航空器尾流间隔动态缩减技术现状

梁海军，邓文祥，梁延安，左杰俊

(中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院， 四川 广汉 618307)

尾流是指航空器运行引起的对其周围大气的扰动.包括动力装置排气引起的紊流、翼尖涡流等。机场通行能力和运行效率与前后航空器间最小间隔密切相关，而间隔标准受限于空管监视能力和尾流。随着民航运输需求持续增加，有效空域资源日趋紧张，航班延误压力越来越大，机场运行效率亟待提高。目前现行尾流间隔的分类大多是根据经验确定，有较大的改进空间。为了在保证安全的前提下尽可能减少现行尾流间隔，NASA、FAA、EUROCONTROL、荷兰航空研究院(NLR)、德国宇航中心(DLR)等国家学者和研究机构对尾流演化进行了大量研究[1-7]，并建立了尾流间隔动态预测系统[8-10]。本文首先介绍了尾流的产生原因与阶段划分；其次，对尾流的消散机理进行了讨论。最后对各国建立的尾流间隔动态缩减系统进行了介绍与对比分析。

1 尾流的消散机理

1.1 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，直到现在，也没有完全了解尾流的消散机理。尾流的强度衰减通常分为两个阶段：扩散阶段与快速衰减阶段。通过长期的观察，尾流消散类型可以简单分为以下几种[11]：连接消散、迸裂消散和湍流消散。

1) 连接消散。两个相同强度的尾涡连接起来，形成一个新的尾涡。

2) 迸裂消散。尾涡发展到一定时间后，核心半径突然增大，如同迸裂了一样，形成一个较小的尾涡。

3) 湍流消散。尾涡扩散中由于空气粘性作用以及湍流作用，使尾涡消散。

1.2 尾流消散阶段

2011年，Breitsamter C[12]依据尾流的变化特性，重新整理并将其产生及消散过程分为4个阶段，如图1所示。

1) 近区阶段。又称为演化阶段，x/b小于等于0.5，(X/lu

2) 扩展近区阶段。又称为卷起阶段，0.5

3) 中区及远区阶段。又称为稳定及扩散阶段，10

4) 衰减区域。又称为衰减耗散阶段，x/b>100，其中充分发展的不稳定性导致两个涡流之间的强烈相互作用，直至崩溃耗散成大气中的湍流。

1.3 尾流的消散模型

通过对尾流的消散机理研究可知，大气连结不稳定性、侧风、地面效应、层节性等各种因素都对尾流的消散产生影响。侧风会使尾流的侧移加快，更快的扩散到下游区域。在不考虑地面效应和侧风影响的尾流消散模型中，尾流消散只与大气的连结不稳定性、大气紊流性、大气层节性相关。即：

等式右边3项分别表示连结不稳定性，大气紊流性，大气层节性。

(1)

TASS试验数据显示等式右边需要加上一个修正系数，即：

其中γ=0.375。

由hanetal模型[14]可知：

其中c1=0.19。

由于飞机的组件如襟翼、扰流板在飞行时的震动会对大气产生扰动，因此即使外界大气极其平稳时，ε*会大于0，通常取值0.08。即：

从Greene模型[15]可知：

其中，Z为高度无量纲形式，A1=0.42。

Z=(Z-Z0)/b0

最终得：

由ω*=Γ*得：

(2)

dZ/dt*=ω*

(3)

由式(2)和式(3)可得：

(4)

这样，当给定ε*和N*后，由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)就可确定Z及dΓ*/dt*的值。

以B747的尾流消散为例进行模拟计算，取大气层化效应值3个，包含两个极值和一个典型值，大气紊流度取值3个，按强度排列取典型值如表1、表2所示。

表1 大气层化效应典型值

表2 大气紊乱度典型值

当尾流的强度降到约70 m2/s，其强度接近于自然空气的乱流颠簸强度，可以认为其已经融入大气。在这样的前提下，对于B747，取Γ0=545 m2/s时尾流的生命周期在强消散条件下约60 s，在弱消散条件下约180 s，正常条件下约1 000 s。

2 尾流间隔动态缩减技术

对于缩减尾流间隔，众多国内外学者都将方向集中在了动态尾流间隔方面。动态尾流间隔主要是通过对前机产生的尾流进行位置与强度的预测，使后机遭遇尾流的风险值控制在可控的范围内，从而进行尾流间隔缩减，提高机场容量。

2.1 尾流告警系统

尾流告警系统(Wirbelschleppen-Warn System,WVWS)是由DFS在20世纪90年代初为法兰克福机场开发的系统[16]。限制该机场容量的一个主要因素是两条跑道上飞机的尾流间隔，因此研发了尾流告警系统以解决该问题。

WVWS的任务是模拟飞机接近跑道时在大气边界层产生的尾流传播，并预测在侧风影响下的尾流传输。这种预测的尾流传输用于确定两条跑道的接近风险，并在此基础上，为管制员提供适当的进近程序。

WVWS 用数学方法对机场上空的风进行统计和预测。在法兰克福机场，测量风的装置由10个桅杆组成，如图2所示。超声波风速计安装在地面以上约15 m处，用于测量风速矢量，采样频率为25 Hz。风预测算法的开发是基于Tetzlaff和Franke所做的工作[17]，首先确定要应用的预测风类/家族概率分布，然后区间I(t+1)I(t+2)，…，I(t+20)为时间(t+1,t+2，…,t+20)min预测后的步骤。图3表示风预测的基本步骤。

通过建立回归模型，预测进近航空器产生尾流的扩散及侧向传输位置，基于预测模型，确定危险时间；根据危险时间计算最大尾流涡运输距离WSTR：

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

当WLD≤WLDc

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

当WLD>WLDc

式中：Uq是考虑尾流核心平均高度的平均侧风速度的区间界限；Ue是平均尾流自传速度；WLD是尾流寿命；WLDc为171 s为涡核可能产生威胁的最大寿命,此时涡核具有临界强度(切向速度4 m/s)。

最后，根据WSTR值，从以下3种备选的进近程序中选择一个最佳方案。

1) 若|WSTR|小于临界值Lc，两条跑道独立运行，两机间隔缩短为最小雷达间隔。

2) 若WSTR>Lc或METD

3) 若侧风大于6 m/s时,所有航空器在下风跑道着陆并遵守雷达间隔。

其中临界值Lc由式(5)求得，D为相邻两跑道的中心线间距，Δy为航空器距跑道中心线的偏移量，x为机身距该机涡核的距离。

Lc=D-2Δy-x

(5)

2.2 航空器尾流间隔系统

航空器尾流间隔系统[18-19](Aircraft Vortex Spacing System,AVOSS)是由NASA提出，目的是整合当前和预测天气条件下，结合尾流传输和衰减的知识以及尾迹涡流传感器的数据，与可接受的尾流强度进行比较，从而预测动态尾流间隔。该系统于2007年在达拉斯沃思国际机场进行实地验证，系统主要由天气子系统、尾流探测子系统、预测子系统、子系统集成和空中交通管理界面组成[20]，如图4所示。在使用了AVOSS间隔后，相比当前的尾流间隔标准，机场容量平均提升了6%。当AVOSS应用在其他机场实际运行中，能使航班延误减少15%～40%。

AVOSS系统的核心是预测子系统。该子系统将接受天气状态，生成与初始尾流强度相关的飞机特性的矩阵，以及与后机相遇的限制涡流强度的矩阵。利用该数据实时预测飞机矩阵中前后机在尾流约束下的到达间隔。当预测将来20～50 min的天气条件时，预测算法能提供当时所需的间隔。天气状态估计和飞机参数的不确定性也必须考虑，以提供适当保守的间隔预测。空中交通管制系统将利用这些数据和其他限制因素建立前后机安全间隔。

2.3 尾流涡流咨询系统

尾流涡流咨询系统 (Wirbelschleppen-Vorhersage-und -Beobachtungs system，WSVBS) 是由DLR设计开发[21-22]。WSVBS可以提高单跑道或者近距平行跑道机场的容量。该系统每10分钟可以提供下1 h的最小安全间隔时间。在法兰克福机场进行为期66天的实验中验证了该系统的可靠性，并能使机场容量增加3%左右。东京机场增强了12%[23]。其系统构成由图5所示。

2.4 尾流仿真平台

WakeScene-D(Wake Vortex Scenarios Simulation Package for Departure)[24-25]是WakeScene的一个扩展，用于进近和着陆阶段的尾流间隔预测。该模型模拟了在法兰克福国际机场，飞机沿着5条标准SID飞行的尾流演化。通过使用软件工具MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis)选择仿真中所需的前机(A300-600、A300、A330-300、B747-400、B777-300)和后机(A320、B737-300)。前后机组合按FRA统计数据建模。飞机轨迹模型提供时间、速度、位置、姿态、升力、以及在飞行路径上的前后机的重量。该系统使用蒙特卡洛模拟了遇到尾流的概率，在有可能遇到尾流的情况下，所有参数提供给VESA以评估飞机遭遇尾流的危险性。其系统结构图6如下[26]：

2.5 对比分析

上述4种尾流间隔缩减技术对比分析如表3所示，在四种尾流间隔缩减技术仅有AVOSS和WSVBS得到了应用，并分别用于达拉斯机场、法兰克福机场，WVWS和WakeScene-D 目前处于验证阶段。通过分析可知，AVOSS和WSVBS能够提升机场容量分别为6%和3%；四种缩减技术皆可以使用在近距平行跑道，能够有效的解决尾流间隔对相关进近的影响。不过系统的计算时间较长，因此尚未普遍使用，国际通用的尾流间隔仍是ICAO的尾流间隔标准。

表3 系统对比分析

3 结论

对于管制的指挥而言，尾流间隔动态缩减系统可以提供给管制员实时的尾流间隔，从而增大机场容量，缓解目前机场容量接近饱和的情况。尾流间隔缩减技术的研究关键是尾流预测和遭遇尾流的安全性评估[28-31]。但由于影响尾流的因素复杂多变，预测模型的准确性往往和时效性相冲突。因此对尾流的研究重心从模型构建转为探测技术，通过机载探测设备和地基探测设备探测尾流的影响区域，结合遭遇模型提出合理的安全间隔。对于尾流间隔的研究可向以下两个方面拓展：

1) 增强尾流探测技术，能够提供实时的尾流数据。

2) 增加对尾流遭遇安全性评估的研究，确保尾流间隔的安全性。