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低空风切变对飞行的影响
学生:
张健指导教师:
段炼
摘要
本文分析了低空风切变产生的条件以及对飞行的危害性尤其对飞机着陆时的危害性。
从飞行员的角度对防范低空风切变做了定性的研究,在预防和探测上进行了论述,并提出几点建议.
关键词:
风切变飞行安全探测
TheinfluencetoflightofLowaltitudewindshear
Abstract:
Thistextanalyzestheconditionoflowaltitudewindshear,andtheharmtoairplane,andparticularlytothelandingofairplane.Thetextdoessomequalitativestudyaboutpreventingagainstthelowaltitudewindshearfromthepilots’standpoint,anddiscussesabouthowtopreventitanddetectit,andgivessomesuggestionsaboutit.
Keyword:
WindShearFlightSafetydetect
引言
随着航空事业的发展,大型运输机的不断增多.起飞着陆时发生的事故也有所增加。
人们对这些事故分析后确认:
低空风切变是这些失事飞机的主要原因。
强的低空风切变对低空飞行安全有很大影响。
尤其当飞机起降时,飞机速度小、高度低,风向风速的突变对低空飞行安全影响更大。
容易造成严重事故。
由于风切变现象具有时间短、尺度小、强度大的特点,从而带来了探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列困难,是一个不易解决的航空气象难题。
因此,目前对付风切变得最好办法就是避开它.因为某些强风切变是现有飞机的性能所不能抗拒的。
进行针对风切变的飞行员培训和飞行操作程序设置,在机场安装风切变探测和报警系统,以及机载风切变探测、告警、回避系统,都是目前减轻和避免风切变危害的主要途径。
一.低空风切变的定义和表现形式
风切变(WINDSHEAR)指空间两点间单位距离的风矢量差.表示风的空间变率。
根飞机相对与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4种表现形式:
1)顺风切变(TAILWINDSHEAR)
指的是水平风的变量对飞机来说是顺风。
顺风切变使飞机空速减小,升力降低。
飞机下沉,这是一中比较危险的风切变形式。
2)逆风切变(HEADWINDSHAEAR)
指的是水平风的变量对飞机来说的逆风。
逆风切变使飞机空速突然增大,升力突然增大。
飞机抬升,危害相对轻些。
3)侧风切变(CROSSWINDSHAEAR)
指的是飞机从一种侧风或无风状态进入另一种明显不同侧风状态,它有左右之分,使飞机发生侧滑。
滚转或偏转。
4)垂直切变(VERTICALWINDSHEAR)
指的是飞机从无明显的升降气流区进入强烈的升降气流区的情况,特别的强烈的下降气流,往往有很强的猝发性,强度大,使飞机突然下沉,危险很大。
二.低空风切产生的天气背景,尺度及其危害
1)雷暴
雷暴是产生强烈低空风切变的重要天气。
雷暴单体下方的下曳气流在相当宽的范围内可以造成由下击暴流和雷暴外流组成的两种不同的风切变.一种是雷暴单体中心附近下方的下击暴流切变,他表现为范围小,生命期短,强度大的特征.另一种是下击暴流接近地面时转化为强烈的冷空气外流,它向四外传播,沿雷暴单体前进方向伸出15—25km,并使暖湿空气入流抬升形成阵风锋,在雷暴下方大范围内引起180度的风向变化,表现为强顺风切变和强逆风切变.由于其中一部分强风切变区向前伸展远离雷暴主体,不易察觉,对飞行安全威胁很大。
当飞机穿越这类风切变时,先是逆风增大,而后逆风对飞机速度减小至零,并有强的下降气流,紧跟着又是大顺风,这种风切变对飞行危害是最大的,飞机在这一过程中先是空速增大,使飞机有利于获得高,然后空速迅速减小,使飞机迎角减小也造成升力降低,紧跟的大顺风会使风速再次减小,如果空速减到一定程度会使飞机掉高度甚至坠地.
2)锋面
锋面是产生风切变最多的天气系统。
锋面两侧气象要素有很大差异,锋面过渡区的垂直结构,是产生风切变的重要条件。
一般当锋面两侧的温度差大于等于5度,锋面移动速度大于等于15m/s时,都会在锋面附近产生对飞行有影响的低空风切变,其中尤其以冷锋型低空风切变危害较明显,但这种低空风切变一般持续时间较短。
在冷风后的偏北大风区内往往也存在较严重的低空风切变.如1973年在波士顿罗津国际机场一架坠毁的DC—10就与锋面有关,另外冷锋附近会经常形成雷暴,也会产生强的低空风切变,因此我们不能对它忽视。
1994年5月17日08时850hpa空中图上,从50745到53193有一槽线,槽前冷暖平流明显。
14时地面图上,从50745经54026到54115一为锋面,锋面最大△P3为+0.5hpa,前后最大△P3为-3。
1hpa,前后变压差达3。
6hpa,锋面移动较快,20时地面图上到达沈阳平均移动速度60km(附14时和20时地面形势图)。
根据现代运输机航空气象学记载:
锋面移动速>55km/h时,锋面附近都会产生较强风切变,实际情况正是这样。
20时925h高空图上,在沈阳附近有一条明显的切变线,切变线前后为南——西南风,风速10~16m/s.切变线后为NW风,风速4~10m/s,从周围实况情况看,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:
200m为300度3m/s,400m为310度5m/s,600m为320度3m/s,反映在锋面附近有很强的湍流,其表现在风速的阵性上,下午实测400m高空风为310度5m/s,而飞机进入五边后风速突然增大到14m/s,这说明机场上空300~400m高度,存在着较强的湍流.
3)超低空急流
在1500米以下,中心位置常见于120--160米之间的超低空急流常伴随产生低空风切变,最大风切变位于急流轴之下,我国曾观测过到的最低四十七米的超低空风切变。
超低空急流出现时,一定伴有逆温。
正是逆温层阻挡了在其上的大尺度运动与地面之间的动量交换,为逆温层以上动量的累积和储存提供了条件,同时减缓了动量的耗散,利于逆温层上急流的形成和维持。
此时天气晴朗,地面静风。
4)低空逆温层
晴夜,在低空易存在辐射逆温层,并常伴有低空急流,由于稳定的逆温层阻碍了上层大风向下层的传输,使地面风很弱,在逆温层上下形成风的垂直切变。
单纯辐射逆温层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些。
这种风切变存在时往往逆温层,下层风平浪静,而上层狂风大做,飞机穿越逆温层时会造成上升或损失高度,如果逆温层很低,在飞机着陆时,飞行员处置不及时,很容易造成飞机坠地,或冲出跑道。
这种风切变存在时往往逆温层,下层风平浪静,而上层狂风大做,飞机穿越逆温度时会造成上升或损失高度,如果逆温度很低,在飞机着陆时,飞行员处置不及时,很容易造成飞机坠地,或冲出跑道。
此外当机场周围的环境和地形比较复杂时,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,较大水陆界面等,一般山地高差大,水域面积大,机场附近高大建筑物群等,均容易产生风切变,尤其在较强阵风条件下.它出现的高度一般较低,并且通常伴随高度增加而风速减小,飞机在降过程中容易遭遇这种风切变,因在起降过程中飞机高度低,速度小,而我们通常是逆风起落,逆风的减小使飞机空速减小,如果无法使飞机速度加速来应付风对飞机空速的影响,轻则影响目测,重则导致飞机坠地,造成严重后果。
低空风切变的时空尺度特征和对飞行的危害程度
三。
低空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:
Y=1/2Cyρv2S
阻力公式:
X=1/2Cxρv2S
式中ρ-—空气密度[公斤·秒2/米4]V—-飞行速度[米/秒];
Cy-—升力系数;(图7升力随迎角变化图)
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)
(图8垂直风切变对迎角影响)
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.
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:
ny=l/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ny=l/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
=
变化主要取决于空中侧风切变、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。
3.3低空风切变对飞机起降的影响
机场附近出现低空风切变时,飞机下滑着陆或起飞爬升,一旦进入强切变区,飞行操纵就会受到明显影响,严重时甚至可能发生事故。
其所影响的程度,取决于风切变的强度和飞机的高度.下面以顺风切变为例,讨论其对飞机起飞和着陆的影响.
当飞机沿着陆下滑道进入风切变区时(例如从逆风区进入无风区),指示风速减小(减小值等于原逆风风速值),升力也减小(假定迎角不变),从而使飞机不能保持速度而下降,降至正常下滑线以下。
这时,如果风切变层相对于跑道的高度较高,飞行员拉起机头,增大迎角或速度加大油门增速,则有可能从风切变中改出,恢复到正常下滑线,完成着陆。
如果风切变层相对于跑道的高度较低,飞行员加大油门重新获得速度时,推力过大,不能减缓,使机头上仰、下滑角过小,造成着陆速度过大,导致滑跑距离过长,甚至冲出跑道。
如果风切变层相对于跑道的高度更低,原来的逆风速度小时,升力显著下降,飞行员来不及做修正改出,未到跑道就已触地造成事故。
当飞机起飞时,由无风区进入逆风区且随着高度增高,逆风分量增加,飞机起飞的动力性能增强,爬升道偏高,对起飞有利。
事故分析
据不完全统计1970-1985年的16年间,在国际定期和非定期航班飞行及一些任务飞行时到发生了,对起与低空风切变有关的事故在中国也有数起。
如1983年的4月4日一架法国道达尔中国公司的空中国王200型飞机在广州自机场起飞后不到四分钟,就坠毁于机场以西距跑道头1210米处,机上人员全部丧生,事故调查得出这是由于飞机遇到了低空风切变造成的。
很多事故发生前后的气象条件以及对事故飞机的调查得出空中国王200失事的原因是受到低空微下冲气流的冲出,从失事现场找到的两片发动机表明功率正常,转速表指示均为1900转/分速度指示440公里/小时,高度表指示135米,磁罗盘指示航向218度这些都表明飞机失事前正好在做二转弯飞机一方面处于积雨云的后部,在侧风影响下空速迅速减小,另一方面受到下冲气流的冲击爬升不到预定的高度,尽管机组人员采用了大迎角大马力爬升,并用较小的转弯半径想尽快摆脱下冲气流但下冲气流教强而爬称率较小,飞机没有爬升去而且还继续掉高度,到改出二转弯时已掉到了100米,这时再想推机头减小迎角改出,飞机已失去控制在大功率状态下直冲地面坠毁,在这次事故中,飞行员增大迎角大马力爬升是正确的,但不该再压坡度转变,大家知道,飞机带坡度会使飞机的升力系数减小,从而升力减小,所以当遇到这种情况时应加满油门增大迎角未获取高度。
1991年4月25日中国南方航空公司B2801号飞机在昆明机场着陆过程中,因遇到低空风切变,导致飞机重这陆,飞机严重损坏构成三等飞机事故,根据飞行数据记录器所提供的各种参数几绘制的主要参数曲线发现该机一进跑道立即遭遇第一级风切变,在两秒钟内顶风减小,9。
887海里/小时,空速也相应减小9海里/少时。
飞机下沉,机组略加油门并带杆,飞机下跌高度20英尺,由于有一定高度,对飞机未构成危险,在机组克服第一级风切变稍加油门带杆恰恰此时遇到第二级风切变,顶风又加大,4秒钟顶风变量10。
84海里/小时。
空速加大,飞机开始平飘并向上拱。
机组逐渐收回门近慢车位。
试图降低高度,但变化不明显,所以在遇到不稳定定气流飞机向上拱时,仅仅用收油门的办法的不可取的,应保持一定油门如果落地有困难应立即复飞。
四.对低空风切变的识别及预测
4.1.飞行员要加强对风切变的判别
一旦前方出现低空风切变,常有可见征兆:
例如雷暴冷性外流前缘,强劲的气流会把地面的尘土吹起相当的高度,并随气流移动。
它能表示外流气流的范围和高度;雷暴云体下的雨幡是强烈下击暴流的重要征兆,雨幡的形状,颜色,离地高度等都同风切变强度有关。
通常雨幡形体越大,色泽越暗,下垂高度越低,预示着风切变和下击暴流也越强;在雷暴型和强冷锋型风切变中,强的冷性外流往往有明显的涡旋运动结构,并伴有低空滚轴状云。
从远出看,它犹如一堵滚滚而来的弧状云墙,色泽乌黑昏暗,当干燥并伴有沙尘暴时呈褐黄色。
云底一般在几百米以下.这种云的出现.预示有强烈的地面风和低空风切变的来临。
这种方法比较直观,简便,但也有很大的局限性,它只给人们提供粗略的形态特征,缺乏确实的定量概念,只能识别严重的风切变.对于一些无目视征兆的风切变,如逆温层性风切变,它是一种出现在晴好天气的风切变,而且地面风速不大,易使人忽视或造成错觉。
又如强雷暴的远程外流区上下方的风切变,几无征兆,需要由机载或地基仪器设备来检测。
另外飞机的起飞,降落飞行都有预定的相应飞行程序和标准航迹,飞行员比较熟悉所驾驶的飞机在起飞,着陆过程中驾驶舱的各种仪表表示度所应具有的正常变化范围。
飞机一但遇到风切变,有关仪表会出现异常指示。
美国波音公司规定,当仪表指示值突然改变值如下表所示时,即认为可能遭遇强风切变,应中止起飞或不作进近着陆采取复飞等措施。
空速表
指示突然改变28-37km/h
高度表
大幅度偏离正常高度值
升降速度表
短时间改变值达152.4m/min(500ft/min)
俯仰角指示器
突然改变超过5度
要充分利用这些参数判据及时识别严重风切变。
机组密切协作、科学分工,共同严密监视各类仪表并及时通报.
4。
2。
进近中风切变的自我预测
风切变对飞行安全威胁极大,早己众所周知,尤其进近中的风切变对飞行威胁就更大因此空勤组如果能在切变出现前做出比较可信的预测,随之作好处理风切变的预案,无疑对保障飞行安全极为重要。
怎样自我预测呢?
首先对风切变谈一点自己的看法。
对风切变虽然论述诸多,但都笼统的称之风切变恐怕不确切,应称之为切变。
而切变包括风切变和温度切变两类.风切变又可分风速切变和风向切变两种.都会对飞机正常运行轨迹产生剧烈变化,影响飞行安全,只有对于两类三种切变有了明确的认识。
做出可行的预测,采取有效措施才能保证安全。
现在分别对三种情况作一些简要概述.
温度切变主要影响飞机垂直轨迹。
温度切变是指温度的水平和垂直变化的情况。
在接近机场近距离之内,从飞机所在位置到着陆点,除了按温度的垂直递减外,温度的水平变化也很大,就可能会产生温度切变.飞机上的指示与地面的相比,数据差别越大,切变越严重。
例:
当时地面温度为0℃,飞机在900米高度上飞行,(按温度递减每上升100米温度降低0。
65℃,按此衡量外界温度应为一6.5℃)如果飞机在1000米的高度上而距跑道头仅仅10海里的距离出现+6。
5℃或+10℃,那么在飞机下降的进近中会出现明显下沉气流,会消失按正常轨迹飞行的速度。
反之如在1000米高度出现一20℃的温度,在1000米的下降进近中会遇到上升气流,会使试图保持正常轨迹飞行的飞机的速度增加。
温度切变,主要影响飞机的垂直轨迹。
对于试图维持正常轨迹飞行的飞机来说则影响飞机速度,需要油门加以调整.如果遇到强大的下沉气流会使飞机坠地,即使加到最大的复飞推力也无济于事.
再说风切变:
风切变主要影响飞机的横向轨迹。
当然由于乱流也会影响飞机垂直轨迹,以致于速度指示不稳。
风速切变除正顶风或顺风忽大忽小的变化影响飞机垂直轨迹外,对飞机的横向位置影响不大。
侧风的风速的骤变主要使偏流忽大忽小,有较大变化。
由于修正的调正,通过操纵飞机来进行,所以需要一个过程,因比也就影响到飞机的横向位置也就是横向轨迹.
风向切变,严重影响飞机横向位置,使飞机难以对正跑道。
例如:
左侧风10米/秒,突变右侧风15米/秒,在很短的时间内使从正偏流修正为负偏流,因为操纵飞机有一个反应和驾驶过程,难以对正跑道,尤其是在低空飞行对安全不利。
使飞机对正跑道安全降落会造成一定困难.
进近中的风切变自我预测法,就是基于以上实际情况的自我预测法。
一般飞机进近高度为4000英尺或2000英尺,距跑道头10海里左右。
我们取一个一般的高度讲一下。
例如对一个从900米高度距跑道头10海里进近落地的飞机来说怎样预测下降过程中有否切变出现呢?
方法很简单,采用的是比较法。
即利用飞机上的有关仪表指示,也就是飞机上观察到的温度和风向风速的指示,(目前我们飞机一般都具备观察到以上三种要素的条件).把观察到的三个要素与地面报的温度和风向风速的数值作比较,也就是说把在当时飞行的飞机上观察的三要素与ATS或塔台报的当时的真实温度和风向风速作具体比较,从而来判断和预测在下滑过程中有否切变出现。
二者指示不一致,就可能有切变,差数越大越严重。
举例说一下,例如某机场使用36号跑道着陆(向北落地),当时地面报的气象报告是34O/5米的风,温度为+10℃露点为+6℃,能见度大于10公里,可以说天气很好.但当进近的飞机下到1000米时,在这个高度层次上,飞机上指示的风是7O/2O米,温度为—10℃。
按温度递减率推算,机场上空1000米的温度应是+3.5℃,而飞机上实测的比预定低,在进近中可能会出现温度切变和风切变。
具体将会遇到一定强度的上升气流产生,同时也会出现风的切变。
因为飞机指示的风向和地面相差很大的角度,350到70,有80的夹角,而风速20m/s到5m/s有15m/s的变化。
所以,可能会出现切变。
如果有了预测,自己作了预报,我们有了准备,就可以制定出对付切变的飞行预案。
如果空地温度和风的风向风速差别不大,随高度的降低各种数值也变化缓慢,最终和地面报的值渐渐趋于大致相近。
这样可能显不出切
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