大型运输机和客机混合空域中的尾流安全评估与所需间隔研究.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:航空科学基金资助项目();中央高校基本科研业务费资助项目()作者简介:李经纬(),男,北京人,硕士,首都经济贸易大学管理工程学院高级工程师,研究方向:安全技术与工程。:移动扫码阅读:李经纬,岳忠,李晓晨,魏志强 大型运输机和客机混合空域中的尾流安全评估与所需间隔研究 华北科技学院学报,():,():大型运输机和客机混合空域中的尾流安全评估与所需间隔研究李经纬,岳 忠,李晓晨,魏志强(首都经济贸易大学 管理工程学院,北京;中国民航大学 空中交通管理学院,天津)摘 要:面对多类型航空器混合运行空域中的尾流安全与间隔问题,综合考虑飞机操纵特性及滚转阻尼等因素,建立了飞机尾涡安全
2、评估模型;对典型机型组合下的多个尾涡遭遇受扰参数极限值进行统计后得到可接受安全指标水平;对混合空域中大型运输机和客机的尾涡形成及消散过程进行分析,并计算混合机型组合下的尾涡遭遇响应特性及所需安全间隔。结果表明:某大型运输机形成的尾涡强度介于 及 飞机之间,但消散速率明显强于民机。采用多个扰动参数可有效评估大型运输机和客机的尾涡遭遇安全性。本文建立的模型可满足未来多用户的混合运行需要,提高空域资源的利用率。关键词:交通安全;混合运行;尾流安全;尾流间隔;多参数评估中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 :;引言尾流是飞机机翼在产生升力时的伴随物
3、,影响到跟随后机的飞行安全。与民航飞机类似,运输机在飞行过程中同样会受到前机尾涡流场的威胁。随着大型运输机和客机混合运行流量的快速增长,尾流是前后机飞行间隔的重要限制因素。国际民航组织和国内外民航管理部门在飞行试验的基础上,从尾流消散、雷达探测、尾流遭遇等方面开展了大量的研究工作。在尾涡流场特性方面,目前主要的研究方法包括基于激光雷达设备的直接探测和基于理论分析的流场快速建模技术。前者的探测成本高,尺度范围小,主要应用于尾涡演化模型的可靠性校正方面;后者基于分离涡演化机理建立尾涡消散模型,包括 模型、模型、模型、模型及 模型等。由于具有计算速度快且灵活性高的优势,流场快速建模技术可嵌入到空管自
4、动化系统中,已应用于国内外尾流间隔的仿真计算。评价航空器遭遇尾涡流场后的响应过程是确定前后机尾涡安全间隔的重要部分。等基于片条理论计算飞机遭遇尾涡流场后的力矩变化,将飞机发生滚转运动的最大滚转角速度作为尾涡遭遇严重度的评价参数。年,等最先提出采用当量滚转角速度 即飞机滚转阻尼力矩与尾涡诱导力矩平衡条件下的当量角速度大小来评估尾涡遭遇严重程度。年,等在终端进近场景中进行多次试验,采用诱导滚转力矩系数来衡量尾涡遭遇严重程度。等计算发现,在终端区尾流安全间隔标准条件下,民用飞机在遭遇前机尾涡后的最大滚转坡度角为,并以此作为确定前后机安全间隔的依据。这些指标参数在评价航空器尾涡遭遇严重度效果方面较为单
5、一,计算复杂性及准确性各有优缺,目前国内外研究者尚未达成共识。在尾流特性及尾流遭遇等方面,国内学者开展相应研究。赵鸿盛和徐肖豪等采用 方法和非结构化网格,对波音 飞机在进近着陆阶段的尾涡流场进行了数值模拟,验证了涡核的迸裂消散、涡对的连接消散和下沉现象。年,赵宁宁等对不同航空器分类方法进行评估,通过统计典型机场气象报文及机型 数据计算和对比尾涡遭遇诱导力矩系数,定量评估不同类别组合下的尾流遭遇严重程度。魏志强等研究了高空尾涡流场演化机理及不同飞行高度处的尾涡遭遇安全性,分析了不同飞行条件及大气参数对高空尾涡危险区域的影响。谷润平等分析了飞机编队飞行时的尾涡遭遇问题,并给出侧风与尾涡横向扩散速度
6、之间的关系,为飞机规避尾涡提供参考。以上研究主要针对民航飞机尾涡流场的形成、消散及尾涡遭遇问题。目前,对运输机的尾涡流场演化特性及运输机和客机混合运行时尾涡遭遇安全性的研究相对较少。且目前国内外相关研究依据经验化的固定滚转坡度角或诱导滚转力矩评估尾涡遭遇严重程度,未考虑飞机的滚转阻尼特性及飞行员操纵品质,单一的受扰参数具有一定局限性。随着我国空域内飞行流量的快速增长,运输机和客机管制协调日益复杂。有必要研究运输机和客机混合运行中的尾涡遭遇安全问题,计算飞机混合运行时所需的安全间隔,从而有助于在确保飞行安全的前提下,有效提高机场和空域的通行效率。文中建立尾涡安全评估模型,研究大型运输飞机的尾流生
7、成、转移、消散过程。提出以飞机遭遇尾涡后的多个扰动参数作为指标参数集来评估尾涡遭遇严重程度,并基于“等效类比”的原则计算不同机型组合的运输机和客机之间保证飞行安全必须满足的最小间隔。研究结果为提高混合飞行安全水平、增加终端空域利用效率提供技术支撑。飞机尾涡安全评估模型 尾涡强度消散模型飞机机翼在产生升力时,上下翼面的压强差会导致在两个机翼处形成反向旋转的涡流。根据库塔儒可夫斯基圆柱绕流气动定理,尾涡初始环量的计算公式如下:第 期李经纬等:大型运输机和客机混合空域中的尾流安全评估与所需间隔研究()()式中,为尾涡初始环量,反映飞机形成尾涡时初始强度大小;为飞机升力,;为大气密度,;为飞机速度,;
8、为翼尖尾涡初始涡核间距,通常为;为飞机翼展,。尾涡形成后,其强度逐渐消散。随机两阶段消散模型 将尾涡的消散过程分为扩散阶段及快速衰减阶段,为目前应用最为广泛的流场快速计算模型。扩散阶段和快速衰减阶段的尾涡环量计算公式分别如下:()()()()()()()式中,为尾涡半径 的环量均值;为尾涡平均半径;为扩散阶段有效运动粘度;对应于 时尾涡的时间,反映了当时的尾涡结构;为调节()的常数;为快速衰减阶段有效运动黏度,与气象条件有关,包括大气浮力频率及大气湍流;为尾涡快速衰减阶段起始时间,的数值大小与尾涡参考时间 有关,的计算公式如下:()可以看出,飞机的翼展、飞行速度及飞机质量均会影响尾涡进入快速衰
9、减阶段的起始时间。尾涡的消散主要受大气参数及飞机特性参数的影响,使用 模型可以描述不同军民航飞机的尾涡流场演化特性。尾涡遭遇后的动力学参数模型后机进入前机尾涡流场后,在诱导气流作用下,后机机翼的升力变化量计算公式如下:()()()式中,为后机真空速,;()为升力系数变化量;()为翼弦弦长,;为翼弦的展项坐标。沿翼展方向积分并进行无量纲化处理得诱导滚转力矩系数的计算公式为:()()()()式中,为机翼梢根比;为尾涡涡核半径,。在飞机遭遇尾涡后的响应运动过程中,后机所受的合力矩包括尾涡诱导力矩、飞机阻尼力矩及飞行员操纵力矩,飞机滚转角加速度的计算公式为:()()式中,为后机滚转坡度角;为滚转角速度
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