上洗速度。正是由于这个下洗速度使得流到机翼附近的气流增加了一个向下的分速度，使得三维机翼的气动合力不再垂直于无穷远来流的速度，而是向后倾斜了一个下洗角，导致了水平方向上的分量一诱导阻力的产生。这是飞机产生升力所必须付出的代价；同时也正是由于如图2．8的尾流流场的产生，人们才不得不考虑当大型飞机在空中飞过时所形成的强烈的尾流流场有可能对后面跟进飞机的安全造成影响。2．2尾流对飞行安全的影响上洗区下洗区上洗区图2．8尾涡形成的流场截面图从图2．1及图2．8可以看出，当跟进飞机从前机尾流形成的流场的不同方向进 南京航空航天大学硕士学位论文入时，由于空间速度场分布的变化，将会有不同的情况出现；下面对比较典型的尾流遭遇方式加以讨论和分析如图2—9所示，假设有三架飞机A，B，C分别从图中所示的位置和方向进入尾流流场，分别代表三种典型的情况：横向穿越整个流场、纵向进入尾流的下洗区以及纵向进入尾涡的中心区。图2-9不同方向进入尾涡流场不意图首先，A机当横向穿越整个流场的时候，首先受到流场外侧的上洗气流的抬升作用，到达尾涡中心区的时候，机头和机尾分别受到下洗气流和上洗气流的作用，产生纵向的俯仰运动。在通过尾涡中心区后，又立刻受到一个相反的下洗气流的下压作用，相比较飞机的速度而言，由于尾涡中心间距不宽，很快的，当A机继续再穿过另一个尾涡中心区后，又受到外侧的上洗气流的抬升作用；而尾流的流场在空中时不可见的，其结果是导致A机在短时间内突然出现大幅度的颠簸，机翼载荷发生突变，轻者让飞行人员操纵困难，旅客不适；重者将可能导致机体结构的损坏。其次，B机当沿着纵向进入尾流下洗区时，将受到下洗气流的下压作用，这意味着B机在短时间内会突然地掉高度，这种高度的损失是不可预见的。如果是在中高空飞行时，这种影响并不大，因为有足够的高度裕度让飞行人员来重新调整和恢复；而在起飞和着陆阶段，出现这种掉高度的情况有可能是灾难性的；比如说在最后进近着陆阶段，飞机已经是处于低高度、低速度、低动力的状态，其机动能力相当小，一旦突然间损失高度，飞行人员几乎就没有足够的时间和能力进行调整，很有可能低于最后进近航道上的超障高度而造成飞行事故；同样的，在起飞阶段虽然飞机处于爬升阶段，而且速度一般要比落地速度大，发动机也是处于全推力的状态，但是下洗气流的作用将会抵消飞机的爬升率，使其在一定的起飞距离之后不能爬升到起飞程序所规定的越障高度，也会形成飞行事故。最后，当C机沿纵向进入尾涡中心区时，由于一边是上升气流，一边是下洗气流，c机的两侧机翼会受到大小相同，方向相反的作用力，形成滚转力矩；这种由尾涡形成的滚转力矩将使得飞机短时间内发生大幅度的横滚：飞行试验表明，重型宽体客机所形成的尾涡流场十分强烈，当小型机不慎进入尾涡中心区时，很容易产生90度以上的滚转；而这种大幅度的滚转时要严重的掉高度的，比B机的情况要严重的多，如果在进近过程中发生这种情况将是无可挽回的灾难性的后果。除了这三种典型的尾流遭遇方式之外，其他的情况都可以看作这三种情况的不9 空中交通中的尾流安全间隔研究同程度的叠加。而在这三种情况下，最危险的状态就是后机不慎进入尾涡中心，这是最坏的情形，所以在本文后面的讨论和分析中都是主要考虑这种情况。为了确定尾流间隔标准，保证跟进飞机的安全，NASA和FAA从70年代起通过大量的飞行试验对尾流的持续和消散现象进行了观察和测量。发现在中高空大气较为稳定的环境下，大型飞机所形成的尾流流场持续的时间要比FAA规定的尾流间隔标准长的多：而在低空近地面层，由于地面层效应、侧风的影响和湍流强度的加强使得尾流在更短的时间内就消散了；并且随着消散的过程，尾涡核心的能量逐步减弱，尾涡强度减小，有可能对跟进的后机不再造成危险的影响；因此，有必要对尾流的消散机理进行考察和研究。2．3尾流的消散机理尾流的消散机理比想象的要复杂的多：其消散过程和方式与周围大气环境紧密相关(包括大气紊流度、大气分层效应、温度梯度、风的速度场、地面效应等等)；直到现在，人们也没有完全了解尾流的消散机理。其困难就在于在许多情况下很难确定大气条件对尾流运动及消散的确切关系。但是从观察到的不同现象来看，对于尾流的消散形式可以做一个简单的分类，即分成以下几类：1．连接消散这种消散形式是由于强度相同的尾涡相互之间的诱导作用导致在扩散运动中两个涡连接起来，然后重新形成一个流场，其强度在连接之后迅速减小，而且一定尺度的大气湍流在尾涡纵向距离上所造成的不稳定的波动加速了这种连接消散的形成。由于最初是由Crow在1970年提出来的，所以一般称之为尾涡的Crow的不稳定性：而且Crow发现大气紊流度与连接时间有着直接的关系，并给出了一个确定的公式。但遗憾的是，他同时也发现近地面层的效应对连接消散并没有起到太多的作用。2．迸裂消散迸裂消散是人们发现有时候尾涡持续发展到一定时间后，其核心半径会突然增大，看上去就象是迸裂了一样，这种迸裂形式顺着尾涡轴心以极快的速度传递发生，最后形成一个比原先尺寸要小的多的新的核；是什么原因导致出现这种现象仍然还不清楚，其外层的流场虽然有一定的减弱，但与连接消散相比，迸裂消散并不是像那样很快的消散；相反，仍然在空中保留了相当强度的漩涡。3．湍流消散这种消散形式是由于空气的粘性作用，尾涡在旋转扩散运动过程中，同时受到O 南京航空航天大学硕士学位论文一定尺寸的大气湍流的作用，间距越来越大，强度越来越弱，最后消失，这也是最自然的可以想象得出的一种消散方式。当然，在尾涡的演变过程中，这三种消散方式并不是相互孤立的，有可能在湍流的尺度和强度合适的情况下，既发生迸裂消散同时又造成连接消散，如果是出现这种情况的话，尾涡将会很快的消散，此时尾流的影响作用几乎可以不加考虑：因此常常需要注意的是以某种单独形式持续和消散的过程。可是困难在于这三种消散方式是随着大气条件的不同而随机发生的，无法事先确定尾涡到底会以哪种方式消散；另外人们通过比较发现，飞机的外形变化对尾涡的消散也有影响；在起飞着陆阶段，航空器处于着陆形态(起落架放下、襟翼打开)时所形成的湍流有助于加速尾涡的迸裂消散和粘性消散，而在洁净外形的条件下，机翼附面层的紊流和发动机的喷流所形成的小尺度的湍流与大气湍流的作用相比，对尾涡的消散几乎没有什么大的影响。尽管如此，在测量和观察中发现各种形式的尾涡消散过程都有一个相同的现象：在尾涡形成之后持续演化的一段时间内，其强度变化不大，与其起始强度差不多，然后在后面的时间里以很快的速度消散，强度也很快的减小；但是这个维持强度大小不变的时间段受大气影响是一个随机变量，消散率也需要大量的统计数据来确定。由于诸多的不确定因素，到目前为止，仍然还没有一个公认的比较成熟的近地面层尾涡消散模型。2．4尾流事故数据的分析尾流的形成确实造成了飞行安全问题，需要对其作仔细的研究，但同时尾流的消散过程复杂性也带来了研究上的困难。下面对美国1983．1990年的尾流遭遇事故的数据进行了分析，分析结果反映出尾流对飞行安全的影响以及从另一侧面看出尾流消散的复杂性。数据来源于美国交通运输部(NTsB)的尾流事故统计报告和航空安全报告系统(ASRS)的机组人员遭遇尾流的匿名报告，在1983．1990年7年中，总共有140起遭遇尾流的报告。报告的内容主要包括地点、航班号、机型、遭遇时间、飞行高度、飞行阶段、飞行状态及尾流的影响程度等等，部分的数据分析结果如图2。10、1l、12、13所示。图2-10表明了在各个不同的飞行阶段，所发生的尾流遭遇事件的比例大小，从图中明显看出，在进近落地阶段的比例高达50％，虽然在巡航阶段所统计的尾流遭遇事件数占到了21％，但是由于巡航飞行阶段飞行高度较高，安全裕度较大，相比较而言，还是进近落地阶段的尾流遭遇事件应该加以重点考虑。而图2．11则更加清晰的说明了在落地的飞机序列之间是最容易发生尾流遭遇，其次是起飞飞机的序列之间。图2—12和图2—13则分别表示在不同的高度和在不同的时间(月份)内所发生的尾流遭遇事件的数量，从图2．12中再次可以看出大多数尾流遭遇发生在低于1000英ll 窒±銮堕主盟星堕室全塑堕堕鍪一——尺的空间，也就是在起飞落地阶段；因此必须给不同种类的机型确定不同的最低尾流间隔来保证飞行安全。而图2-13则说明尾流遭遇事件的发生与大气环境的变化有着某种不确定的关系，反映出研究尾流消散的复杂性。图2．10不同飞行阶段遭遇尾流事件比例图fl一起飞阶段，2-爬升阶段，3-巡航阶段，4-下降阶段，5-进近阶段，6-落地阶段)着陆／着陆起飞／着陆着陆／起飞起飞／起飞图2-1l不同飞行阶段组合尾流遭遇数(前机，后机)∞∞们∞∞mo籁图裂螺嘤 南京航空航天大学硕士学位论文013000毯11000摧9000S7000囊5000蓦3000测。1000NOVSEP盎JUL叮MAYMARJAN02030405060尾流遭遇事件数图2。12不同飞行高度上发生的尾流遭遇数0510尾流遭遇事件数图2．13不同月份里尾流遭遇事件数3 空中交通中的尾流安全间隔研究第三章现行尾流间隔标准的分析与比较为了保证在机场终端区内飞机起飞、进近、着陆时的安全，必须要在前后机之间规定最小尾流间隔标准，由于飞行条件的不同，空中交通管制中监视和导航设备的不同，使得最小尾流间隔标准随着管制手段的不同而有所不同，非雷达管制和雷达管制的最小尾流间隔是不一样的；下面文中对国际民航组织(ICAO)规定的间隔标准、美国联邦航空局(FAA)的尾流标准以及英国民航管理局(CAA)的间隔标准进行了比较与分析，并且对建立尾流最小间隔标准的基本准则作进一步的分析和研究。3．1国际民航(ICA0)的间隔标准1991年11月，在前面十几年的实际运行以及相关研究的基础上，ICAO接受了航行委员会提出的进一步修改Doc4444号文件的建议，即对空中航行服务程序、飞行规则及空中交通服务(PANS．A1限)中有关尾流间隔的指导性材料做出了修订，并且将其作为正式的空中航行服务程序的规定来推荐执行12】I”。尾流的强度与飞机的重量、速度以及翼展等因素均有关系，但航空器的重量是最重要、也是最直接的影响因素，因此在划分尾流间隔标准的时候，ICAO是以飞机的允许最大起飞重量为基础的。1．航空器的尾流的分类1．1尾流的最低间隔标准须按照允许最大起飞重量将航空器机型分为以下三类：表3-1ICAO的机型尾流分类机型分类允许的最大起飞重量(千克)重型机>=136．000中型机7,000=<彬“<136，000轻型机·o=7．000按此标准，可将目前正在使用的各类机型划分为如表3-2：表3-2当前使用各种机型的尾流分类机型分类机型编号A300，A310，A330，A340，ANl24，AN225，B707，B747，B767，B77，IL62，重型机(H)IL76，IL86，L101l。DC-10，．MD-11A320，A321，A319，ATR42，ATR72，B727，B737，B757，Bael46，F100中型机(M)DC-9，MD-80，MD-90，LeaIjet，Gulfstream等喷气式行政机。轻型机(L)各种通用飞行的飞机，螺旋桨式的行政机1．2直升机在悬停或空中滑行时应完全避开轻型航空器：注⋯一直升机在飞行中产生的涡流，有证据表明，以每千克总质量计，直升 南京航空航天大学硕士学位论文机产生的涡流较固定翼航空器所产生的更为强烈。2．尾流的最低间隔标准ICAO的尾流间隔标准分为非雷达间隔和雷达间隔。具体表述如下：2．1下列非雷达最低间隔标准须适用于：2．2进场的航空器2．2．1计时进近过程中，下列最低标准须适用于在一重型或中型航空器之后着陆的航空器：a)中型航空器于重型航空器之后——2分钟；b)轻型航空器于重型或重型航空器之后——3分钟。2．3离场航空器2．3．1除了2．3．2中的规定外，2分钟的最低标准适用于在重型航空器之后起飞一轻型航空器之间或用于在重型航空器之后起飞的一轻型航空器之间，并且这些航空器均在使用；a)一同向跑道；b)间隔小于760米的平行跑道；c)交叉跑道，当第二架航空器的预计飞行航径将与第一架航空器的预计飞行航径在相同高度或低于300米(1000英尺)处交叉时：d)间隔大于760米的平行跑道，当第二架航空器的预计飞行航径将与第一架航空器的预计飞行航径在相同高度或低于300米(1000英尺)处交叉时。(见图3．1和图3—2)2．3．2三分钟最低间隔标准适用于在一重型航空器值后起飞一轻型或中型航空器之间或适用于在一中型航空器之后起飞一轻型航空器之间，且起飞于：a)一同向跑道的中部：或b)间隔小于760米的平行跑道的中部。(见图3．3)2．4移位的着陆入口2．4．1当在：a)一轻型或中型航空器在一重型航空器到达之后离场，以及一轻型航空器在一中型航空器到达之后离场：或b)在飞行航径预计交叉，以轻型或中型航空器在一重型航空器起飞之后离场，以及一轻型航空器在一中型航空器起飞之后进场，使用移位的着陆入口跑道时，2分钟最低间隔标准适用于一轻型或中型航空器和一重型航空器之间以及一轻型航空器和一中型航空器之间。2．5逆向 空中交通中的尾流安全间隔研究2．5．12分钟最低间隔标准适用于一轻型或中型航空器于一重型航空器之间以及一轻型航空器与一重型航空器之间，当较重的航空器正在作低空飞行或进行复飞，且较轻的航空器：a1使用逆向跑道起飞时：或(见图3-4)b1同一跑道作逆向着陆或在间隔小于760米的平行逆向跑道着陆时；(见图3。5)3．1雷达尾流间隔规定3．1．1除非另有其他的规定，最低纵向水平雷达间隔标准为5．6公里(3．0海里)。3．1．2遇3．1．3所述情况时，航空器在飞行的进近和离场阶段必须使用下列尾流最低雷达间隔标准：(如表3．3所示)表3-3ICAO尾流最低雷达间隔标准航空器种类尾流最低雷达间隔标准前机后机重型7．4公里(4．0海里)莺型中型9．3公里(5．0海里)轻型11．1公里(6．0海里)中型轻型9．3公里(5．0海里)3．1．3在3．1．2中规定的最低标准使用于下列情况：a)一航空器在同一或小于300米(1000英尺)海拔高度紧随着另一航空器后面飞行；或b)两架航空器使用同一跑道，或间隔小于760米的平行跑道；或c1一航空器在同一或小于300米(1000英尺)海拔高度飞行时从后面横越另一航空器。(见图3-6)16 南京航空航天大学硕士学位论文图3．1非雷达尾流最低间隔标准(1)图3．2非雷达尾流最低间隔标准(2)7 空中交通中的尾流安全间隔研究图3-3非雷达尾流最低间隔标准(3) 南京航空航天大学硕士学位论文图3-6雷达尾流最低间隔标准9 空中交通中的尾流安全间隔研究3．2非雷达间隔与雷达尾流间隔的比较由以上内容可以看出，相对于非雷达间隔中以时间(分钟)的规定而言，由于现代的一、二次精密进近雷达能够提供准确的飞机的位置、速度和高度等信息，雷达间隔标准则要简单明了的多；而且其相对间隔距离要小一些，尤其是当轻型机跟在重型机后面的时候最为明显，例如：前机是波音747，其进近速度为150海里／小时，后机为一架Cessna的轻型机，当实施的是程序管制间隔时，最小尾流间隔标准是3分钟，以前机的进近速度计算得到等价的距离间隔值为7．5海里，比雷达管制提供的最小尾流间隔标准5海里大得多。现在世界上大多数国际机场的终端区均配备了精密进近雷达，实施雷达管制、提供雷达引导服务；例如美国和西欧早在70年代就已经开始在终端区实施雷达管制服务，如果在这些交通繁忙的机场使用非雷达间隔，将会大大减小机场容量，而且也只有在这些雷达管制下交通繁忙的机场里，尾流最低间隔标准问题才会显得如此的突出和重要；相反的，在那些较为空闲的机场环境下，几乎不会因为尾流危险遭遇问题造成机场终端区容量减小，原因很简单，因为有着足够空闲的空间和时间可加以利用。因此在后面的章节中，将主要讨论的是在仪表飞行条件下(IFR)雷达管制时的尾流间隔标准的问题。大多数的ICAO的成员国均采用PANS．RACDoc4444的尾流间隔标准，中国使用的尾流间隔标准也是同ICAO的一致；但是英国和美国等少数几个航空大国在多年本国实行运行经验和研究工作的基础上，使用的尾流间隔标准与ICAO的标准略有不同，以下便分别对此做出比较与分析。3．3英国(CAA)的标准和ICA0的比较与分析1972年之前，英国航空局(CAA)实施的是3海里的最小尾流间隔：从1972年开始，CAA一方面开始实行增加的尾流间隔标准，即当后机与前机相比较属于较小的机型时，实施5海里或者2分钟的尾流间隔，另一方面同时启动尾流遭遇事故报告计划，对尾流引起的航空事故或危险遭遇进行数据统计。1978年CAA采用了ICAO将机型划分为三类的尾流间隔标准；1982年CAA对前面近十年的统计数据进行了分析之后，重新制定了一个机型尾流分类为4档的标准，如表3_4、3．5所示表3-4CAA的机型尾流分类标准机型类别允许的最大起飞重量(千克)重型机H>136，000中型机M40，000<％M<136，000小型机S17，000<％“<40，000轻型机L<17．00020 南京航空航天大学硕士学位论文表3-5CAA的尾流间隔标准(单位：海里)后机前机重型机H中型机M小型机S轻型机L重型机H4568中型机M346小型机S34轻型机L(注：+代表在这种飞机队列下间隔可以首先不考虑前机的尾流影响)同ICAO的标准不同之处在于CAA引进了小型机的类别，并且对中型机和轻型机的分类界限重新作了划分，为方便比较和分析，见表3—6：表3-6ICAO和CAA的机型分类比较ICAO机型分类标准CAA机型分类标准>=136，000千克重型机(H)>=136，000千克136，000千克中型机(M)136，000千克40．000千克I中型机(M)40．000千克7，000千克小型机(S)I17，000千克轻型机(L)Ll《=17．000千克<=7，000千克轻型机(L)L2由表3-6中可以看出，重新划分的尾流分类将ICAO中的中型机类别分成了新的中型机和小型机类，并且将一部分处于原中型机分类低端的飞机划分到轻型机类中(如表3—5、6中的Ll类和L2类)，而属于L1类的机型类别有：BAeHawker1000，Beechjet，Jetstream，Cifimion，，Mystere／Fallcon，Lealjet等等，仔细观察发现这些机型都是属于中小型的喷气式行政机，共同的特点是用作私人的长途公务飞行，其巡航速度、进近速度与大部分的重型机不相上下，但是其最大起飞重量、翼展却与大部分的轻型机差不多，表3．7中所列的机型比较数据中清楚的说明了这一点；在ICAO的标准中，这类机型是属于中型机的范畴，但是从上述机型的机身构型特点方面来看，划分到轻型机的类别似乎更为合理。在80年代以前，喷气式的行政机数量很少，这一类别的机型屈指可数，但随着私人公务飞行的大量增加，喷气式行政机机型越来越多，大部分都是集中在Ll类；相对于螺旋桨的轻型机类，由于前者速度快，比后者容易在相同的间隔距离上更快的遭遇尾流：比如说：当与前机的间隔标准为5海里时，由于Learjet55的进近速度(140海里／，J、时)比CessnaStationAir的进近速度(90海里／小时)快得多，这使得Learjet55在5海里的间隔距离上只需129秒，而CessnaStationAir需要200秒，这也就意味着对于karjet55而言，前机形成的尾流消散的时间要 空中交通中的尾流安全间隔研究比CessnaStationAir的短：而此类机型起飞重量、翼展长度却与螺旋桨式的飞机相差无几，这将导致更容易的发生尾流危险遭遇事故。无独有偶，美国联邦航空局FAA在1994年发生了两起由于喷气式行政机跟在波音757进近着陆过程中遭遇尾流事故后，对机型尾流分类也重新进行了划分，在后面一节有关FAA标准的分析中将会看到，其重新分类的中型机和小型机的最大起飞重量界限与CAA规定的小型机和轻型机的界限非常接近。表3—7几种典型喷气式行政机与其它机型类的对比机型ICAO类CAA类％。。。‰吼。翼展各注B747．200重型480150377，84259．50四发喷气式A340-313重型481143275，00060．30四发喷气式A300—300重型465140257，00060．30四发喷气式B767-300重型450147163．29347．60四发喷气式Hawkerl000中型轻型0"1)40215014．06016．55喷气式行政机Falcon中型轻型①1)45015013,9。16．30喷气式行政机Learjet55中型轻型①1)4191409，75213．34喷气式行政机CitationV中型轻型0"1)3951507，39315．90喷气式行政机Learjet25中型轻型∞1)4281406，80410．84喷气式行政机BeeehC99轻型轻型0"2)248llS5。12514．00双发螺旋桨KingAirl00轻型轻型(L2)2261104，58113．98双发螺旋桨Conquest轻型轻型0-2)240110390113．45双发螺旋桨StationAir轻型轻型0"2)143901，72310．92双发螺旋桨另外，在CAA标准中，处于新引进的小型机类别的机型有ATR．72，Bael46．100，H$748，ChallengerCL601，Regionjet，Saab-2000，Dash-8，EMBl45，Gulfstream等等，这些机型都属于较大型的喷气式的行政机，它们的特点与Ll类的也有相似之处，多增加一个类别实际上增大了总的尾流间隔，对于提高安全性来讲是肯定的，但是这同时也带来了另外一个问题，由于间隔的实施最终是通过管制员实时的判断进近队列中前后不同机型的分类，从而给出具体的间隔指令让飞行员执行，而划分类别过多将容易导致管制员在紧张的指挥过程中产生分类记忆的错位；ICAO当初制定尾流分类的时候就考虑到3种类别，9种组合对管制员来讲已经是足够了，再多就有可能对安全的实施间隔标准起到负面影响，关于这一点还会在后面的章节中讨论到。那么，从整体上来看，CAA的标准缩小了中型机的范围，增加了轻型机的范围，这就意味着可能增加了总的尾流间隔标准值。下面以CAA的间隔标准值为基准来比较一下与ICAO规定的间隔值之间的差异，比较结果如表3—8所示： 南京航空航天大学硕士学位论文表3-8ICAO与CAA的尾流间隔标准值的差异表后机前机HMSLIL2H0+l+3+2M0+1+3+1S0O+1—1Ll0O0L20O0“+”号表示相比较ICAO值而言，CAA的标准的间隔值是增大的，“一”号则相反，表示缩减了问隔，从表3—8中可以看出：1．增大的尾流间隔值主要都是发生在重型机和轻型机(L1，L2)，中型机与轻型机(LI，L2)之间，新引入的小型机类无论是在重型机后，还是在中型机后，比以前都增加了I海里。这是由于增加了机型尾流分类的档次的必然结果。2．间隔标准增加得最多的是Ll类的飞机跟在重型机和中型机之后，都增加了3海里的间隔：分别由以前的5海里增加到8海里和以前的3海里增加到6海里。这说明CAA对喷气式行政机跟在重型机或中型机后面进近着陆的队列非常重视，并且认为ICAO的有关中、轻型机的分类标准不能适应英国繁忙机场的进近尾流间隔安全的需要；另一方面，从统计资料来看，受机场运行条件的限制，像伦敦Heathrow国际机场的管制员们经常要处理前面是宽体客机，后面是喷气式行政机或者螺旋桨轻型飞机的迸近队列，而这种序列是最容易引起尾流危险遭遇的；因此在经过十来年对实际运行情况的分析，CAA决定增大此类飞机序列的尾流间隔，提高安全性。但是这并没有从理论上给出一个详细的论证，都是基于本国机场的统计数据做出的经验性的判断。3．在小型机和轻型机中的L1类之间，间隔标准增加了1海里，由以前的3海里增加为4海里，但是在小型机和轻型机L2类之间，间隔标准反而减小了l海里，由以前的5海里缩小为4海里。从这一点来看，CAA认为原来的ICAO标准中的属于中型机类下端的飞机(CAA中的s类)与靠上端的飞机(CAA中的M类)之间的允许最大起飞重量相差较大，可以把靠下端的飞机与轻型机L2类之间的间隔缩小1海里。同L1类相比，L2类绝大多数都是螺旋桨的通用飞机，巡航速度和进近速度比Ll类的小得多，见表3—7所示。在相同的距离间隔上，L2类比Ll类将有更多的时间让尾流消散，强度减小，因此在小型机后将轻型机的间隔缩短1海里是可以接受的。最终看来，CAA通过划分更多的尾流机型分类，增大了尾流间隔标准，提高了安全度，但同时却增加了管制人员工作的负荷，他们必须准确无误的记住各种机型分 空中交通中的尾流安全间隔研究别属于哪个类别，以及相对较多的各种类别组合(4'4=16种组合)下的间隔标准值从某种程度上会对飞行安全造成一定的负面影响。3．4美国(FAA)的标准和ICAO标准的比较与分析作为航空制造业和运输业最为发达的国家，美国也是最早注意到飞机尾流的影响并开始加以测量和研究的。1970年以前，FAA对所有机型实施的最低尾流间隔标准都是3海里，但是最初3海里的间隔值并非是有着可靠的理论依据和实验数据，而是因为当时机场终端区进近雷达的最小分辨率是3海里：在低速度、大翼展和螺旋桨飞机占主要机型的五六十年代，3海里的间隔提供了足够的安全度。1970年，首架宽体重型运输机波音747开始投入商业运行，迫使人们不得不考虑这个比别的大部分机型允许起飞重量还要大两倍的庞然大物在起飞落地时候其尾流强度的影响可能会远远超出3海里的间隔：在此之后，随着各种各样的重型宽体客机的出现、繁忙机场终端区的容量饱和以及空中交通流量的迅速增加，关于能否安全的缩小最低尾流间隔标准的问题便一直处于研究和发展中。从1976年开始到1994年，FAA实行的最低尾流间隔标准与ICAO的标准几乎是一致的，只是在机型分类名称和分类界限的具体数值上略有不同，具体如表3-9、3-10所示：表3-9FAA机型尾流分类表(70．94年)机型分类上限(磅，千克)下限(磅／千克)重型机(H)无300，0011135．00l大型机(L)300，000／135，00012，500／5，625小型机(s)12，499／5，6240表3．10FAA尾流间隔标准(海里)后机前机重型机(H)大型机(L)小型机(s)重型机(H)456大型机(L)34小型机(s)3从80年代中期开始，美国一些雷达设备比较先进的繁忙机场为了提高终端区的容量，在可以缩短跑道占用时间的前提下，对同样大小的飞机队列(如：前后机都是B737．DC．9级别的飞机)将其最小尾流间隔缩小为2．5海里，在实际的运行中，没有出现在遵守规则的条件下任何尾流导致的飞行事故。1994年，由于连续发生两起尾流引起的飞行事故，都是在目视飞行条件(VFR)下喷气式行政机跟在波音757后面进近着陆过程中出现的；虽然是目视飞行进近，但24 南京航空航天大学硕士学位论文由于进近时候使用的是与仪表飞行(IFR)相同的下滑道，因此FAAl临时决定把波音757单独划为一类，跟在其后面的飞机的间隔无论是重型机、大型机还是小型机，都在原先的间隔标准基础上增加l海里(如表3-1l所示)：表3一ll增大的波音757的尾流间隔(海里)后机l前机重型机(H)大型机(L)I小型机(s)|B757(3)4l(4)5同时FAA组织了航空专家委员会重新对尾流分类及间隔标准进行了评估，于1996年8月正式采用重新修订过的尾流分类及最低间隔标准(如表3—12、3—13所示)表3．12FAA机型尾流分类表(94年以后)分类上限(磅，公斤)下限(磅，公斤)重型机(H)无255，001／114，75I大型机(L)255，000／114，75041，001／18,451B757220，000／99，000250，000／l12，500小型机(s)41，000／18，4500表3．13FAA尾流间隔标准(94年以后)(海里)后机前机重型机(H)B757大型机(L)小型机(s)重型机(H)456B75745大型机∞34小型机(S)33．4．11994年之前的标准和ICAO标准的比较与分析FAA的1970年到1994年的尾流间隔标准与ICAO的标准差别很小，比较ICAO标准和表3．10、3．11，可以发现其差异之处在于：1．在机型尾流分类标准中，除了重型机的名称是相同的，其他分类名称的提法是不一致的：ICAO的表示分别是中型机(Medium)和轻型机(Light)，相对应的Ⅳ蚺的提法则是大型机(Large)和小型机(Small)；这是由于美国的航空运输业起步较早，在ICAO定义使用这些规定之前，FAA就已经在各个范围内使用了相同的机型分类名称，为了不至于引起混淆，就决定仍然沿用以前的名称而没有完全按照ICAO的规定。2．虽然在机型尾流分类中，FAA使用的标准值是以英制为基础的(磅)，但是25 空中交通中的尾流安全间隔研究经过换算(见表3-9)，可以看出重型机与大型机的重量界限与ICAO的相差无几；而大型机和小型机之间的界限值则略有差距，仅为3000磅，FAA的小型机上限为12，499磅(5，625千克)，而ICAO的轻型机上限为15，500(7，000千克)，这意味着FAA扩大了大型机的范围，而留在小型机范围内的机型大多数都是螺旋桨的通用飞机。不过，正好处于12，500磅(5，625千克)与15，500磅(7，000千克)之间的机型非常少：因此可以认为从机型尾流分类上来讲，二者的标准基本上是一致的。3．同样的，在最低尾流间隔标准中，除了大型机与小型机的间距为4海里，比ICAO的标准缩小1海里之外，其余的与|CAO的一致，这一点与CAA在中型机和L2类的机型之间缩小间隔的考虑是相同的。从总体上来看，由于扩大了大型机(中型机)的范围，FAA在1994年以前实行的尾流间隔标准比ICAO的标准间隔要小，虽然在94年发生了两起VFR飞行的尾流遭遇事故，但是从FAA统计数据中仍然可以看出，在仪表飞行条件下(IFR)，进近着陆过程中严格的保证飞机处于正确的下滑道内飞行时，并没有发生一起在遵守最小尾流间隔标准值条件下的尾流遭遇事故。所以可以认为在70年到94年实旖的最小尾流间隔标准是安全的。3．4．2F从1994年之前和之后的标准的比较与分析为清楚起见，将机型尾流分类标准与尾流间隔标准分开来对比和分析。一．由表3-9和表3．12可以得到表3．14：表3．14FAA94年前与94年后的机型尾流分类标准对比尾流分类上限(磅／公斤)下限(磅，公斤)94以后的类别94以前的类别Sl012，500／5，625小型机S212，501／5，62641，000／18，450小型机大型机L41201／18．451255，000／114，750大型机B757220，000／99，000250，000／11,250B757大型机Hl255，000／l14，750300，000／135，000重型机大型机H2300，001／135，001无重型机从表3．14中可以清楚的看出新标准对以前的分类做出了较大调整，其结果如下：1．在新标准中，变化最大的时将大型机与小型机之间的界限值由以前的12，5000磅(5，625千克)调整到41，000磅(18，450千克)，大大增加了小型机的范围，而且还超出了ICAO规定的15，500磅(6，975千克)的小型机界限值近三倍。注意到在前面分析CAA标准变化的过程中，Ll类机型的界限值(在7，000千26 南京航空航天大学硕士学位论文23克和17，000千克之间)，二者的上限非常接近，不难发现FAA同样注意到了大速度、低重量、小翼展的喷气式行政机跟在重型机或大型机后时，更容易受到尾流的影响，因此将原来属于大型机类的喷气式行政机重新划分到小型机，其界限值比CAA的规定还要高，包括了几乎所有的喷气式行政机。这种扩大小型机范围的结果将意味着整个尾流间隔标准的增加。表3一14中还可以发现波音757是一个异类：虽然波音757的允许最大起飞重量是属于大型机的范畴，但是从尾流间隔标准来看，实际上它独自占用了一个分类：在前面尾流事故数据的分析中已经看到了这种机型的不同之处，它形成的尾流强度与一般重型机的效果相当，在FAA的尾流强度测量数据中也表明了这一点，为什么波音757会有这种比较奇怪的特性，现在还没有得到完整和清晰的解释．只能将其暂时作为一个单独的分类。重型机与大型机之间的分类界限值也作了小的调整，从300，000磅(135，000千克)下降到255，001磅(114，750千克)，如表3．14中的Hl类；但有意思的是，从机型手册中找不到起允许最大起飞重量正好处于255，001磅到300，000磅的商业飞行的重型运输机：也就是说，H1类实际上是空的，这样来看，这种调整并没有改变原来的重型机和大型机(ICAO标准中为中型机)的分类，还是与ICAO标准保持了一致。二．由表3．10和表3．13可以得到表3．15表3．15FAA94年之前与94年之后的尾流间隔标准的差异后机前机H2HlB757LS2S1H2O-lO0+1OHl+l+2+l+3+2B757+l+2+lL0O0+l0S2O0O．1SlO0O0表3．15是以FAA94年之后的间隔标准值为基础的，与以前的间隔标准做出比较后的差异值。同样的，“+”号表示最低间隔在调整之后增加了，“．”号表示在调整之后间隔缩小了。由表3．15中数据可以得到：1．由于实际上并没有任何机型归属于H1类，因此从效果上来看，间隔标准调整的结果主要是增加了S2类(喷气式行政机)与所有比它级别高的机型类之间的值，分别是从重型机的5海里增加到6海里，大型机的3海里增加到4海里；另外由于波音757的特性，在其之后的间隔都是增加了1到2海里，尤其是与喷气27 空中交通中的尾流安全间隔研究式行政机的间隔由3海里增加到了5海里。2．在S2类和sl类之间的间隔从以前的4海里缩小为3海里，这是因为以前的喷气式行政机是属于大型机类，调整之后与S2类同属于小型机；这种间隔的缩小的考虑与CAA标准中的缩减考虑是相同的，毕竟尾流间隔最主要的目的是防止小型机进入重型机或大型机的尾流当中，而同类型机之间的影响相对较小。总的来看，由于扩大了小型机的范围，使得调整之后的FAA标准比以前的间隔要大，安全性要比以前高，但同时增加了～个特殊的波音757类别；其实，主要的间隔值增加也就是因此而起的：而对于管制员来讲，仅仅增加了一个波音757类，并重新划分了喷气式行政机的类别所增加的工作负荷没有CAA的调整来得大。3．5尾流间隔标准体系的特性分析从前面对ICAO标准、CAA标准和FAA标准的比较分析中可以看出，尾流间隔标准与空中交通服务中所规定的其他标准如：纵向间隔标准，侧向间隔标准以及飞行高度层的配备等等差别很大，具体原因可以分为以下几个方面：首先，尾流间隔标准与其它间隔标准的适用空间范围不一样；尾流间隔标准只在机场终端区飞机起飞爬升阶段和最后进近着陆阶段适用，在这个空间范围内，飞机的速度变化范围大，但绝对数值小、飞机外形变化大(如：落地时飞机由光洁外形转换为起落架放下、襟翼放下的着陆形态；而起飞过程则正好相反)；而纵向间隔、侧向间隔标准主要是用于飞机巡航飞行阶段，还包括部分起始进近阶段及起飞后的上升阶段：在这个空问范围内，飞机的速度变化范围小，其绝对数值大，机体外形几乎不发生变化，都是光洁外形。其次，正是由于活动的空间范围的不同，才使得各种间隔标准的侧重点不同，侧向、纵向间隔标准以及垂直间隔标准主要关心的是如何让两架飞机在空中相撞的危险性尽可能的降低，使之符合一个安全的概率水平，它们常常重点研究的是导航设备误差引起的飞机在空中的定位容差，而很少去考虑飞机所产生的尾流强度在巡航飞行中会不会对其他的飞机造成影响，从实际的飞行来看，意义也的确不大。与此相反的是，尾流间隔标准必须考虑在起飞、进近着陆阶段前机形成的尾流强度是否会对后机的正常飞行造成影响：由于在终端区内，现代一次和二次精密进近雷达完全可以对区域内起飞、落地的飞机进行精确的定位，其高度、位置、速度、航向等等数据信息要比巡航飞行要准确的多，所以很少去考虑和研究两架飞机相撞的情形；最坏的情况是后面跟进的小型机由于间隔问题进入前面重型机的尾涡造成急剧滚转失事或机身结构损坏而失事。再者，在确定间隔标准时所考虑的参数也不一样；对纵向间隔、侧向间隔及垂直 南京航空航天大学硕士学位论文间隔标准而言，其主要的影响参数包括航空器的速度大小、飞行商度差、航路结构、两机的飞行轨迹构型等等，几乎不用考虑天气变化的影响；在尾流间隔标准的主要影响参数中，飞机速度的大小同样是考虑的内容；但同时机型最大起飞重量、跑道的构型及跑道的使用方式以及近地面层大气环境的影响都是不得不同等的加以研究的。3．5．1尾流间隔标准体系的特性分析正是有了如此多的差异和不同，使得对侧向、纵向间隔及垂直间隔标准的研究和对尾流间隔标准的研究而相差甚远；从60年代起出现的Rich模型及相关的理论，经过不断的完善已经可以很好的用于前者的间隔标准的修改和制定：而对于后者，目前世界上还没有一个公认的成熟的尾流间隔模型：尤其是涉及到大气条件的限制，如尾涡的形成与消散机理以及对机翼的作用力的分析非常复杂，还需要进一步的研究。有意思的是，最初的间隔标准和现行的间隔标准都是凭经验和统计数据来确定的，并没有得到理论上的完全支持，但仍然保证了绝大多数飞机的安全；尽管这样，对尾流间隔标准还是必须要有一个可靠的模型或者相关的理论。有鉴于此，本文在下面将提出几个建立尾流间隔标准所必须要符合的一些准则，这些准则无论是对哪国的尾流标准都应该是适用的。1．安全性准则安全性准则是最主要的，最基本的准则；它应当包括两层含义：第一层含义就是这个间隔标准必须是安全可靠的，即当这套标准使用的过程中不允许出现因为遵守标准而导致的尾流危险遭遇事故。虽然这仅仅是一个抽象的准则，还无法从理论上给出一个量化的安全程度指标，但是实际运行数据应当可以给出安全程度的经验参考值：比如说美国1994年之前的18年的运行经验表明在仪表飞行条件下(IFR)严格遵守尾流间隔标准条件下，没有发生一起尾流导致的飞行事故，也就是说尾流间隔标准的安全性准则量化指标可以认为是因尾流导致的事故率应当小于1次／18年。第二层含义是这种安全度应当是比较稳定的，不能因为对标准的略加改动就导致大量的尾流危险遭遇事故的发生。2．有效性准则有效性准则是指必须有效的利用可用空间；间隔标准不能因为强调安全性而过于保守，间隔标准值应当尽可能真实的反映出每一对前机和后机之间的尾流危险强度影响距离，这样就可以避免不必要的空间浪费。可以想象一下，有两架波音747，其中一架是远涉重洋，飞行了十几个小时，消耗了上百吨的燃油飞抵A机场准备进近着陆，而另外一架波音747则是刚刚满载着燃油从A机场起飞，起飞后不久，得知其目的地机场因特殊原因关闭，机长决定返航着陆，假设其他的条件都是相同的，显 空中交通中的尾流安全间隔研究然在这两种情况下，相同的波音747产生的尾流强度，以及对后机的影响是大不一样的，而按照现在的尾流间隔标准不论是哪种情况出现，都是以波音747允许的最大起飞重量为准，其最小尾流间隔值都是相同的。从这一点上来讲，现行的尾流间隔标准是相当保守的，这也同时从另外一方面部分的解释了为什么凭运行经验确定的标准值是相当安全的原因。3．公正性准则所谓公正性准则是指一个尾流间隔标准体系的实施所得到的每对前后机序列的尾流危险遭遇事故率对跟进的不同类别飞机来说，相互之间应该是相当的、可比较的；同样的，对于不同类别的前机，给定类别的后机在不同的间隔标准上所产生的危险遭遇事故率也应当是相当的、可比较的；这样就意味着如果一个尾流间隔标准体系总的尾流遭遇事故率是在允许的安全程度范围内，可是大多数事故总是发生在某一类特定的机型时，那么这个尾流间隔体系应该认为是不公正的。为比较清楚的说明公正性准则，可以参考一下表3。16，其数据来源于CAA的尾流遭遇报告统计数据库，数据的收集时间是1982年到1990年。表3．16CAA的尾流遭遇报告统计数据前后机序列间隔标准值(海里)尾流遭遇率’前机，后机总遭遇数较严重遭遇数B747／中型机517627B707／中型机319427(注1：+表示每100，000对飞机到达序列所产生的尾流遭遇数注2：根据尾流遭遇报告。较严重的尾流遭遇数指在进近阶段飞行员遭遇到超过300的滚转。)从表3．16中可以看到，中型机跟在重型机类中的最大的波音747后，间隔标准为5海里时的遭遇率与中型机跟在中型机类中最大的波音707后，间隔标准为3海里时的尾流遭遇率是相当的，尤其是较严重的遭遇数都是27。这表明这两个间隔标准值是符合公正性准则的。4．复杂性准则复杂性准则是指尾流间隔标准体系的类别划分不能过于复杂而不方便记忆和实施，这实际上已经与航空器的特性没有什么直接关系了，而是有关人的因素。无论哪种间隔标准，最后都是通过管制员发布间隔指令，由飞行人员接受指令来实施完成的；因此要准确无误的记住那些过于复杂而又很少有规律可循的尾流机型分类和间隔标准，而且又要在高度紧张的指挥状态下给连续的飞机序列正确的安排间隔，这将给管制员增加相当大的负担。更糟糕的是，对尾流最低间隔的安排往往在终端区容量趋于饱和，交通最繁忙的时段才显得特别的重要，而此时管制员们已经处于满负荷的工作 南京航空航天大学硕士学位论文状态，在这个时候，管制员是不允许犯这种错误的。所以，从某种意义上来说，复杂性准则同安全性准则同等重要，因为它直接影响到安全性，发布一个错误的尾流间隔的安排指令就很可能直接导致一起严重的飞行事故，因此在这里有必要对其作进一步的分析和研究。3．5．2改进的机型尾流分类标准在前面CAA标准和FAA标准的比较分析中曾经都提到过由于增加了机型尾流分类，改变尾流间隔值会引起管制员工作负荷的增大；现在从复杂性准则的要求来看，ICAO的标准比CAA和FAA的标准都要来得简单，这就意味着安全度有着某种程度的提高。仍以CAA标准为例，可以发现1982年之后新的机型尾流分类难以方便的记忆，它划分了4个机型类别，规定了5种间隔标准值，分别是3，4，5，6和8海里，总共是16种不同类别的前后机组合。如果将“重型机在前、中型机在后的间隔标准为5海里”作为一条规律来记忆的话，所有大于3海里的间隔值都不得不单独的成为一条规律，这样从表3—5中总结出来类似的规律有7条，再加上一条是：“除以上7条，其余的飞机组合其间隔均为3海里。”总共是8条。这样来看，尽管CAA的标准并非是完全无规律可循，但是却没有简便可靠的记忆规则。同样类似的情况也出现在FAA的标准中。如果完全不考虑间隔标准的复杂性准则，只要将机型尾流分类的类别多划分几个甚至几十个类别，就可以很好的满足有效性准则和公正性准则，同时还不会影响到安全性准则；事实上就目前这是不可能做到的，规则必须通过管制员来实施，ICAO当初在确定机型尾流分类的时候就考虑到这个问题，并且通过实验认为机型分类数为三种，间隔标准值为四种，其组合数为九种，对于管制员来讲，其记忆负担已经足够大了，不推荐进行更多的分类，除非可以通过其他的辅助记忆工具和设备来减轻负荷。但是从未来的发展来看，随着监测设备性能的提高，通过增加尾流分类的类别数来减小总的间隔，从而增大终端区的容量是必然的，甚至于有可能划分到每种具体的机型之间。本文在下面提出一种分类方法，一方面可以满足增加分类类别数目的需要，同时降低了复杂度，提高了规则的易记忆性。如表3-17所示，假设机型的尾流分类数已经增加到了6种； 空中交通中的尾流安全间隔研究表3．17改进的机型尾流分类标准后机分类前机分类1234561n+AXn+2AXn+3△Xn+4△Xn+5AX2n+△Xn+2△Xn+3aXn+4△X3n+△Xn+2△Xn+3AX4n+axn+2△X5nn+△x6如果将“∥看作是常数的话，整个间隔标准值就是一个6*6的上三角矩阵MM的元素满足以下条件：～=r。血彰其中：i为行数，代表前机的分类号：J为列数，(3．1)代表后机的分类号。1．机型的尾流分类类别不再使用重型机、中型机(或大型机)以及轻型机的概念来表示，而是用顺序增大的数字1，2，3⋯来表示；随着数字的增大，机型的允许最大起飞重量越来越小。2．基本的最低间隔标准值为n海里，(例如：n=3海里)：在前后机为同类机型的时候，间隔值取n，如表中主对角线元素所示：即i=，时，‘．=n。3．当前后机不属于同类机型的时候，比较后机与前机的分类号，若其差值为正，即，一i>0，则间隔值在最低标准基础上增加(J—i)缸海里，缸为固定的间隔增量，(例如，缸取l海里或者O．5海里)。若其差值为负数，即，一i<0，就表明后机的允许最大起飞重量比前机大，在安排间隔的时候，可以首先考虑别的影响因素，如跑道占用率等等，而不是首先考虑尾流的影响，这意味着可以采用小于n海里的间隔。(在CAA和1CAO的标准中有同样的规定，但在实际运行中，很少有出现低于3海里的使用情况)4．在上述说明中，从理论上讲缸的大小可以取任何值，而且现代的先进雷达设备也可以保证其定位精度；只要符合尾流强度影响情况就可以。但是从复杂性准则出发，缸取l海里或者O．5海里进行记忆对管制员来讲应当是最好的选择。这样一来，管制员只需要记住两条规律就足够了：第一条：当出现进近序列为后机与前机是相同的分类号时或后机的分类号小于前机的分类号时，最低间隔标准为n海里。32 南京航空航天大学硕士学位论文第二条：当出现后机分类号大于前者分类号的进近序列时，最低间隔标准为在13海里的基础上增加若干个增量缸。例如：假设n=3海里，Ax=1海里，当后机的分类号为4，前机的分类号为2，那么，其最小间隔标准为n+(4—2)+Ax=3+2+1=5海里由于分类号均为自然数，顺序增加，n和血是固定不变的，相比较CAA标准的8条记忆规则，这种分类法要简单有效的多，它与飞机序列组合数无关，而且从最大程度上避免了数值的记忆混乱和错位。 空中交通中的尾流安全间隔研究第四章尾流间隔的数学模型从国际民航组织雷达管制条件下的尾流最低间隔标准中可以看出它其实包括了两个标准；一是机型的尾流分类标准，二是各个类别之间的间隔标准，并且机型尾流分类标准的改变将会直接影响到总的间隔标准，另外，由于尾流间隔标准涉及到前后机的相互作用问题，即前机产生的尾流对后机产生不同方向上的作用力从而影响后机的状态，因此在下文中从尾流对后机造成什么样的影响与前机产生多大强度的尾流两个方面来对尾流最小间隔进行分析建模，并对基本模型进行仿真计算。4．1尾流危险遭遇基本模型随着民航业的不断发展，空中飞行流量越来越大，机场容量限制逐渐成为飞行流量增长的瓶颈；而机场终端区的容量取决于许多不同的参数如：使用跑道的数量、起飞距离、落地滑行距离、进离场航线的分布、飞行流量的小时分布率以及飞机之间的最低安全间隔等等。在许多机场终端区容量已经趋于饱和的国际机场，如果在起飞落地过程中不考虑尾流存在的影响的时候，人们发现前后机之间的最小间隔完全可以缩小到2海里的间隔，这个间隔值主要是考虑到需要保证落地飞机有足够的时间脱离跑道和起飞飞机在前机起飞离地后从滑行等待点进入跑道准备起飞的时间。如果实施这样的间隔，将会大大提高终端区的容量；然而目前是不得不考虑尾流的存在所形成的潜在的飞行安全影响，因此实施最低尾流间隔标准是必要的；可是另一方面，从前面几章的分析来看，目前正在实施的尾流最低间隔标准是相当保守的，也就是说存在减小最低间隔标准同时并不影响飞行安全的可能。由于尾流间隔涉及到前后机相互作用的问题，可以从下面的几个途径来考虑如何达到减小间隔标准：一是通过改进或者重新设计翼型及其结构，从根本上解决削弱尾流强度，使得飞机产生的尾流初始强度就比较小，并且在很短时间内就很快的消散，从而达到减小间隔的目的；二是同样通过设计和改进，增加飞机的抗尾流强度能力，同样也可以达到缩小间隔的目的。但遗憾的是，至少在现在，飞机的设计和制造厂商是不可能在已有成熟的机型设计技术上单独为了尾流间隔的问题而做出重大的修改，如果那样的话，也许会在别的飞行性能方面做出相当大的牺牲。因此以上这两种途径实际上是可想而不可行的：而比较有可能的缩小间隔的途径是通过确定前后机状态(包括实时的飞行重量、速度、飞机外形等)以及周围大气环境的参数，为每一对具体的机型序列来确定最小间隔。在这种情形下，即使是相同的机型序列由于状态的不同，其最小间隔标准可能就不一样：仍然以前面一章所提到的长途飞行的波音747为例，在飞行重量已经大大减轻的情况下， 南京航空航天大学硕士学位论文管制员当然可以缩小后机与波音747之间的间隔。缩小间隔是可能的，但是具体到在哪些情况下可以缩小间隔、减小值如何确定、其安全度又如何衡量，这都需要有理论上的分析支持和实际运行经验的判断。在前面曾经讨论过后机从不同方向进入前机的尾流流场中时所遭遇的各种情况，其中以纵向进入尾涡中心区时对后机的影响是最大，会造成不可预见突然大角度的滚转，并且会严重的掉高度，因此在后面的分析中均以这种最坏情况来讨论，尾流间隔最低标准也是保证避免出现这种最坏情况下的最低间隔标准。4．1．1滚转比例系数，首先需要确定的是如何来衡量尾流对后机所造成的影响程度；考虑到当尾涡作用在大翼上形成的滚转力矩使得飞机产生大角度滚转时，飞行员必然要采取措施，操纵飞机的副翼偏转以产生作用相反的滚转力矩来抵消尾流的作用(如图4．1所示)。当飞行员控制的滚转力矩超过尾涡的作用力矩时，就可以控制住飞机的滚转运动，并进一步恢复平衡，从而不会造成大的危害；而有时候当尾涡的强度足够大，以至于超出了飞机自身所能产生的滚转力矩时，飞行员将失去对飞机的控制，这时就会出现最坏的情况。当低速度、小翼展的小型机进入宽体客三机的尾涡中心时，由于宽体客机的尾涡强度非常大，很有可能在消散了一段时间后仍然会超过小型机自身的控制滚转力矩；曾经有过这样的事故：一架Learjet-23型的喷气式行政机不慎进入C．5A大型运输机的尾涡中突然产生3600的滚转，飞行人员对飞机图4-1尾涡对后机影响示意图完全失去了控制。因此，从这个角度来看，可以设定一个比例系数厂，它是由尾涡产生的滚转加速度P，与后机由副翼偏转产生的最大控制滚转加速度P。的比值，用来衡量尾涡形成的滚转作用效果与飞机副翼偏转形成的可控制作用效果之间的相对大小：即：厂=璺(4—1)P。当厂>l时：P，>P。，说明尾涡的强度已经足够大，超过了飞行员对飞机的最大滚转控制能力；此时飞机完全失去了控制，处于极为危险的状态。35 空中交通中的尾流安全间隔研究当厂=l时：p。=p。，此时飞行员操纵副翼所产生的最大滚转力矩正好抵消尾涡所产生的滚转运动；但是在此同时，飞行员也没有剩余的能力来控制飞机恢复平衡，仅仅只是维持飞机不再继续滚转；正好处于一种临界状态。假定飞行员的反应时间为零，即当尾涡作用在机翼上的同时，副翼也立刻产生作用相反的力矩，此时飞机可以仍然维持其当前的平衡状态；但考虑到运动的惯性，飞行人员的反应时间等因素时(飞行试验表明飞行人员从感觉到尾涡的滚转作用到采取相应操作的反应时间为零点八秒左右)，此时飞机必然已经产生小角度的滚转，即飞行员很快控制住飞机使其不再继续滚转，但已经形成的侧滑角将使得飞机不再保持预定的航向了；因此在f=l时，可以认为飞机仍然处于临界危险状态。当厂<1时，P，tl时(4—19)其中：L(O)表示尾涡的起始总强度，r帕(f)表示在t时刻尾涡的总强度t表示尾涡的消散时间，fl表示尾涡形成及消散至fl时，其尾涡总强度并未改变。甩是尾涡的消散率，用来描述尾涡消散速度的快慢。那么，(4-18)式表示在^时间内，尾涡的强度没有发生改变，仍然等于起始总强度，(4．19)式则表示当消散超过f．时间时，尾涡的总强度以消散率为n的指数形式迅速消散。在这里。对于不同的机型来讲，尾涡起始总强度L(O)、维持强度时间，，都有差异，而消散率押与机型的类别却关系不大，主要与周围大气环境有关。在空气动力学上，对于尾涡的起始总强度L(0)有一个理论公式：L(o)=(C矽山g)，(p8v)(4-20)对于维持强度时间『l而言，由于影响尾涡消散的随机因素太多，因此将其看作一个服从正态分布的随机变量是合理的，其均值为f0，标准方差为仃，那么‘的概率密度函数为川=击ex4’譬l∽zt，实际的测量数据表明维持强度时间确实是服从正态分布，表4一l所示的尾涡消散模型参数值是FAA的John．A．Volpe研究中心对各种常见机型进行长期的观测所得到的； 南京航空航天大学硕士学位论文表4—1几种典型机型的尾涡消散模型参数表落地阶段起飞阶段r1(当￡=O．001)飞机类别盯fo仃ro落地起飞B73712．132．76．324．670．244．1DC．911．227．8lO．823．962457．1B70710．332．07833863．957．8DC．1012．734．910331．674．3633B74711．140．014440．284．484．7对表4．1中的数据仔细分析可以发现：1．维持时间t．的方差盯与机型关系并不大，尤其是对于落地阶段，盯大约为10秒钟左右；而对于起飞阶段，则变化略有差异，波音747的方差盯最大，相对较小类型的波音737的方差盯则较小。2．维持时间f．的均值t。随着机型允许最大起飞重量的增加而增大：以波音747的最为明显，落地阶段为40．0秒，起飞阶段为40．2秒，而DC．9分别是27．8秒和23．9秒，这就意味着重型宽体客机形成的尾涡的确在空中滞留的时间要长，需要重点加以考虑；同时表中的t。值也说明实际上绝大多数尾涡在形成之后仅仅只是在一段相当短的时间内能维持其起始强度，然后就很快的消散了。3．表中的最后一栏的F=O．001表示的是概率水平，其含义是在发生的1000个尾涡随机消散过程中，有一个尾涡消散的持续强度时间t．达到表中所示数值；如波音747在起飞阶段是84．7秒，落地阶段是84．4秒，波音737的分别是44．I和70．2秒；在这种情况下，fl的值远远大于均值“，平均来看是“的2到3倍。由于实际上最值得注意、加以考虑的就是这些为数甚少而维持强度时间较大的尾涡，也只有这些尾涡才会对后面跟进的飞机造成危险遭遇，因此从这个意义来看，在一定概率水平下的维持强度时间才是重点值得考虑的。当给定了尾涡的临界强度值L，时(可以由危险遭遇模型确定)，由(4—19)式可得：．f．，：f忆r／L(o)茹(4—22)那么对维持强度时间，。，的概率密度函数积分可以得到尾涡持续消散时间大于，．，时的危险遭遇概率值：F(k，f)=广P(t．)at。_口为方便表示，引入误差函数erf(z)：1一P矿(z)2忑2lt,oP_tl讲、，，r‘由上面几式整理得到：，(L，’f)=丢I—erf((t，r-to)／√bl(4—23)(4—24)(4-25) 空中交通中的尾流安全间隔研究那么(4．25)式即为尾涡消散的概率模型。它说明了尾流危险遭遇概率F与尾涡l临界强度L，以及给定的消散时间f(实际上可以看作是给定的前后机的时间间隔，)有关。从理论上讲，只要确定了三个参数：消散率n，维持强度时间t。的均值fo和方差盯，然后通过尾流危险遭遇模型给出尾涡临界强度L，，通过(4—25)式就可以求出在间隔时间，的情况下，前后机发生危险遭遇的概率值。4．3尾流间隔模型的仿真计算与分析下面以两种较为典型的机型为例(重型机中的波音747和中型机中的波音737)，由上节中的公式(4．12)(4．17)(4—20)(4-22)(4-23)，使用MATLAB仿真软件分别计算其在进近阶段，以最低尾流间隔标准落地时危险遭遇的概率值。其中：前机的翼展B是取波音747和波音737各个型号的平均值，不同类别的后机翼展b分别用平均翼展10m、20m、30m、40m、50m来衡量，重型机类采用平均翼展为50m和40m，中型机类使用平均翼展为40m、30m和20m，而小型机类则使用平均翼展为20m和10m，进近速度取135海里川、时；滚转比例系数，取O．5和1．0分别计算，维持强度时间，l的均值“分别为波音747是40．0秒，波音737是32．7秒，方差盯取10秒，消散率疗取1．5，尾涡涡核半径‘采用MAVSS的数据：波音747为2．5米，波音737为112米。其计算结果如表4．2所示：表4-2最低尾流间隔标准条件下尾流遭遇概率值后机前机重型机中型机小型机b=50mb=40mb=30mb=20mB=10m厂=0．5B7471．1+10。2．3+1o．21．O+10‘4．3+1041．8+lo’’1．8+1016．6+101B7372．0+lff’7．4"10-’7．4’10。j2．7’1ff‘8．74l酽2．4’lo．’8．5"1ff’厂=1．0B7473．1+10。2．4‘1041．4+10。3．5+10。1．8+10。2．0+10。4．5+104B7371．1+10“2-3+1012-3+10。4．5+10。3．0+1013．2+10。8．1+10‘’计算结果分析：1．由表4。2中可以看出，在前后机尾流分类类型不变时，当后机的平均翼展从大到小变化(这就意味着后机机型的不同)，危险遭遇概率值则由小到大的变化，例如：取表中的_厂=0．5时波音747与不同平均翼展的中型机概率值比较，按ICAO的最低尾流间隔标准波音747属于重型机，与中型机的尾流间隔为 南京航空航天大学硕士学位论文4海里，当跟进的中型机翼展分别为40m、30m和20m时候，危险遭遇概率值分别为1．0+10。4、4．3+10‘4、1．8+10一，随着后机翼展的减小而增大，即翼展大的飞机抗尾流能力大，计算结果与基本模型的分析是一致的；同样的数据结果也体现在波音737上。2．从表4．2中还可以看出平均翼展均为20m的中型机和小型机，由于分属于不同的尾流机型分类，与前机的最低间隔值是不同的(前机为波音747时，分别为4海里和5海里；前机为波音737时，分别为3海里和4海里)；正是由于增大了距离，使得小型机危险遭遇概率值比同翼展的中型机要小一个数量级，如表中所示，当厂=1．00，前机为波音747时，其值分别为2．O+104和1．8"10～；这就意味着由于间隔距离的增加使得前机形成的尾涡有更长的时间进行消散，从而对后机的影响强度减弱；同样的结果也出现在平均翼展为40m的重型机和中型机之间。但需要注意的是，在这种情况下，对于波音747来讲，跟在其后的重型机和中型机的间隔分别是3海里和4海里，同中小型机有类似的情况，计算结果也表明危险遭遇概率值随着间隔的增加而减小：，=O．5时，分别为2．3+10-2和1．O+1矿；厂=1．0时，分别为2．4+10‘4和1．4+1旷：而由于波音737是中型机，跟在其后的重型机和中型机的最低间隔是相同的，均为3海里，其二者的计算结果应该是相同的，如表中所示：f=O．5时，均为7．4+10一，／=1．0时候，均为2．3"10～；同时，对于不同翼展的重型机来讲，跟在波音737后的危险遭遇概率随着翼展增长而减小，这与上面所讨论的内容是一致的。3．由于滚转比例系数厂取值的不同，使得危险遭遇概率值相差2到3个数量级，例如，-o．5时，平均翼展为30m的中型机在波音747后的概率值为4．3"10-4，而当厂=1．0时，其概率值为3．5"10‘6。因此厂的取值大小对危险遭遇概率的影响非常大，，取值偏小时说明计算较为保守；厂取值偏大时，则意味着扩大了可接受的危险程度，在相同的距离间隔内，其直接表现结果就是危险遭遇概率值的减小。由以上分析可见，上述尾涡消散模型和尾流危险遭遇模型通过尾涡总强度联系起来，可以比较好的描述在尾流遭遇过程中前后机之间相互作用的关系，并且能够从理论上给出一个在间隔时间为，时(或者距离间隔为d=v·，，v为前机的进近速度)前后机发生危险遭遇的概率值． 空中交通中的尾流安全间隔研究第五章机型尾流分类的仿真计算与分析在本章中，通过采用MATLAB仿真计算软件，在尾流危险遭遇基本模型和尾涡消散模型的基础上，结合美国联邦航空局(FAA)的有关统计数据和经验公式，对不同机型的尾流分类进行了仿真计算，同时对大多数常见的民用机型的尾流分类的合理性进行了评估，并且对仿真程序的内容作了概括性的说明。5．1不同机型尾流分类的仿真计算前面一章中所讨论的尾流危险遭遇基本模型和尾涡消散模型虽然可以给出在前后机发生危险遭遇时的概率值，但是这个概率值受维持强度时间f．的均值“方差盯、消散率n取值的影响，尤其与滚转比例系数厂的取值大小关系密切。因此它只能给出尾流间隔的相对安全概率水平，而不能用来作为确定间隔标准是否绝对安全的依据；这两个模型还不能从理论上给出一个确切的危险遭遇概率值界限。但是在另一方面，由于尾流间隔标准是由两部分组成的：一部分是机型的尾流分类，另一部分是各类别之间的间隔值，那么即使后者的间隔标准值不进行变动，而只对机型的尾流分类进行调整时仍然会增大或减小总体的间隔标准；所以有必要对机型的尾流分类进行分析和评价，而前机的尾流消散模型和后机的尾流危险遭遇模型仍然是对机型尾流分类的分析的基础，主要是对某种特定的机型属于重型机、中型机或小型机是否合理进行评价，而不是对划分的依据重新调整，因此不涉及到绝对的安全概率值。需要说明的是，为了评判各个机型的尾流分类是否合理，应当研究各种机型在同一危险遭遇概率水平下数据分布的变化是否一致；为计算和说明的方便，在下面的机型尾流分类评价中计算维持强度时间t．时并没有使用前面一章中的尾流消散模型的概率值计算公式，而是直接引用了FAA通过MAVSS系统的测量值所直接拟合出来的经验公式，这个经验公式从另外一个侧面描述了尾涡的消散与机型有关参数的关系。通过MAVSS的测量数据，FAA发现维持强度时间f．不仅与前机翼展B有关，而且前机发动机的构型也会影响，。的大小；主要的表现就是有两台翼挂式发动机的飞机(如：波音737)其^值比较大，处于线性拟合曲线之外，因此在每个经验公式中附加了一个小项，其公式说明如下：对于落地的飞机：fl(占，B，E)=o．39B+10loglo(1／F)+20+eE(5-1)其中：e=2109lo(1／6)+4E：为标志变量，如果是两台翼挂式发动机的飞机，取值为1，其余情况 南京航空航天大学硕士学位论文取值为0。对于起飞的飞机：fl(s，B，E)=【o．70+0．1l(109Io(1／s)一1)】·B+5logl。(1／占)+lo—eE(5—2)其中：e=2l0910(1ie)E：取值要求同上。上述几式中的占是危险遭遇概率水平，在曲线拟合时，占分别取值O．1，O．叭和0．001，当s=0．01时所计算出的维持强度时间t，的含义是：平均发生的100个尾涡中间有一个尾涡的维持强度时间^达到或超过此值，而我们所关心的也正是这个消散时间较长的尾涡是否会给后机造成影响，那些只有很短的^时间的尾涡是没有必要取考虑的。当占取值为0．1和0．001时的含义如此类推。这样，对机型尾流分类的衡量不再仅仅是依靠飞机的允许最大起飞重量％。，而是综合地考虑包括允许最大起飞重量，产生尾涡飞机的翼展，进近速度大小，发动机的构型等等在内的各方面的参数，使得分析和计算结果更趋于合理。评价机型的尾流分类是否合理，必须计算出在同一危险遭遇概率水平占下的各种机型的危险遭遇间隔距离d。的分布，其仿真计算输入参数为各机型的相关参数，输出结果是危险遭遇间隔距离d。。仿真计算过程如下，：第一步：首先确定模型的输入参数；包括允许的最大起飞重量既。，前机的翼展B(计算翼展时，对各类飞机使用其各型号的平均翼展)，前机的进近速度匕。，发动机构型的标志变量E，后机的平均翼展b，危险遭遇概率水平占。第二步：计算前机产生的尾涡特性；包括起始尾涡强度r帕(O)(由尾涡消散模型中的(4．21)式给出)，尾涡维持强度时间t，(由(5-1)和(5．2)式给出)，以及尾涡涡核半径‘(使用MAVSS的经验公式‘=(2．5／59．6)B)。第三步：计算临界危险强度L，，此时尾涡的总强度对翼展为b的后机处于临界危险状态，L，由尾流危险遭遇模型中的(4．18)式给出，滚转比例系数厂取值O．5。第四步：计算从起始尾涡强度r蕾(O)开始消散到临界危险强度L，所需要的时间t。(维持强度时间)，消散率甩仍然取值1．5，由尾涡消散模型的(4．20)式可得到发生危险遭遇时的时间间隔，。：-=f。旺(o)／L，】0”(5—3)第五步：根据t。值确定在给定的前后机序列时的危险遭遇距离d。dH=V·fH(5-4)对于起飞的飞机来讲，V为离地速度，(通常要比落地速度大，取值145海里／，J、时)。 空中交通中的尾流安全间隔研究5．2仿真软件及程序简介本课题的仿真是在普通的个人IBM兼容机上面进行的，仿真的工作环境是MATLAB软件，MATLAB自1984年由美国Mathworks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现在已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。该软件有三大特点：1．功能强大(数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字处理、离线和在线计算)；2．界面友善、语言自然(以复数矩阵为计算单元，指令表与标准教科书的数学表达式相近)；3．开放性强(仅Malhwork公司就推出了30多个应用工具箱)。MATLAB的这些特点使得其获得了对应用学科(特别是边缘学科和交叉学科)的很强的适应力，并很快成为应用学科的计算机辅助分析、设计、仿真以至科技文学处理不可缺少的基础软件。在国外的大学里，MATLAB已经成为大学生、研究生必须掌握的基本技能，在设计研究单位和工业部门，MATLAB已经成为研究和解决各种具体工程问题的一中标准软件。在本课题的研究中选择该工具的主要原因是该软件的人机界面友好，可以直接对仿真的框图进行操作，而且各种参数的设置和调试都很方便。建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真模型可以是一个物理模型，也可以是一个数学模型；对于计算机仿真，需要在计算机上建立起对象的数学模型。一般来讲，系统的数学模型都必须改写成适合与计算机处理的形式，称之为仿真数学模型。这里的第一步已经在前面的几章的讨论中完成，对起飞和落地阶段飞机之间的尾流间隔模型已经建立起来，现在需要把所得出来的数学模型通过软件，变为计算机能够读懂，并且能够处理的仿真数学模型，然后给出该模型所需要的初始数据，让计算机根据程序中给定的算法，计算出根据前面所给的初始数据被该数学模型处理后所应该得到的结果，从而来模拟现实中的事件发生的情况。根据前面章节中的讨论，对于飞机之间的尾流安全间隔问题的研究是从两个方面来进行的：对跟进的后机建立了尾流危险遭遇基本模型，对形成尾流的前机建立了尾涡消散模型：然后为计算的方便，又引入了尾涡消散模型的经验公式，这二者通过尾流危险遭遇模型给出尾涡临界强度L，联系起来；机型尾流的仿真计算和分析就是建立在这两个模型基础上的。因此在编写程序对各种机型尾流特性进行仿真计算的时候，将整个程序分为几个大的模块来进行编写，其中主要是分别对尾流危险遭遇基本模型和尾涡消散模型编写了计算模块，然后通过一个主函数输入计算所需的数据，分别调用这两个模块函数，并传递计算参数给他们，这两个函数计算后返回结果到主函数，主函数经过处理后就可以得到不同机型在给定的不同概率水平下的尾流安全间隔 南京航空航天大学硕士学位论文距离。主函数的功能主要是实现数据的输入、输出、与计算结果的综合，该函数的输入部分主要是从函数的调用是就要求使用者输入所有的计算参数，然后在函数内部根据各模块对初始数据的不同需要，在对各个模块函数进行调用的时候，就将其要使用的数据传递给相应的函数，在模块函数计算得出结果的时候再将这些计算结果进行处理和输出。5．3仿真计算结果及其分析由于关心的主要是重型机和中型机产生的尾流强度，小型机产生的尾流一般不予考虑；另一方面小型机的尾涡涡核半径的数据难以获得，用经验公式计算的结果误差比较大。所以在仿真计算时选择选择的是几种常见的中型机和重型机；需要说明的是由于在模型的仿真计算过程中使用了较多的近似条件，所以这些结果并不能作为安排实际安全间隔的标准：但是由于各种机型的计算都使用了同样的近似条件，因此并不妨碍对机型分类合理性的判断，因为相同类别的机型应当表现出类似的数据分布，如果差异变化较大，则说明这种机型的类别的划分是不合理的。计算结果如表5-l、2、3、4、5、6所示：图5．1⋯18分别为各表数据的拟合曲线(图中纵轴表示间隔距离，单位为海里；横轴表示平均翼展长度，单位为米)。在表5-l、2、3、4、5、6中，粗线以上的各机型分类属于中型机类，粗线以下的各机型属于重型机类(按照ICAO的分类标准或者FAA的分类标准)，注意到波音707现在已经退役，但为了方便与波音757机型的比较，选择了两种分属于不同类别的波音707型号(波音707和波音707H)进行了计算，计算结果分析如下：1．很明显，危险遭遇概率水平￡的变化直接影响各机型的危险遭遇距离：占=O．叭与占-o．1相比，表明对可接受危险程度的要求更加严格，也就意味着安全程度的提高。从数据表现上来看，就是各机型的危险遭遇距离的增大。例如：6=0．1落地阶段时，A300对不同平均翼展后机的危险距离随着平均翼展的增大分别为7．2海里，5．6海里，4．5海里，3．9海里和2．8海里；而当占=0．01时，相同情况下，A300的值分别为8．8海里，6．8海里，5．6海里，4．7海里，3．1海里。类似的情况也出现在占-0．001和占=O．01相比较时。另外，由表5-1中看出，占=O．1时，中型机在前，对跟进的平均翼展为40m和50m的重型机所形成的危险遭遇距离均小于尾流间隔标准的规定3海里：在表5—2中，s=0．01时，中型机在前，仍然与跟进的平均翼展50m以上的重型机之间的危险距离值小于3海里(除去波音757的3．3海里)。考虑到计算过程是比较保守的，由此可以认为当出现中型机在前、重型机在后的序列时，首先考虑除尾流影响之外的因素(如：跑道占用时间情况等)来安排可能小于3海里的间隔应当是可行的。2．无论占取哪种概率水平，从表5_1、表5—2、表5-3中都可以明显看出波音75747 空中交通中的尾流安全间隔研究与它同类别的机型数据的不同。按最大起飞重量划分，波音757是属于中型机类的上端，靠近重型机类，波音707也是属于中型机上端范围，波音707H则被划分到重型机类；比较二者数据发现，当波音757为前机，对不同平均翼展后机所形成的危险遭遇距离不仅比同属于中型机类的波音707要大，而且还高于属于重型机类的波音707H的数值(图5．2，图5．5，图5—8中波音757的拟合曲线在波音707H的拟合曲线上面)。这表明虽然波音757按照允许的最大起飞重量划分是属于中型机类，但在进近着陆阶段形成的尾流影响效应却与重型机相当；从这个角度来看，波音757的类别划分是不适合的，应该划分到重型机类；可是另一方面，从表5-4、表5-5、表5．6发现在起飞阶段，波音757之后的危险遭遇距离值的变化却是符合中型机的划分，比较后面三个表中的波音757、波音707和波音707H的值的变化，就可以看到波音757的值都是处于波音707和波音707H中间，没有出现类似于落地阶段时的差异(在图5．11、图5．14、图5—17中波音757的拟合曲线在波音707H的下面)；因此在起飞阶段，波音757的表现是属于中型机的范畴。那么，结论是：对于波音757飞机，在进近着陆阶段，应当增大其尾流间隔标准，可作为重型机看待；而在起飞阶段，仍然作为中型机划分。3．除波音757外，其余各类机型的计算结果无论是在起飞阶段还是在落地阶段都没有表现出异常的变化；即在同一个危险遭遇概率水平下，相同类别机型的危险遭遇距离值相互之间都是稳定、可比较的，没有出现类似于波音757与波音707及波音707H之间的差异。因此可以判断按照目前的允许最大起飞重量划分的各机型分类虽然较为保守，但仍然是相当合理的。 南京航空航天大学硕士学位论文表5．1￡=0．1时落地阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大小前机L(0)trlb=10mb=20mb=30mb=40mb=50mB7372121．247．04．93．52．82．42．ODC．92031．241．34．33．12．52．I1．6A．3202211．449．25．33．93．12．72．1B7272461．442．85．O3．73．02．52．OB7072251．745．65．54．13．42．82．3B7572671．650．86．44．83．93．32．8B707H2451．847．05．64．33．53．02．4A3003301．953．37．25．64．53．92．8B7672872．O54．67．O5．54．53．82．8L101I3662．054．48．46．65．44．63．2MD．1l3942．155．38．46．65．44．63．3B7474302．553．28．O6．65．54．73．2表5—2占=0．01时落地阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大小前机L(o)，cflb=10mb=20mb=30mb=40mb=50mB7372131．259．06．24．43．53．O2．4DC．92031．251．35．43．93．12．62．OA．3202211．451．26．64．93．93．32．6B7272461．452．86．24．53．63．12．5B7072251．755．66．75．O4．13．52．8B7572671．662．88．O6．O4．84．13-3B707H2451．857．06．85．24．33．62．8A3003301．965．38．86．85．64．73．1B7672872．O66．68．56．75．54．73．2L10113662．O66．410．38．O6．65．63．8MD．1l3942．167．310．28．O6．65．73．9B7474302．563．29．57．86．55．63．9 空中交通中的尾流安全间隔研究表5．3￡=0．001时落地阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大小前机L(0)‘flb=10mb=20mB=30mB=40mb=50mB7372131．270．27．55．44．23．62．8DC一92031．262．46．74．83．83．22．4A．32022l1．472．37．95．94．63．93．1B7272461．456．47．65．64．23．73．0B7072251．763．98．06．04．84．13．2B7572671．675．19．27．O5．54．93．9B707H2451．868．78．36．35．04．33．2A3003301．978．610．48．06．25．53．8B7672872．O79．310．27．96．15．53．8L10113662．074．211．69．27．36．44．5MD．113942．174．311．59．27．46．54．5B7474302．574．410．89．07．36．54．5表5-4s；O．1时起飞阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大小前机L(0)rctlb=10mb=20mb=30mb=40mb=50mB7372121．232．84．33．12．42．11．6DC．91831．235．34．13．O2．42．O1．5A一32022l1．436．74．73．42．82．31．8B7272221．438．O4．93．62．92．41．7B7072021．742．94．93．73．O2．51．9B7572671．639．65．54．13．32．82．0B707H2201．845．65．34．13-32．82．OA3003301．944．16．75．14．23．63．1B7672872．046．36-24．94．03．43．0L101l3662．O46．17．35．74．74．03．3MD．113942．147．67．86．15．O4．33．6B7473872．556．78．36．95．75．O4．1 南京航空航天大学硕士学位论文表5．5s=0．01时起飞阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大小前机L(0)‘^b=10mb=20mb=30mb=40mB=50mB7372121．238．95．13．62．92．42．0DC．91831．243．55．13．72．92．52．1A一3202211．443．55．54．13．32．82．3B7272221．446．66．04．43．53．O2．4B7072021．752．36．04．53．63．12．6B7572671．646．86．54．93．93．43．OB707H2201．855．46．45．04．03．43．0A3003301．952．07．96．15．04．23．6B7672872．O54．67．35．74．74．03．5L10113662．054．38．66．75．54．74．0MD．1l3942．156．O9．17．25．95．14．4B7473872．568．310．O8．36．96．04．9表5．6占=0．001时起飞阶段危险遭遇距离(海里)模型参数后机大，前机L(0)0t1b=10mb=20mb=30mb=40mb=50mB7372121．244．15．94．23．42．92．4DC．91831．257．15．94．43．43．O2．5A．32022l1．447．86．44．83．83．12．8B7272221．447．26．95．14．03．53．OB7072021．757．86．95_34．23．63．1B7572671．655．17．65．84．53．93．4B707H2201．870．47．66．O4．74．03．4A3003301．963．58．96．95．84．84．2B7672872．O65．38．66．75．64．64．0L101l3662．O64．89．87．76．35．44．7MD．113942．163．3lO．38_36．75．85．1B7473872．584．711．39．47．77．O6．051 空中交通中的尾流安全间隔研究e=0．1落地阶段图5-l(表5-1)e=O．1落地阶段图5-3(表5—1)锄1落地阶段图5—2(表5-1)咖．01落地阶段图5-4(表5-2) 南京航空航天大学硕士学位论文e=O．01落地阶段o．-．-0．01落地阶段图5-5(表5-2)图5—6(表5-2)e=O．001落地阶段卸．001落地阶段图5—7(表5-3)图5—8(表5-3) 窒!銮望±塑星堕窒全囹堕堑塑e=O．001落地阶段图5—9(表5-3)卸．1起]骱段图5-11(表5-4)O2041360e=0．1起]蚧段图5-10(表5．4)e=O．1起]蚧段图5-12(表5—4)54535254321 南京航空航天大学硕士学位论文7654320扣4060e=0．01起-IN段图5-13(表5-5)e=0．01起飞阶段图5．15(表5—5)e=0．01起1蚧段图5—14(表5-5)e=0．001起1蚧段图5．16表5-6) 空中交通中的尾流安全间隔研究锄001起1蚧段图5．17(表5-6)1020304050卸001起]蚧段图5—18(表5．6) 南京航空航天大学硕士学位论文结束语本课题研究的主要对象是空中交通中的最小尾流间隔标准。目的是通过对相关标准的分析，建立尾流间隔的基本数学模型，并且加以计算和验证；同时对最小尾流间隔标准涉及到的一些因素进行了研究探讨，以期为中国民航空管决策机构对管制安全间隔的制定和改进提供一定的理论基础。分析和研究的结果包括以下几个方面：·首先，针对最小尾流间隔标准的特殊性和重要性，本文对尾涡的形成和消散的机理以及尾流对飞行安全造成的影响作了详细的分析，认为当跟进的后机纵向进入前机形成的尾涡流场的中心区时所造成的滚转运动的影响是最为显著的，值得重点加以研究。●其次，对目前实行的几种不同的尾流间隔标准(国际民航组织ICAO的标准、美国联邦航空局FAA的标准以及英国航空管理局CAA的标准)进行了仔细的比较和分析．并在此基础上提出了尾流间隔标准应当共同遵循的几条准则和一种改进的机型尾流分类标准。·然后通过引入滚转比例系数简化了对危险遭遇程度衡量的分析，建立了尾流间隔的基本数学模型，包括尾流危险遭遇的基本模型和简单的尾涡消散模型；并给出了在给定的时间间隔下前后机发生危险遭遇的概率值的计算方法。·最后，应用所建立的理论模型，结合相关的统计数据，对不同机型的尾流分类进行了计算和评估；发现在目前常用的机型当中，除去波音757之外，其他的各类机型的尾流分类虽然较为保守，但仍然是相当合理的。由前面的分析和计算可以看出，尾流危险遭遇模型、尾涡消散模型可以从理论上比较好的描述前后机尾流遭遇过程中的相互作用关系，可以给出在固定间隔下前后机发生危险遭遇的概率值，并且可以用来评价在同一概率水平条件下各机型的尾流分类是否合理；但是另一方面，从现有的模型中还无法确定绝对的危险遭遇概率界限，从而合理的修改尾流间隔标准，对此还需要进一步的研究。同时，模型中的参数的确定却相当困难，如滚转比例系数f，尾涡的消散率n，各机型的尾涡涡核半径‘等等，需要大量的飞行试验和实地测量数据，由于国内相关方面的数据非常缺乏，在前面的算例中都是参考FAA的统计数据，取其较为保守的数值，以至可能影响了计算结果的准确性。因此，在以后的研究中，国内的民航交通管理部门和有关的科研机构应当要非常重视各种统计数据的采集和处理，这样经过理论分析和实际统计数据的分析相结合，其结果才可以比较符合中国的国情和需要。 空中交通中的尾流安全间隔研究致谢在《空中交通的尾流安全间隔研究》这篇论文即将撰写完毕之时，我首先要对我的导师徐肖豪教授表示我衷心的感谢，感谢他给我提供研究课题的机会和条件，让我在课题研究阶段受益匪浅：通过本课题的研究，使我提高了自身的科研能力。徐肖豪教授为我提供了良好的学习和工作环境，并从课题的研究方向上进行了把握：在近三年的学习期间，徐老师一直关注着我的学习和生活；使我在研究和工作中积累了宝贵的经验，同时徐肖豪教授认真的工作态度，渊博的学识和诲人不倦的师者风范深深的影响了我。另外我还要向中国民航学院樊书芳、谢钧、黄宝军、贾斌、徐建星、李龙海、卓海波、朱向东、王自强、崔振新、于波、由扬、项恒、张继强等老师，应爱玲同学以及经管学院的赵珊珊同学和衣淑红同学在我学习和科研期间给与的各方面帮助表示衷心的感谢。 壹室塾窒塾丕奎堂堡主兰焦堡苎一在学期间的研究成果1胡军、徐肖豪基于概率论的飞行间隔数学模型的研究第四届全国交通运输领域青年学术会议论文集2001．102胡军、徐肖豪空中交通尾流安全间隔的研究中国民航学院学报2002年第3期 空中交通中的尾流安全间隔研究参考文献[1]空气动力学基础徐华舫著国防工业出版社1982年5月出版[2]国际民用航空组织空中规则与空中交通服务中国民航总局空中交通管理局出版2000年1月20日[3]空中交通服务计划手册(ICA09426一AN／924文件)中国民航总局空中交通管理局出版1999年9月9日[4]飞机性能数据手册中国民航总局空中交通管理局出版2000年1月[5]MATLAB使用教程机械工业出版社[6]空中交通中间隔标准的初步研究王欣中国民航学院学报2001。3[7]Bleviss，Z．0．，“TheoreticalAnalysisofLightPlaneLandingandTake—offAccidentsDuetoEncounteringtheWakesofLargeAirplanes”DouglasAircraftCo．，Inc．，SantaMonica,CA，Rept，SM一18647，1954．[8]Kraft，C．C．，Jr．，“F1ightMeasurementsoftheVelocityDistributionandPersiSitenceoftheTrailingVorticesofanAirplane”NACATN3377．March1995．[9]Greene．G．C．：“AnApproximateModelofVortexDecayintheAtmosphere，”JournalofAircraft，V01．23，July1986[10]Vernon．J．Rossow．BruceE．Tinling“ResearchonAircraft／Vortex—WakeInteractionstoDetermineAcceptableLevelofWakeIntensity”，JournalofAircraft，VOL．25，NO．6，June1988[11]D．C．Burnham，J．N．Hallock，“ChicagoMonostaticAcousticVortexSensingSystem”，VolumeIV．WakeVortexDecay，”ADA120081[12]JohnA．Volpe．“WakeVortexSeparationStandards：AnanlysiSMethods”，ResearchandSpecialProgramsAdinistration．PB97一176416[13]R．EarlDunham，Jr．，RobertA．Stuever，andDanD．Vicroy，“TheChallengesofSimufatingWakeVortexEncountersandAssessingSeparationCriteria”，AIAA93—3568，AIAAF1ightSimulationandTechnoligiesConference，August9-1l，1993／Monterey，CA[14]Tombach．I．，Lissaman．P．B．S，and扎llen．J．“Aircraftvortexwakebehavioranddecayneartheground”AircraftWakeVortexConference．DOT—TransportationSystemsCenter．CambridageMar．1977[15]R．BradPerry，DavidA．Hinton，andRobertA．Stuever．“NASAWakeVortexResearchforAircraftSpacing”AIAA97—0057，NASALangleyResearch 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