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毕业设计论文低空风切变对飞行的影响及对策毕业论文

毕业设计（论文）-低空风切变对飞行的影响及对策【毕业论文】

低空风切变对飞行的影响及对策

摘要：

本文首先介绍了低空风切变的定义、表现形式，通过对事例的分析阐述产生风切变的天气背景。

从飞行动力学的观点入手研究低空风切变对飞行的影响，揭示了风切变危害飞行安全的物理本质。

着重介绍了低空风切变的判别,并从管制指挥的角度对于如何防范低空风切变作了研究，提出了自己的建议，以利于增强航空飞行安全保障能力。

关键词：

风切变；飞行；航空；安全；管制指挥

InfluenceandCountermeasureofLow-levelWindshearinFlight

Student:

QuanzhiyangTutor:

Wangyongzhong

Abstract:

Thispaperintroducesthedefinitionandexpressionoflow-levelwindshear.Theauthorexplicatedtheweatherwhichwouldprocreatelow-levelwindshearbyanalysisingsomeexamples.Afterdiscussingtheinfluenceoflow-levelwindshear,revealitsphysicalessence.TheauthorespeciallydiscussedhowtojudgeandavoiditatATC’sviewpoint.Intheend,theauthorhasgivensomeadvicesonhowtoimprovetheabilityofensuringflyingsafety.

Keywords:

windshear；flight；aviation；safety；trafficcontrol

引言

在航空器起飞和进近着陆过程中，低空风切变对飞行安全的危害极大。

它可以使飞机突然间掉高度，防范不及就会产生及其严重的后果。

比如：

1975年6月24日15时05分（地方时），美国肯尼迪国际机场受到一条弱冷锋影响，沿锋面有雷暴、阵雨。

15时04分美国东方航空公司66号航班进场着陆，在150米高度上遇到大雨。

在120米高度上可以看到着陆灯，飞机在7秒钟内空速由256千米/小时减小到227千米/小时，在100米高度附近，由原来的逆风突然变成下降气流，飞机随即进入微下击暴流的中心，在60米高度上遇到6.7米/秒的下降气流，飞机急剧失速，以致于无法复飞。

15是05分，在离跑道730米处左机翼撞到着陆灯上，飞机继续前冲380米后摔裂，造成机上112人死亡，12人受伤的惨剧。

1983年4月4日，中国南海石油联合服务总公司民航直升机公司空中国王-200型飞机，起飞过程中遇到低空风切变，失速坠地。

2000年6月22日，武汉航空公司运七飞机在武汉王家敦机场进场中遇到雷暴云，受微下击暴流影响坠地失事。

据美国国家运输安全委员会（NTSB）确认，自1975年以来，在美国发的恶性空难中，由50%以上由天气原因造成，而低空风切变所占的比例约为40%，为最高。

另据不完全统计，在1970――1985年16年间，在国际定期和非定期航班飞行以及一些任务飞行过程中，至少发生过28次与风切变有关的飞行事故。

可见低空风切变对于飞行安全的威胁是何等的大，并且由于它具有时间短，尺度小，强度大的特点，被人们称为“隐形杀手”。

为了加深对这一现象及危害的认识，本文就低空风切变的成因和对飞行安全的影响，以及对遭遇风切变的飞机的管制指挥作一些初步的探讨，为确保飞行安全提供一些有利的启示。

风切变的定义及表现形式

风切变的定义

众所周知，风即是指空气的流动，它是一个既有方向又有大小的矢量。

因此我们可以用风场来描述风。

风切变即是指风在空间任意两点之间的矢量差。

所谓的低空风切变就是指发生在600米以下的风的切变。

飞行事故调查学通过研究得出如下结论：

航空器的起飞和进近着陆阶段是事故的高发段，所以低空风切变也就成了在近地面对航空器飞行安全最具威胁的杀手。

由于风的矢量性，故而风向风速二者其一或全部发生了变化就会产生风切变。

而风切变也因为风场的空间结构的不同也表现为以下的三种形式：

垂直风切变、水平风切变、垂直风的切变。

1.2风切变的表现形式

根据飞机相对于风矢量及其变化的各种情况，按航迹可以把风切变分为下列四种表现形式：

顺风切变（Tailwindshear）

飞机从小的顺风区进入大的顺风区或从逆风区进入顺风区以及从大的逆风区进入小的逆风区等情形，它会使飞机空速减小，是一种比较危险的风切变形势。

（如图1a）

变（Headwindshear）图1风切变示意图

指飞机从小的逆风区进入大的逆风区，或从顺风区进入无风区以及从大顺风区进入小顺风区等情形，它使飞机空速增加、升力增大，它比顺风切变相对危害要轻点。

（如图1a）

切变（Verticalwindshear）

指飞机从无明显升降气流区进入强烈升降气流区的情形，特别是强烈的下击暴流，具有猝发性，使飞机突然下沉损失高度，危害最大。

（如图1b）

变（Crosswindshear）

指飞机从一种侧风或无侧风状态，进入另一种明显不同的侧风状态，分为左侧风切变和右侧风切变，它使飞机发生偏航、侧滑、滚转等现象。

侧风切变较大时对飞行安全影响也较大。

（如图1c）

1.3风切变的强度划分

风切变的强度是以单位距离内的风速变化值来表示，例如在1000米内风速改变量为10米/秒，这个水平风切变强度为0.001M/S/M。

垂直切变强度标准

根据国际民航组织所建议采用的水平风垂直切变强度标准，如表1所示，这里用的空气层垂直厚度应取30米。

用于计算的风资料应取2分钟左右的平均值为宜。

一般认为0.11/秒以上的垂直切变就会对喷气运输机带来威胁。

为此国际民航组织对水平风切变随高度变化强度作了规定，分为轻度、中度、强烈和严重四个等级。

（如表1所示）

表1水平风垂直切变强度

数值

风切变

强度（低空）数值标准（米/秒）/30米1/秒（海里/小时）/30米轻度0～2.00～0.070～4中度2.1～4.00.08～0.135～8强烈4.1～6.00.14～0.209～12严重6.00.2012

的水平切变强度标准

这里介绍的是美国在机场的低空风切变报警系统中所采用的报警标准，该系统在机场平面有六个测风站，即中央站和五个分站。

各分站距中央站平均约为3公里左右。

系统规定任意分站与中央站的风向风速向量差达到7.7米/秒以上时即发出报警信号。

所以，上述情况中相当的水平风水平切变值2.6米/秒/30米,可作为能对飞行构成危害的强度标准。

的切变强度标准

垂直风的切变强度，在相同的空间距离内主要是由垂直风本身的大小来决定。

对飞行安全危害最大的是强下降气流。

根据藤田和拜尔斯（1978年）的建议，提出一种称之为下冲气流（亦有译为下击暴流）的数值标准，它从下降气流速度和到达地区的辐散值来确定。

表2列出了下降气流和下冲气流的数值标准。

后来对于下冲气流又分为微下冲气流和宏下冲气流两类。

其中微下冲气流的空间尺度更为小些（小于4千米），下降气流速度更大些，但并没有给出一个具体的强度标准值。

表2下降气流和下冲气流的强度标准

下降气流下冲气流91米高度以上的下降速度小于3.6米/秒大于等于3.6米/秒800米直径内的辐散值小于144/时大于等于144/时

产生风切变的天气背景及时空尺度特征

根据前面提到的，风切变可以简单地理解为局部范围内风矢量的变化。

因此只要空气块在相互之间有相对运动（速度差），就可以形成风切变。

对于这种空气相对运动的型式，人们可以通过天气背景和环境条件来掌握它。

因此有人把这些天气背景和环境条件称之为风切变的源，在大气边界层内一般来说，有以下四种低空风切变源，即：

雷暴、锋面系统、辐射逆温和地形地物。

2.1雷暴（Thunderstorm）

图2雷暴产生的风切变区

雷暴产生风切变的原因

雷暴是产生低空风切变的重要天气。

有关强烈雷暴形成的有利条件包括：

1）深厚而不稳定的气层；2）低层为潮湿空气，有充沛的水气；3）存在一些动力或热力的触发机制，有足够的冲击力。

雷暴单体下放的下曳气流在相当的范围内，可造成由下击暴流和雷暴外流组成的两种不同的风切变。

（如图2）

一种是发生在雷暴单体下面，由下击暴流造成的风切变。

如图3这种风切变的特点示范围小、寿命短、强度大。

飞机在起飞后首先遇到逆风，且其性能增强

（1）；随后相继遇到逆风分量减小

（2）；下沉气流（3）；最后是强烈的顺风（4）。

图中

（2）至（5）全都使飞机性能下降，位置（5）代表刚要撞地前的极端情形。

图3飞机遭遇强下击暴流示意图

在雷雨天气情况下，发生微下击暴流的可能性有60%～70%Gustfront）,在雷暴下大范围内引起180度的风向变化，表现为强顺风切变和强逆风切变。

并且由于有一部分强风切变区远离雷暴主体，不伴随其他天气现象不易察觉，所以往往对飞行安全威胁很大。

暴流引起的飞行事故分析

表3飞机事故与微下击暴流的气象条件

时间标准时5:

23pm2:

57pm3:

05pm4:

11pm4:

12pm12:

59pm2:

12pm机场KanoJFKJFKDenverPhiladhiaTucsonAtlanta班机号BOAC252EA902EA66CO426AL121CO63EA693飞行状态起飞降落降落起飞降落起飞降落伤/亡7/32盘旋12/11215/0106/0返航盘旋微下击暴流直径3.5km

2.2m4.8km

3.0m4.1km

2.5m5.0km

3.1m2.8km

1.8m3.1km

1.9m2.5km

1.5m逆风切变20kt逆风转强顺风11kt逆风转4kt顺风16kt逆风到4kt逆风10kt逆风转50kt顺风65kt逆风

转静风30kt逆风转30kt顺风

2kt逆风到55kt逆风下降气流速度20fps25fps3fps15fps3到5fps60fps距地面高度200ft250ft70ft260ft100ft700ft

起的典型事故分析

2000年6月22日武汉航空公司Y7/B3479号飞机执行恩施―武汉（汉口）航班任务。

13时37分恩施起飞。

因遇雷雨天气，飞机在汉口机场第一次降落不成功，复飞拉升，而后于14时54分失去联系。

16时左右接到报告，该机在武汉市汉阳区永丰乡四台村附近坠毁失事，机组4人，乘客38人全部遇难。

这次武航3479号飞机在汉口机场进近飞行过程中，因绕飞雷雨在低高度、低速度的情况下，遇到了强低空风切变。

据现场物象考察，并结合气象资料初步分析认为，此处是风力最强之地，最大风速达25m/s以上。

（附图4飞机下坠过程）

图4飞机坠毁前40秒高度曲线图

2.2锋面（Front）

锋面产生风切变的原因

锋面是产生风切变的重要天气条件。

锋面两侧的气象条件有很大差异，锋面过渡区的垂直结构，是产生风切变的重要条件。

一般锋面两侧的温差大于等于5摄氏度，锋面移动的速度大于等于15米/秒时，都会在锋面附近产生对飞行有影响的低空风切变。

冷锋经过机场时，低空切变随锋面一起或稍后出现。

因冷锋移动较快所以这种风切变持续时间较短，但冷锋及强冷锋后面风区往往存在严重的低空风切变。

暖锋伴随的低空风切变，由于暖锋移动较慢，它在机场上空持续时间相对较长，也可出现在距风区较远的地方。

生风切变事故经过及天气形势分析

1994年5月17日15时50分（北京时）2121号飞机由温州起飞，预计18时14分到达沈阳桃仙机场。

17时40分与塔台联系，塔台通报地面风300°、4米/秒，指挥由56°向236°方向落地,18时飞机进入五边，边下降边减速，过渡为450～500m放襟翼40°，表速为136海里/小时，此时塔台通报风速增加为9m/s，机组立即增速到140海里/小时，当高度为200m距跑道大约2km时，飞机油门1.46°表速图5飞机遭遇风切变掉高度示意图

140海里/小时，此时飞机颠簸、有响声，表速减到120海里/小时，掉高度100多米，操纵困难，这是距地面有80多米，机长马上判断到低空风切变，高喊“风切变”，立即加大油门，增加速度，油门加到2.0°，表速指示140海里/小时，当距跑道1km飞机才逐渐平稳，马力恢复正常，此时表速为140海里/小时，航向236°，按正常操作于18时14分安全降落于桃仙机场。

由于机长发现及时，判断正确，采取措施得当，避免了一次可能发生的事故。

图5显示了2121号飞机遭遇低空风切变时的掉高度示意图。

根据现代运输机航空气象记载：

锋面移动速度大于55km/小时时，锋面附近会产生较强风切变，实际情况正是这样。

20时,在沈阳附近有一条明显的切变线，切变线前为南-西南风，风速10～16m/s，切变线后为西北风，风速4～10m/s，从周围实际情况看，17时到19时在沈阳附近有明显的切变线，17时沈阳是西风3m/s，18时西北风4m/s，19时为西南风3m/s，从高空风看15时10分沈阳高空风：

200m为300°3m/s，400m为310°5m/s，600m为320°3m/s，这反映在锋面附近有很强的湍流，其表现在风速的阵性上,实测400m高度上风为310°5m/s，而飞机进入五边后突然增大到14m/s，说明在机场300～400米高度上存在较强的湍流。

从地面到高空，在沈阳附近都存在着锋面系统引起的湍流和低空风切变。

2.3辐射逆温层和地形地物

晴夜，伴随低层的辐射逆温，在逆温层顶部常出现低空风切变。

其原因在于逆温层阻挡了上层风的动量下传，使地面风很弱，行成风的垂直切变。

单纯辐射逆温引起的低空风切变的强度较雷暴和锋面引起的风切变弱的多，也比超低空急流引起的风切变稍弱。

这种风切变有很强的规律性，一般秋冬季节比较多。

此外当机场周围的环境比较复杂时，也会产生对飞机的起飞、着陆有影响的低空风切变，如地形波、较大的水陆界面等，一般山地的高差大，水域面积大，机场附近高大建筑物群等易产生风切变，尤其在较强阵风条件下。

2.4各类风切变时空尺度特征

表4各类风切变时空尺度特征

风切变类型空间（水平）尺度时间尺度危害程度微下冲气流＜4千米几分钟至十几分钟大宏下冲气流＞4千米几十分钟大雷暴阵风锋几十千米几小时大冷锋几百千米几十分钟中暖锋几百千米几十分钟中辐射逆温几百米至几千米几小时中地形风切变几百米至几十千米几小时中水陆界面风切变几至几十千米几小时小障碍物风切变几百米至十几千米几分钟至几小时小由表4我们可以看出微下冲气流和宏下冲气流的水平尺度和时间尺度均不大，但因其具有很强的猝发性，而且强度极大，可以使飞机突然下沉，危害极大；雷暴阵风锋具有尺度大，时间长，危害大等特点，在飞行过程中需要特别注意；由锋面引起的风切变，尽管尺度很大，作用的时间也很长，但锋区风切变在整个锋线上的分布是不均匀的，其上可能有更小时空尺度的风切变存在，因而其危害不是很大；辐射逆温产生的风切变的尺度不大，作用时间不长，影响很有限。

至于地形、水陆界面和障碍物风切变。

它们的时空尺度分布有很大的不均匀性，主要与盛行风、地形尺度形状、水域和障碍物的大小有关，对飞行安全的影响不大。

3低空风切变对飞行安全的影响

我们简单地分析一下在风切变条件下，在空中飞行的飞机所受到各种力的情况。

假定飞机开始是顶风飞行的，这时空速、地速和流过机翼表面的气流和产生的升力都是恒定的。

地速等于空速减去顶风分量。

当飞机进入风切变后，如果原有的逆风突然降为零，空速就要降低，降低值与逆风分量变化相同。

这时如果飞机迎角不变，升力也就随之要降低。

升力降低的结果使飞机向不平横诸力的合力方向加速。

当飞机的总重量变化不大时，由于升力不再与总重量平衡，飞机就要掉高度。

显然，这时飞机要保持原有的升力，就必须增大推力，使飞机加速，如果飞机能在一瞬间就加到所需的速度，风切变就不会造成影响，然而问题在于飞机改变速度需要时间，这个时间主要是：

飞行员的反应时间、发动机增加或降低功率的时间、飞行员操纵飞机改变飞行状态增大或减小迎角、保持合适的升降速度等的时间等等。

美国曾计算过某大型喷气飞机在风切变条件下改变空速需用的时间。

假设飞机在风速为36公里/小时10M/S的顶风中飞行，空速为180公里/小时，地速为144公里/小时，突然进入风速为零的区域，空速降低到144公里/小时，在这种情况下，增加地速，使飞机空速恢复到180公里/小时，最少也要176秒钟，而飞机穿过风切变时间只需几秒钟。

如果飞行员不能在这几秒钟之内操纵飞机使其高度不致降低过多以便完成增速的话，飞机就有坠毁的危险。

下面以危害性最大的微下冲气流为例，它是以垂直风切变为主要特征的综合风切变区。

由于在水平方向垂直运动的气流存在很大的速度梯度，也就是说垂直运动的风速会出现突然的加剧，就产生了特别强的下降气流，被称为微下冲气流。

这个强烈的下降气流存在一个有限的区域内，并且与地面撞击后转向与地面平行而变成为水平风，风向以撞击点为圆心四面发散，所以在一个更大一些的区域内，又形成了水平风切变。

如果飞机在起飞和降落阶段进入这个区域，就有可能造成失事。

比如，当飞机着陆时，下滑通道正好通过微下冲气流，那么飞机会突然的非正常下降，偏离原有的下滑轨迹，有可能高度过低造成危险。

当飞机飞出微下冲气流后，又进入了顺风气流，使飞机与气流的相对速度突然降低，由于飞机在着陆过程中本来就在不断减速，我们知道飞机的飞行速度必须大于最小速度才能不失速，突然的减速就很可能使飞机进入失速状态，飞行姿态不可控，而在如此低的高度和速度下，根本不可能留给飞行员空间和时间来恢复控制，从而造成飞行事故。

低空风切变对飞行的影响很复杂，会使空速、迎角发生变化，使飞机升降，并伴随着上仰、下府、左右摇摆。

顺风切变会使空速减小，逆风切变会使空速增加，侧风切变会使飞机产生侧滑和倾斜，垂直风切变会使飞机迎角变化，从而使飞机的升力、阻力、过载和飞行轨迹、飞机姿态发生变化。

下面就从飞行原理方面介绍一下对风切变对飞行的影响。

3.1风切变对飞机性能的影响

图6飞机受力和力矩示意图

在讨论低空风切变对飞机性能影响前先，介绍一些气动力、气动力矩和角的概念。

如图6所示，表示作用在一架飞机上的各种力和力矩的图形。

（升力、阻力、迎角的概念图形）

垂直于相对气流方向的气动力叫做升力，用Y表示。

并行于相对气流方向的气动力叫做阻力，用X表示。

相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角，用α表示

升力公式：

Y1/2Cyρv2S

阻力公式：

X1/2Cxρv2S

式中ρ――空气密度[公斤?

?

秒2/米4]图7升力随迎角变化图

V――飞行速度[米/秒]；

Cy――升力系数；

Cx――阻力系数；

S――机翼面积；

在恒定的空速条件下，前面提到的各种气动力都随迎角的变化而变化，在正常的迎角范围里，在恒定的空速下，作用于飞机上的升力和迎角成正比。

如图7所示在恒定空速条件下，升力是迎角和襟翼偏转的函数。

（如图7）

风切变能够使空速和迎角两者迅速发生变化，从而使气动力发生较大变化。

气动升力是平衡重力的主要成分，升力可以使飞机持久的保持飞行。

所以在定常平衡条件下，当其他力都比不变时，升力的损失也将导致航迹的恶化。

（图7）描述了顺风切变和下降气流切变时航迹恶化的情形。

风切变从两方面是气动升力变化：

1）风速沿航迹变化，对升力产生直接影响，并与空速变化的平方成比例。

2）垂直风切变使迎角发生变化，从而影响升力。

它起初没有影响空速，如图所示（附图8）描述了垂直风切变对迎角的影响。

上升气流的增加使迎角增加，导致气动升力增加。

图8垂直风切变对迎角影响

反之，下降气流的增加使迎角减小，导致气动升力的减小。

风切变使空速或迎角减小，近而使气动升力减小，导致航迹恶化。

风切变使得飞机的气动升力变化，除了会使航迹发生变化外，还会使得飞机的载荷也发生变化。

飞机载荷是指除飞机自身重量之外的其他作用力，（发动机推力和气动力）的总和。

其大小经常用载荷因素（简称过载）即飞机载荷与重力的比值来表示。

由于发动机推力在立轴方向上的分量很小，所以过载就是升力和飞机重力之比。

即：

nyl/w（l为升力，w为重力）。

飞机遇到垂直风切变时，迎角和过载将发生较大变化，如图8所示。

如飞机在巡航过程中，重量较重、速度较大，遇到较强的上升气流会使飞机的升力猛然增大，使得nyl/w过大，可能会超过飞机的最大使用过载，造成飞机局部变形或损坏，对飞行安全构成威胁。

3.2风切变的描述及飞机风速变化方程

风和风切变可用不同的坐标系来描述。

气象学中描述空间风场的完整方法是使用地面直角坐标系，研究风切变对飞行的影响，则采用飞行力学坐标系。

在地面坐标系中风速矢量Vwg可以表示成

（1）

式中为水平风速分量，顺风为正；侧风分量，向左为正；垂直风速分量，下降气流为正。

变化风场特性与时间、地点有关，一般可写成。

（2）

则风的变化表示成:

（3）

等式右边第一项为局地导数项，表示在一个固定地点上风速随时间的变化；右边第二项为相对导数项,表示由于观测地点所看到的风速随时间变化。

相对于飞机飞行速度而言，风场的移动速度要慢得多。

而且在一个固定地点上，风速的变化也较飞机位置的变化慢得多。

在这样的前提下，可以把空间风场视为地点固定，并且风速不随时间变化的所谓“冻结场”。

则由（3）式可知，风的变化只是由飞机位置变化引起的。

若飞机位置变化表示为:

（4）

则飞机位置变化引起的风速变化为:

（5）

式中为风场的梯度矢量，为飞机飞行时的航迹速度矢量。

对于在飞机所在区域内的三维风场，风场的梯度矢量可以表示为：

（6）

飞机飞行时的航迹速度矢量在地坐标系上的分量表达式为:

（7）

式中为飞机相对地面的运动速度，r为飞机的航迹倾角。

则飞机位置变化引起的风速变化矢量形式为

（8）

飞机风速变化方程（8）式中的分别表示飞机上的顺风、侧风和垂直风的变化，其变化主要取决于实际风场的风速梯度即顺风切变、侧风切变和垂直风切变，飞机相对于地面的运动速度和飞机的航迹倾角。

由上式我们可以定性的描述低空风切变对飞行的影响：

在飞机相对于地面的运动速度和飞机的航迹倾角变化不大时，飞机风速变化主要取决于实际风场的风速切变即顺风切变、侧风切变和垂直风切变。

（1）飞机的顺风或者逆风分量的变化主要取决于空间顺风或者逆风切变、飞机相对于地面的运动速度和航迹倾角。

当空间水平风速的垂直切变和水平切变较大时，将直接改变飞机的空速，增加或减少飞机的升力以及改变飞机的航迹，如果不加修正，使飞机在跑道外接地或冲出跑道。

（2）飞机的侧风分量变化主要取决于空间侧风切变、飞机相对于地面的运动速度和航迹倾角。

当空间侧风速的垂直切变和水平切变较大时，飞机在起飞和着陆时，影响飞机对准跑道，如果不加修正，飞机将产生横向偏移，冲出跑道的左侧或者右侧。

（3）飞机的垂直风分量化主要取决于空间的上升气流和下降气流的变化、飞机相对于地面的运动速度和航迹倾角。

当飞机进入上升气流或下降气流时，飞机的空速、升力以及航迹将发生变化，如果风切变严重，飞机在起飞和着陆时，升力变化影响飞机距地面的高度，可能会造成很严重的后果。

4低空风切变的判定的方法

由于低空风切变对飞行安全的影响