航空器尾流間隔動態縮減技術現狀

梁海軍，鄧文祥，梁延安，左杰俊

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院， 四川 廣漢 618307)

尾流是指航空器運行引起的對其周圍大氣的擾動.包括動力裝置排氣引起的紊流、翼尖渦流等。機場通行能力和運行效率與前后航空器間最小間隔密切相關，而間隔標準受限于空管監視能力和尾流。隨著民航運輸需求持續增加，有效空域資源日趨緊張，航班延誤壓力越來越大，機場運行效率亟待提高。目前現行尾流間隔的分類大多是根據經驗確定，有較大的改進空間。為了在保證安全的前提下盡可能減少現行尾流間隔，NASA、FAA、EUROCONTROL、荷蘭航空研究院(NLR)、德國宇航中心(DLR)等國家學者和研究機構對尾流演化進行了大量研究[1-7]，并建立了尾流間隔動態預測系統[8-10]。本文首先介紹了尾流的產生原因與階段劃分；其次，對尾流的消散機理進行了討論。最后對各國建立的尾流間隔動態縮減系統進行了介紹與對比分析。

1 尾流的消散機理

1.1 尾流的消散機理

尾流的消散機理比想象的要復雜的多；其消散過程和方式與周圍大氣環境緊密相關，包括大氣紊流度、大氣分層效應、溫度梯度、風的速度場、地面效應等，直到現在，也沒有完全了解尾流的消散機理。尾流的強度衰減通常分為兩個階段：擴散階段與快速衰減階段。通過長期的觀察，尾流消散類型可以簡單分為以下幾種[11]：連接消散、迸裂消散和湍流消散。

1) 連接消散。兩個相同強度的尾渦連接起來，形成一個新的尾渦。

2) 迸裂消散。尾渦發展到一定時間后，核心半徑突然增大，如同迸裂了一樣，形成一個較小的尾渦。

3) 湍流消散。尾渦擴散中由于空氣粘性作用以及湍流作用，使尾渦消散。

1.2 尾流消散階段

2011年，Breitsamter C[12]依據尾流的變化特性，重新整理并將其產生及消散過程分為4個階段，如圖1所示。

1) 近區階段。又稱為演化階段，x/b小于等于0.5，(X/lu

2) 擴展近區階段。又稱為卷起階段，0.5

3) 中區及遠區階段。又稱為穩定及擴散階段，10

4) 衰減區域。又稱為衰減耗散階段，x/b>100，其中充分發展的不穩定性導致兩個渦流之間的強烈相互作用，直至崩潰耗散成大氣中的湍流。

1.3 尾流的消散模型

通過對尾流的消散機理研究可知，大氣連結不穩定性、側風、地面效應、層節性等各種因素都對尾流的消散產生影響。側風會使尾流的側移加快，更快的擴散到下游區域。在不考慮地面效應和側風影響的尾流消散模型中，尾流消散只與大氣的連結不穩定性、大氣紊流性、大氣層節性相關。即：

等式右邊3項分別表示連結不穩定性，大氣紊流性，大氣層節性。

(1)

TASS試驗數據顯示等式右邊需要加上一個修正系數，即：

其中γ=0.375。

由hanetal模型[14]可知：

其中c1=0.19。

由于飛機的組件如襟翼、擾流板在飛行時的震動會對大氣產生擾動，因此即使外界大氣極其平穩時，ε*會大于0，通常取值0.08。即：

從Greene模型[15]可知：

其中，Z為高度無量綱形式，A1=0.42。

Z=(Z-Z0)/b0

最終得：

由ω*=Γ*得：

(2)

dZ/dt*=ω*

(3)

由式(2)和式(3)可得：

(4)

這樣，當給定ε*和N*后，由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)就可確定Z及dΓ*/dt*的值。

以B747的尾流消散為例進行模擬計算，取大氣層化效應值3個，包含兩個極值和一個典型值，大氣紊流度取值3個，按強度排列取典型值如表1、表2所示。

表1 大氣層化效應典型值

表2 大氣紊亂度典型值

當尾流的強度降到約70 m2/s，其強度接近于自然空氣的亂流顛簸強度，可以認為其已經融入大氣。在這樣的前提下，對于B747，取Γ0=545 m2/s時尾流的生命周期在強消散條件下約60 s，在弱消散條件下約180 s，正常條件下約1 000 s。

2 尾流間隔動態縮減技術

對于縮減尾流間隔，眾多國內外學者都將方向集中在了動態尾流間隔方面。動態尾流間隔主要是通過對前機產生的尾流進行位置與強度的預測，使后機遭遇尾流的風險值控制在可控的范圍內，從而進行尾流間隔縮減，提高機場容量。

2.1 尾流告警系統

尾流告警系統(Wirbelschleppen-Warn System,WVWS)是由DFS在20世紀90年代初為法蘭克福機場開發的系統[16]。限制該機場容量的一個主要因素是兩條跑道上飛機的尾流間隔，因此研發了尾流告警系統以解決該問題。

WVWS的任務是模擬飛機接近跑道時在大氣邊界層產生的尾流傳播，并預測在側風影響下的尾流傳輸。這種預測的尾流傳輸用于確定兩條跑道的接近風險，并在此基礎上，為管制員提供適當的進近程序。

WVWS 用數學方法對機場上空的風進行統計和預測。在法蘭克福機場，測量風的裝置由10個桅桿組成，如圖2所示。超聲波風速計安裝在地面以上約15 m處，用于測量風速矢量，采樣頻率為25 Hz。風預測算法的開發是基于Tetzlaff和Franke所做的工作[17]，首先確定要應用的預測風類/家族概率分布，然后區間I(t+1)I(t+2)，…，I(t+20)為時間(t+1,t+2，…,t+20)min預測后的步驟。圖3表示風預測的基本步驟。

通過建立回歸模型，預測進近航空器產生尾流的擴散及側向傳輸位置，基于預測模型，確定危險時間；根據危險時間計算最大尾流渦運輸距離WSTR：

WSTR=Sign[Uq]WLD(|Uq|+|Ue|)

當WLD≤WLDc

WSTR=Sign[Uq]WLDc(|Uq|+|Ue|)

當WLD>WLDc

式中：Uq是考慮尾流核心平均高度的平均側風速度的區間界限；Ue是平均尾流自傳速度；WLD是尾流壽命；WLDc為171 s為渦核可能產生威脅的最大壽命,此時渦核具有臨界強度(切向速度4 m/s)。

最后，根據WSTR值，從以下3種備選的進近程序中選擇一個最佳方案。

1) 若|WSTR|小于臨界值Lc，兩條跑道獨立運行，兩機間隔縮短為最小雷達間隔。

2) 若WSTR>Lc或METD

3) 若側風大于6 m/s時,所有航空器在下風跑道著陸并遵守雷達間隔。

其中臨界值Lc由式(5)求得，D為相鄰兩跑道的中心線間距，Δy為航空器距跑道中心線的偏移量，x為機身距該機渦核的距離。

Lc=D-2Δy-x

(5)

2.2 航空器尾流間隔系統

航空器尾流間隔系統[18-19](Aircraft Vortex Spacing System,AVOSS)是由NASA提出，目的是整合當前和預測天氣條件下，結合尾流傳輸和衰減的知識以及尾跡渦流傳感器的數據，與可接受的尾流強度進行比較，從而預測動態尾流間隔。該系統于2007年在達拉斯沃思國際機場進行實地驗證，系統主要由天氣子系統、尾流探測子系統、預測子系統、子系統集成和空中交通管理界面組成[20]，如圖4所示。在使用了AVOSS間隔后，相比當前的尾流間隔標準，機場容量平均提升了6%。當AVOSS應用在其他機場實際運行中，能使航班延誤減少15%～40%。

AVOSS系統的核心是預測子系統。該子系統將接受天氣狀態，生成與初始尾流強度相關的飛機特性的矩陣，以及與后機相遇的限制渦流強度的矩陣。利用該數據實時預測飛機矩陣中前后機在尾流約束下的到達間隔。當預測將來20～50 min的天氣條件時，預測算法能提供當時所需的間隔。天氣狀態估計和飛機參數的不確定性也必須考慮，以提供適當保守的間隔預測。空中交通管制系統將利用這些數據和其他限制因素建立前后機安全間隔。

2.3 尾流渦流咨詢系統

尾流渦流咨詢系統 (Wirbelschleppen-Vorhersage-und -Beobachtungs system，WSVBS) 是由DLR設計開發[21-22]。WSVBS可以提高單跑道或者近距平行跑道機場的容量。該系統每10分鐘可以提供下1 h的最小安全間隔時間。在法蘭克福機場進行為期66天的實驗中驗證了該系統的可靠性，并能使機場容量增加3%左右。東京機場增強了12%[23]。其系統構成由圖5所示。

2.4 尾流仿真平臺

WakeScene-D(Wake Vortex Scenarios Simulation Package for Departure)[24-25]是WakeScene的一個擴展，用于進近和著陸階段的尾流間隔預測。該模型模擬了在法蘭克福國際機場，飛機沿著5條標準SID飛行的尾流演化。通過使用軟件工具MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis)選擇仿真中所需的前機(A300-600、A300、A330-300、B747-400、B777-300)和后機(A320、B737-300)。前后機組合按FRA統計數據建模。飛機軌跡模型提供時間、速度、位置、姿態、升力、以及在飛行路徑上的前后機的重量。該系統使用蒙特卡洛模擬了遇到尾流的概率，在有可能遇到尾流的情況下，所有參數提供給VESA以評估飛機遭遇尾流的危險性。其系統結構圖6如下[26]：

2.5 對比分析

上述4種尾流間隔縮減技術對比分析如表3所示，在四種尾流間隔縮減技術僅有AVOSS和WSVBS得到了應用，并分別用于達拉斯機場、法蘭克福機場，WVWS和WakeScene-D 目前處于驗證階段。通過分析可知，AVOSS和WSVBS能夠提升機場容量分別為6%和3%；四種縮減技術皆可以使用在近距平行跑道，能夠有效的解決尾流間隔對相關進近的影響。不過系統的計算時間較長，因此尚未普遍使用，國際通用的尾流間隔仍是ICAO的尾流間隔標準。

表3 系統對比分析

3 結論

對于管制的指揮而言，尾流間隔動態縮減系統可以提供給管制員實時的尾流間隔，從而增大機場容量，緩解目前機場容量接近飽和的情況。尾流間隔縮減技術的研究關鍵是尾流預測和遭遇尾流的安全性評估[28-31]。但由于影響尾流的因素復雜多變，預測模型的準確性往往和時效性相沖突。因此對尾流的研究重心從模型構建轉為探測技術，通過機載探測設備和地基探測設備探測尾流的影響區域，結合遭遇模型提出合理的安全間隔。對于尾流間隔的研究可向以下兩個方面拓展：

1) 增強尾流探測技術，能夠提供實時的尾流數據。

2) 增加對尾流遭遇安全性評估的研究，確保尾流間隔的安全性。