溫瑞英,劉文瀚,王紅勇
(中國民航大學(xué),空中交通管理學(xué)院,天津 300300)
2022年1月,民航局印發(fā)《“十四五”民航綠色發(fā)展專項規(guī)劃》,明確了到2025年中國民航碳排放強度持續(xù)下降的發(fā)展目標(biāo),這為我國民航綠色發(fā)展提出了新的要求。研究表明,我國民航飛機油耗和污染物排放呈上升趨勢,預(yù)計2040年油耗達(dá)到峰值11826萬t[1]。為實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),實施編隊飛行是一種有效的措施。編隊飛行[2]時,后機利用前機尾渦的上洗氣流,增大升力,減小阻力,從而節(jié)約燃油,達(dá)到節(jié)能減排的目的。
20世紀(jì)90年代開始,國外開始進行密集飛行編隊研究。Hartje 等[3-4]使用GPOPS 對編隊航線進行優(yōu)化,計算多機編隊時飛機的集結(jié)點和分離點,并用算例驗證編隊飛行的節(jié)油效果。2021年,空客公司使用兩架A350 飛機進行縱向距離3000 m 的編隊飛行試驗,將全程耗油量減少了5%。國內(nèi),谷潤平等[5]使用誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)和多目標(biāo)評估模型優(yōu)化分析了編隊飛行中的最佳編隊位置。Hu 等[6]通過選取航班對并假設(shè)不同燃油流量減少率百分比,優(yōu)化編隊飛行計劃軌跡,分析不同參數(shù)影響下的油耗優(yōu)化效果。上述文獻對編隊路徑規(guī)劃進行了研究,但對編隊飛行中后機的安全性和最優(yōu)位置考慮不足。
為確保后機安全,要對前機尾渦流場進行研究。在尾渦流場方面,Holzaepfel 等[7]考慮風(fēng)、湍流等影響,提出與激光雷達(dá)探測結(jié)果吻合度較高的隨機兩階段消散模型。谷潤平等[8]使用滾轉(zhuǎn)角速度計算模型評估了尾流的危險區(qū)。盧飛等[9-10]以配對進近過程中前機尾渦流場特性和后機遭遇尾流的響應(yīng)機制為基礎(chǔ),分析了側(cè)向碰撞風(fēng)險。魏志強等[11-12]研究了民用飛機的尾渦消散機理,并在不同側(cè)風(fēng)影響下分析了尾渦衰減、渦核速度等參數(shù)的變化規(guī)律;分析飛機尾渦流場特性,評估高空尾渦的安全性,進行縮短尾流間隔的相關(guān)研究。潘衛(wèi)軍等[13]使用滾轉(zhuǎn)力矩模型,分析ARJ21飛機遭遇尾流的安全性和響應(yīng)機制。上述研究主要側(cè)重于尾渦流場特性分析,并對前、后機的縱向距離進行了大量研究,但對兩機之間橫向距離和整體危險區(qū)域的研究較少。
本文通過計算后機的誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù),兼顧橫向和縱向距離,分析滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨兩機間距離變化的關(guān)系。設(shè)定安全閾值,得出前機尾渦的危險區(qū)域,以期保證在編隊飛行中后機的運行安全。并在危險區(qū)域研究的基礎(chǔ)上,對不同位置處后機的燃油流量減少率進行計算,得出編隊飛行時后機的最優(yōu)位置。
飛機在空中飛行時,位于翼尖處的氣流會從下翼面繞到上翼面,形成兩個反方向旋轉(zhuǎn)的渦流。受相互之間誘導(dǎo)作用、重力、大氣層結(jié)穩(wěn)定性和大氣湍流度等因素影響,尾渦以一定的速度下降并向后運動,強度也在不斷減弱。
1.1.1 尾渦初始強度計算模型
飛機的尾渦強度一般使用環(huán)量來表示,初始尾渦環(huán)量計算公式為
式中:Γ0為前機尾渦初始環(huán)量(m2·s-1);m1為前機質(zhì)量(kg);g為重力加速度(m·s-2);ρ∞為大氣的密度(kg·m-3);v∞為前機飛行的真空速(m·s-1);b0為翼尖尾渦的初始渦核間距,通常取πB1/4,B1為前機的翼展(m)。
1.1.2 隨機兩階段消散模型
隨機兩階段消散模型(Probabilistic Two-Phase Wake Vortex Decay,P2P)將尾渦的消散分為擴散階段和快速衰減階段。該模型使用渦核半徑5~15 m處的平均環(huán)量作為該尾渦的環(huán)量。
擴散階段無因次尾渦環(huán)量為
式中:為渦核半徑5~15 m無量綱尾渦環(huán)量均值(基準(zhǔn)環(huán)量Γ0);R*為無量綱的尾渦平均半徑(基準(zhǔn)長度b0);v1*為擴散階段有效粘度因數(shù);A為調(diào)節(jié)(t*)的常數(shù);t*為無量綱尾渦消散時間,對應(yīng)t*=0 時的無量綱時間(基準(zhǔn)時間t0=),反映此時尾渦的結(jié)構(gòu)。
尾渦消散的第2階段為尾渦快速衰減階段,在此階段環(huán)量迅速減小,無因次計算公式為
式中:T2*為尾渦快速衰減階段起始時間;v*2為快速衰減階段有效粘度因數(shù)。T2*與v*2均與氣象條件有關(guān)。
1.2.1 坐標(biāo)系的建立
將前機看做一個質(zhì)點,以前機為原點;前機的縱軸為x軸,正方向指向前機后方;前機的橫軸為y軸,正方向指向前機右方;前機的豎軸為z軸,正方向指向前機上方,建立坐標(biāo)系如圖1所示。設(shè)前機尾渦左、右渦核的坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)。后機與前機的縱向距離為x0,橫向距離為y0,垂直距離為z0。
圖1 坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system
1.2.2 誘導(dǎo)速度計算模型
根據(jù)Hallock-Burnham 渦模型,前機尾流對空間任一點(x,y,z)產(chǎn)生的水平誘導(dǎo)速度和垂直誘導(dǎo)速度分別為
式中:vy為水平誘導(dǎo)速度(m·s-1);vz為垂直誘導(dǎo)速度(m·s-1);Γ1和Γ2分別為左、右渦尾渦強度;rc為渦核半徑(m)。
1.2.3 后機誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)模型
當(dāng)后機受到前機尾流影響時,氣流會對飛機的上翼面和下翼面產(chǎn)生力的作用,最后形成誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩,從而影響飛機的安全。在氣流的影響下,后機機翼的升力變化為
式中:ΔL為升力變化量(N);vf為后機的真空速(m·s-1);y3為后機左翼坐標(biāo);y4為后機右翼坐標(biāo);vz(y)為尾渦對后機機翼剖面的垂直誘導(dǎo)速度(m·s-1);為升力線斜率;C(y)為翼弦弦長(m)。
將式(5)沿翼展方向進行積分,并無量綱化處理,可以得到誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為
式中:λ為梢根比;B2為后機的翼展(m)。
巡航階段后機的燃油流量與真空速和推力有關(guān),巡航時推力與阻力相等。后機的阻力系數(shù)為
式中:CDm、CDn分別為不受、受到前機尾渦影響下的阻力系數(shù);CD0和CD2為特定常數(shù);m2為后機的質(zhì)量(kg);S為后機翼面面積(m2)。
后機燃油流量的減少率為
式中:Δf為燃油流量的減少率。
本文前、后機均以B737-800為例,對編隊飛行中前機尾渦的危險區(qū)域和后機最優(yōu)位置進行研究。
設(shè)后機發(fā)生逆時針滾轉(zhuǎn)時,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為正。圖2給出了飛行高度為12000 m、馬赫數(shù)為0.78時,后機誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨縱向距離和橫向距離的變化關(guān)系。
圖2 CR 與縱向距離和橫向距離的關(guān)系圖Fig.2 Diagram of CR relative to longitudinal and transverse distances
2.1.1 橫向距離對誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的影響
圖3表示在縱向距離3000 m,不同橫向距離處,氣流產(chǎn)生的垂直誘導(dǎo)速度情況,以向下的誘導(dǎo)速度為正,粗實線代表后機,實心圓代表左右渦核。圖4表示縱向距離為3000 m時,不同高度和速度情況下誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨橫向距離的變化規(guī)律。
圖3 不同橫向距離氣流的垂直誘導(dǎo)速度Fig.3 Vertical induced velocity of airflow at different transverse distances
當(dāng)后機與前機的橫向距離為0 時,如圖3(a)和圖4中a 所示,兩渦上、下洗氣流對后機左、右機翼的垂直誘導(dǎo)速度大小相同,后機不會發(fā)生滾轉(zhuǎn)。
隨著橫向距離增加,如圖3(b)和圖4中b所示,左渦的下洗氣流對后機機翼的垂直誘導(dǎo)速度從左到右逐漸減小。右渦的上洗氣流對后機右翼的垂直誘導(dǎo)速度增大,下洗氣流對后機右翼的垂直誘導(dǎo)速度減小,對左翼的垂直誘導(dǎo)速度增大。此時后機有發(fā)生逆時針滾轉(zhuǎn)的趨勢,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)不斷增加。
當(dāng)后機位于右渦渦核附近時,受到氣流影響如圖3(c)和圖4中c 所示。此時后機的誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)達(dá)到最大值。
圖4 不同高度和速度下CR 與橫向距離的關(guān)系Fig.4 Diagram of CR relative to transverse distances at different flight altitudes and speeds
橫向距離繼續(xù)增加,如圖3(d)和圖4中d 所示。左渦下洗氣流對后機機翼的垂直誘導(dǎo)速度從左到右逐漸減小,右渦上洗氣流對后機左翼的垂直誘導(dǎo)速度增大、對右翼的垂直誘導(dǎo)速度減小,下洗氣流對后機左翼的垂直誘導(dǎo)速度減小。此時后機有發(fā)生順時針滾轉(zhuǎn)的趨勢,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為負(fù)。隨著橫向距離的繼續(xù)增加,尾渦對后機的影響減小,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)無限趨向于0。
由圖4可知,飛行高度越高,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)峰值越高,后機需要更大的橫向距離保證安全。飛行速度越大,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)峰值越低,后機在較小的橫向距離下即可保證安全。
2.1.2 縱向距離對誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的影響
后機位于渦核中心時,不同高度和速度情況下誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨縱向距離的變化關(guān)系如圖5所示。可以看出,隨著縱向距離的增加,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)先緩慢減小,后快速減小,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的轉(zhuǎn)折點與尾渦消散過程的T2時刻相對應(yīng),在T2之前對應(yīng)擴散階段,T2之后對應(yīng)快速衰減階段。
圖5 不同高度和速度下CR 與縱向距離的關(guān)系Fig.5 Diagram of CR relative to longitudinal distances at different flight altitudes and speeds
飛行速度相同時,T2時刻之前,隨著飛行高度的增加,后機的最大誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)增大;隨著縱向距離的增大,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)減小的越快,且先達(dá)到誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的轉(zhuǎn)折點,之后力矩系數(shù)迅速減小,最先減小為0。如飛行馬赫數(shù)為0.78時,飛行高度12000 m、縱向距離3000 m 處誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.039,當(dāng)縱向距離為26 km 時,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0,后機不再受前機的影響;飛行高度為11000 m、縱向距離3000 m處誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.034,當(dāng)縱向距離為32 km 時,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0,后機不再受前機的影響。這是因為高度越高,尾渦初始強度越強,越早進入快速衰減階段,尾渦的消散速率越快。
飛行高度相同時,T2時刻之前,隨著飛行速度的增加,后機的最大誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)減??;隨著縱向距離的增大,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)減小的越慢,較晚到達(dá)誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的轉(zhuǎn)折點,最后減為0。如飛行高度12000 m 時,飛行馬赫數(shù)為0.69、縱向距離3000 m 處誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.049,當(dāng)縱向距離為21 km時,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0,后機不再受前機的影響;飛行馬赫數(shù)為0.78 時,縱向距離3000 m 處誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.039,當(dāng)縱向距離為26 km時,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0,后機不再受前機的影響。這是因為速度越大,尾渦初始強度越小,越晚進入快速消散階段,尾渦消散的速率越慢,其對后方的影響距離越長。
飛行高度12000 m、馬赫數(shù)0.78、縱向距離3000 m時,后機誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨垂直距離和橫向距離的變化關(guān)系如圖6所示。根據(jù)研究[14],飛機僅使用副翼的滾轉(zhuǎn)控制權(quán)限最大值為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)0.05~0.07,預(yù)留一定的安全裕度,取安全閾值為0.03[5],生成以此為邊界的危險區(qū)域,如圖6中虛線矩形。飛行高度12000 m,馬赫數(shù)0.78時,前機尾渦的危險區(qū)域如圖7所示。隨著縱向距離的增加,矩形危險區(qū)域高度下降并且向中間收縮直到消失。這是由于前機渦核的下沉運動使得危險區(qū)域的中心不斷下降;尾渦強度不斷減小,后機受到的誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)不斷減小,危險區(qū)域不斷減小。
圖6 CR 與垂直距離和橫向距離的關(guān)系Fig.6 Diagram of CR relative to vertical and transverse distances
圖7 前機尾渦危險區(qū)域Fig.7 Hazard area of lead aircraft wake vortex
2.2.1 縱向距離對危險區(qū)域上下邊界的影響
不同高度和速度下,前機尾渦危險區(qū)域上下邊界隨縱向距離的變化關(guān)系如圖8所示。飛行高度為9000 m 時,最大誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)未達(dá)到0.03,此時無危險區(qū)域。隨著縱向距離的增加,危險區(qū)域的上下邊界間距離先緩慢減小、后快速減小,這是由于尾流進入快速衰減階段,尾渦強度快速減小,后機不需要太大的垂直距離即可保持安全。
圖8 不同高度和速度下,危險區(qū)域上下邊界與縱向距離的關(guān)系Fig.8 Relationship between upper and lower boundaries of hazard area and longitudinal distance at different heights and speeds
高度越高、飛行速度越小,危險區(qū)域高度下降越快,這是由于高度越高、飛行速度越小,渦核的下沉速度越大。飛行高度越高、速度越小,危險區(qū)域上下邊界間距離越大。為保證編隊飛行中后機的安全,需要更大的橫向距離或者垂直距離。
2.2.2 縱向距離對危險區(qū)域左右邊界的影響
不同高度和速度下,危險區(qū)域左右邊界隨縱向距離的變化關(guān)系如圖9所示。危險區(qū)域左右邊界的距離隨著縱向距離的增加先緩慢減小,后快速減小。這個變化與尾渦的消散過程相一致,快速減小是由于尾渦進入快速消散階段,尾渦強度快速減小。
圖9 不同高度和速度下危險區(qū)域左右邊界與縱向距離的關(guān)系Fig.9 Relationship between left and right boundaries of hazard area and longitudinal distance at different heights and speeds
高度越高,危險區(qū)域左右邊界的距離越大。隨著縱向距離的增加,危險區(qū)域左右邊界的距離逐漸減小。速度越大,危險區(qū)域左右邊界的距離越小;危險區(qū)域消失時所需的縱向距離越大。
2.2.3 風(fēng)對危險區(qū)域的影響
高空風(fēng)對尾流的消散和運動過程有著顯著影響,主要包括順、頂風(fēng)和側(cè)風(fēng)方面。取平流層風(fēng)速為10 m·s-1和20 m·s-1。飛行高度12000 m、馬赫數(shù)0.78時,不同風(fēng)速的左側(cè)風(fēng)對前機尾渦危險區(qū)域的影響如圖10所示。在左側(cè)風(fēng)的影響下,危險區(qū)域隨著縱向距離的增加不斷右移,風(fēng)速越大,危險區(qū)域的偏移量越大;危險區(qū)域消失時的縱向距離基本不變。在10 m·s-1側(cè)風(fēng)的影響下,危險區(qū)域消失時偏移了600 m;20 m·s-1側(cè)風(fēng)影響下的偏移量是10 m·s-1情況下的2倍。這是由于渦核在左側(cè)風(fēng)的影響下,不斷右移的原因。在飛行過程中遭遇右側(cè)風(fēng)與遭遇左側(cè)風(fēng)造成的影響剛好相反。
圖10 左側(cè)風(fēng)對危險區(qū)域的影響Fig.10 Effect of wind from left on hazard area
飛行高度12000 m、馬赫數(shù)0.78時,相同風(fēng)速的順、頂風(fēng)對前機尾渦危險區(qū)域的影響如圖11所示。在頂風(fēng)的影響下,危險區(qū)域的縱向距離縮小,對危險區(qū)域左、右邊界的距離沒有顯著影響。這是因為,本質(zhì)上尾流的消散情況取決于時間,時間與前機的速度相乘便得到了前、后機所需要的縱向間隔。頂風(fēng)飛行時,相同時間內(nèi),前機飛行的距離短,此時危險區(qū)域的縱向距離比較短,順風(fēng)飛行與之相反。
圖11 順風(fēng)和頂風(fēng)對危險區(qū)域的影響Fig.11 Effects of downwind and headwind on danger zone
飛行高度12000 m、馬赫數(shù)0.78時,后機燃油流量減少率隨前后機之間縱向距離和橫向距離的變化關(guān)系如圖12所示。
圖12 Δf 與縱向距離和橫向距離的關(guān)系Fig.12 Diagram of Δf relative to longitudinal and transverse distances
不同飛行高度和速度下,縱向距離3000 m處,后機燃油流量減少率隨前、后機之間橫向距離變化的關(guān)系如圖13所示。當(dāng)橫向距離為0時,燃油流量減小率為負(fù);隨著橫向距離增加,燃油流量減少率先增加后減少最后趨向于0。飛行速度越小,高度越高,燃油流量減小率的峰值越高,即此時的省油效果越好。
圖13 不同高度和速度下Δf 與橫向距離的關(guān)系Fig.13 Diagram of Δf relative to transverse distances at different flight altitudes and speeds
不同高度和速度下,橫向距離30 m處,后機燃油流量減少率隨前、后機之間縱向距離變化的關(guān)系如圖14所示。可以看出,后機燃油流量減少率隨縱向距離的增加而減少。同時后機燃油流量減少率與尾渦強度的變化有關(guān);在T2時刻之前,后機燃油流量減少率緩慢減少;T2時刻之后,后機燃油流量減少率快速減少。飛行高度越高、速度越小,T2時刻之前,后機燃油流量減小率越大,隨縱向距離增加其減小速度越快,并越早減為0。
圖14 不同高度和速度下Δf 與縱向距離的關(guān)系Fig.14 Diagram of Δf relative to longitudinal distances at different flight altitudes and speeds
不同高度和速度下,縱向距離3000 m時,編隊飛行后機的最優(yōu)位置如表1所示??梢钥闯觯煌w行高度和速度情況下,前、后機之間最優(yōu)橫向距離相同。飛行高度越高、速度越小,前、后機之間的垂直距離越大。由于后機與前機渦核在同一高度上時,尾渦氣流只產(chǎn)生垂直誘導(dǎo)速度,后機燃油流量減少率才能達(dá)到該縱向距離處的最大值,因此前、后機之間的垂直距離與渦核下沉距離有關(guān),渦核下沉速度越快,該縱向距離處前、后機之間的垂直距離越大。
表1 縱向距離3000 m處不同高度和速度下編隊飛行后機最優(yōu)位置Table 1 Optimal position of trailing aircraft in formation flight at different altitudes and speeds at a longitudinal distance of 3000 meters
飛行高度12000 m、馬赫數(shù)0.78、縱向距離3000 m時,不同風(fēng)影響下的編隊飛行后機的最優(yōu)位置如表2所示。在側(cè)風(fēng)的影響下,前、后機之間的橫向距離增加,其他均不發(fā)生變化;在順風(fēng)的影響下,前、后機之間的最大燃油流量減少率增加,橫向距離不變,垂直距離減?。豁旓L(fēng)的影響與之相反,最大燃油流量減少率減少,垂直距離增加。
表2 縱向距離3000 m處不同風(fēng)影響下編隊飛行后機最優(yōu)位置Table 2 Optimal position of trailing aircraft in formation flight under different wind influence at a longitudinal distance of 3000 meters
本文使用P2P 模型、H-B 渦模型和誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)模型,兼顧前、后機之間的橫向和縱向距離,對后機受到的誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)進行刻畫,分析后機誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的演變規(guī)律。根據(jù)安全閾值,計算前機尾渦危險區(qū)域,研究飛行高度、速度和風(fēng)對危險區(qū)域的影響。并在此基礎(chǔ)上對后機燃油流量減少率進行計算,得到不同情況下編隊飛行后機最優(yōu)位置。
研究結(jié)果表明:在高空中,后機誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨著橫向距離的增加,先增加,后減小,再增加,最后無限趨近于0;隨著縱向距離的增加,先緩慢減小再快速減小。高度越高、速度越小,誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的峰值越高,減小的越快;前機危險區(qū)域受到飛行高度和速度的影響,高度越高、速度越小,初始危險區(qū)域越大;隨縱向距離的增加,危險區(qū)域左右邊界的距離不斷減小,危險區(qū)域不斷下降。側(cè)風(fēng)會使危險區(qū)域發(fā)生側(cè)向偏離,頂風(fēng)使危險區(qū)域的縱向距離減小,順風(fēng)使危險區(qū)域的縱向距離增加。飛行高度12000 m、馬赫數(shù)為0.78、縱向距離3000 m 時,后機最優(yōu)位置為前后機之間橫向距離30 m 或-30 m,垂直距離29 m。側(cè)風(fēng)影響下,最優(yōu)位置的橫向距離會增加;順風(fēng)影響下,最大燃油流量減少率增加,最優(yōu)橫向距離不變,垂直距離減少;頂風(fēng)與之相反。