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(jiān)視能力和尾流。隨著民航運輸需求持續(xù)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(xiàn)行尾流間隔的分類大多是根據(jù)經(jīng)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(xiàn)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(tài)預測系統(tǒng)[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(tài)縮減系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(fā)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(jù)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(qū)階段。又稱為演化階段，x/b小于等于0.5，(X/lu

2) 擴展近區(qū)階段。又稱為卷起階段，0.5

3) 中區(qū)及遠區(qū)階段。又稱為穩(wěn)定及擴散階段，10

4) 衰減區(qū)域。又稱為衰減耗散階段，x/b>100，其中充分發(fā)展的不穩(wěn)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(wěn)定性、側風、地面效應、層節(jié)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(qū)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(wěn)定性、大氣紊流性、大氣層節(jié)性相關。即：

等式右邊3項分別表示連結不穩(wěn)定性，大氣紊流性，大氣層節(jié)性。

(1)

TASS試驗數(shù)據(jù)顯示等式右邊需要加上一個修正系數(shù)，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(wěn)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(jīng)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(tài)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(tài)尾流間隔方面。動態(tài)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(tǒng)

尾流告警系統(tǒng)(Wirbelschleppen-Warn System,WVWS)是由DFS在20世紀90年代初為法蘭克福機場開發(fā)的系統(tǒng)[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(fā)了尾流告警系統(tǒng)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?shù)倪M近程序。

WVWS 用數(shù)學方法對機場上空的風進行統(tǒng)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(fā)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(qū)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(jù)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(qū)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(jù)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(tǒng)

航空器尾流間隔系統(tǒng)[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(shù)據(jù)，與可接受的尾流強度進行比較，從而預測動態(tài)尾流間隔。該系統(tǒng)于2007年在達拉斯沃思國際機場進行實地驗證，系統(tǒng)主要由天氣子系統(tǒng)、尾流探測子系統(tǒng)、預測子系統(tǒng)、子系統(tǒng)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(tǒng)的核心是預測子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)將接受天氣狀態(tài)，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(shù)據(jù)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(tài)估計和飛機參數(shù)的不確定性也必須考慮，以提供適當保守的間隔預測?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)將利用這些數(shù)據(jù)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(tǒng)

尾流渦流咨詢系統(tǒng) (Wirbelschleppen-Vorhersage-und -Beobachtungs system，WSVBS) 是由DLR設計開發(fā)[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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計數(shù)據(jù)建模。飛機軌跡模型提供時間、速度、位置、姿態(tài)、升力、以及在飛行路徑上的前后機的重量。該系統(tǒng)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(shù)提供給VESA以評估飛機遭遇尾流的危險性。其系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對比分析

3 結論

對于管制的指揮而言，尾流間隔動態(tài)縮減系統(tǒng)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(qū)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(shù)據(jù)。

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。