某航空事故下的尾流遭遇與風險分析

田志強，王永虎，葉佑軍

(中國民用航空飛行學院 飛行技術學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

隨著我國民航事業的發展，大型飛機的運行數量逐漸增多，小型民用飛機的種類和數量也在增加，飛機種類的多樣化、多用化已成為明顯的趨勢。飛機數量的增加，其在航路飛行、著陸、進離場時相遇的概率也會提高，這要求飛機之間在航路、進近、著陸、離場上必須保持安全間隔，以防止發生沖突，甚至碰撞。當然，當前飛機的導航設備、電子設備等技術有了很大的提高，為飛機的間隔保留和安全飛行提供了強有力保障，但是，飛機尾流的影響是不容忽視的。飛行過程中產生的尾流對后面的飛機造成巨大的影響，是制約飛機運行數量和安全的重要因素之一。

一般國內對于尾流的分析主要有兩方面：一是圍繞尾流本身的變化特性；二是尾流對后機的影響和預測，并建立飛機之間必要的安全間隔。在尾流研究中，主要圍繞尾流的強度、速度、持續時間以及產生的尾流區進行建模和仿真。其中胡軍運用飛機的滾轉比例系數f來衡量尾渦對后機的影響程度，給出了理論間隔時間為t時的危險遭遇概率值[1]。朱代武建立了尾流強度和速度模型，提出翼尖處尾流最大速度約19m/s，渦旋最大生存時限約2min[2]。在理論方程基礎上，對模型進行網格劃分，利用湍流模型有限元求解，也是尾流研究的熱點和重點，周彬等對尾流二維可視化仿真，從能量的角度分析尾流保守被動參量的演化[3]。徐肖豪等采用大渦數值模擬驗證了渦核崩裂和渦對的連接、下沉現象[4]。溫瑞英等采用RSM湍流模型模擬了近場尾渦特性，得到渦核半徑約為翼展的5%～10%[5]。

國外關于尾流的研究較早，無論是從模型建立和數值分析，還是實驗和模擬數據收集，以及尾流間隔優化都比較深入，其中Proctor等分析了在分切變和湍流等外界條件影響下的尾渦傳播消散情況，建立了初始背景湍流程序[6]。Matayoshi運用尾渦咨詢系統(WVAS)驗證縮小的尾流間隔，并對尾渦遭遇風險評估[7]。

目前，國內對于大型飛機的尾流實驗較少，尾流數據多是通過風洞實驗和機場雷達觀測，為了為尾流研究提供更多的基礎數據，本文將近幾年關于尾流的事故事件進行總結梳理，運用朱代武等人的尾流參數計算模型，結合各方面的仿真數據結果，以2017年1月7日阿拉伯海上空事件為例，進行了數值計算，獲得了尾流相關的數據結果，分析了遭遇尾流的嚴重程度。

1 尾流間隔標準對比

為了防止飛機間尾流相互作用的影響，國內外對此做出了相關的法律規定。國際民航組織(ICAO)、中國民航、美國聯邦航空管理局(FAA)當前使用的尾流間隔標準分別如表1～表3所示。

表1 ICAO雷達尾流間隔

表2 中國民航雷達尾流間隔

表3 FAA尾流間隔標準(NM)

通過對比，可以發現ICAO按照飛行器的重量將其分為重型、中型、輕型三類，我國除此三類外，將體積重量巨大的A380單獨分做一類，FAA則將B757單獨分做一類，使標準的劃分更加具體。對于各類型航空器之間的雷達尾流間隔標準，ICAO和FAA的尾流間隔標準相對一致，而我國的尾流間隔要明顯大一些，比較保守，這制約了空域內飛機運行的數量，影響了我國民航的快速發展。

針對民航的未來發展，FAA提出了新一代尾流間隔標準，如表4所示。該標準是按照機型的重量和翼展進行劃分，將各機型分為六類，使各機型間尾流間隔更加精準，有利于空域大容量的運行，同時，我國可以借鑒相關的資料數據，制定出適合我國的下一代尾流間隔標準。

表4 RECAT尾流間隔分類標準(NM)

*注：表中加粗數字表示某些飛機對間隔增加；有下劃線數字表示某些飛機對間隔減少；MRS表示2.5nm或3nm

2 “吃尾流”事件分析

飛機從離地到機場著陸，整個過程中時刻伴隨著尾流的形成，而形成尾流的強弱與自身重量和速度有著密切的聯系。大型飛機的發展帶來了諸多好處，尤其是A380的運營，但同時飛機也會產生巨大的尾流。梳理近幾年因尾流而造成的航空事件(見表5)，都對飛行造成了嚴重的影響。

表5 尾流相關事件

其中，2001年11月12日美國航空587號班機空難中，A300飛機于起飛后1分鐘在同一條跑道起飛，飛入了由前一班航機所造成的尾流亂波中，飛行員在控制飛機過程中誤操作，最終致使飛機失速墜毀。

2017年1月7日，阿拉伯海上空A380客機在航道FL350飛行，龐巴迪挑戰者604型小型商務飛機在A380下方約1000ft反向飛過，結果A380的強勁尾流導致挑戰者604型飛機失控空中反轉，反轉了有3到5圈，且引擎同時熄火，發生了嚴重的事故。這是由飛機尾流導致的一起飛行安全事故。

實際中，還有許多因尾流而使飛機失去正常操縱的事件，對人對飛機都造成了不同程度的傷害，尾流所形成的危險區及其變化發展嚴重影響著后機的飛行。

3 尾流計算研究

以2017年1月7日事件為例，做出以下分析：

關于尾流間隔標準，ICAO在航空法規中有明確的規定，在進場和離場、起飛和著陸以及航路穿越、交叉情況下，各機型間應該保持尾流間隔。這一事件是在航路上發生的，而在航空法規中沒有明確規定航路上的尾流間隔，因此航空器僅受管制間隔的約束，并要求航空器在規定的高度層上飛行，遵循東單西雙的原則，且相鄰兩高度層間隔為300m，該高度間隔滿足航空器管制間隔標準，而在該事件中，雖然兩航空器的間隔約有300m，但由于尾流影響，造成了重大的事故。

圖1 A380和龐巴迪挑戰者604

A380龐巴迪-挑戰者604最大起飛重量(kg)56000021882翼展(m)79.7514.6最高巡航速度(km/h)1089.36869

*注:表中部分為近似數據

根據ICAO分類標準，A380由于其龐大的體型重量屬于重型機，龐巴迪挑戰者604型飛機屬于中型機。兩架飛機的外觀如圖1所示，上面為四發發動機的A380，下面是雙發的龐巴迪飛機。兩架飛機的基本數據如表6所示。

3.1 尾流強度計算

在民用飛機中，尾流主要由螺旋槳飛機螺旋槳旋轉產生的滑流、機翼表面橫向流動氣流產生的紊流、噴氣發動機飛機產生的噴流和翼尖處產生的翼尖渦組成。其中，翼尖渦是尾流的主要部分。在氣流流過機翼過程中，由于翼尖處上下翼面壓差而產生氣流翻轉，此時便會產生翼尖渦，隨著飛機的起飛飛行，便會拖出兩條長長的尾流。對于四發的A380而言，噴氣發動機飛機產生的強大噴流也會融合到向內反轉的尾流中，影響著尾流的變化和發展，但本文分析時，不考慮發動機噴流的作用。

飛機受升力在空中飛行，機翼剖面所受升力的分布情況如圖2所示。

圖2 機翼剖面升力分布情況

為了便于求解，將機翼受力分布近似視為橢圓受力分布，則有初始渦流間距：

(1)

式中，bL為機翼翼展，b′為初始渦流間距。

在巡航階段，飛機做等速、等高的直線飛行，處于平飛狀態，受力情況可近似為圖3所示。

圖3 A380巡航階段受力分布

圖中：P為拉力；D為阻力；W為重力；LL為升力。P=D，W=LL，即升力等于重力。

根據庫塔-茹科夫斯基定理[8]，渦流環量Γ是關于升力L、空速V和空氣密度ρ的函數：

L=ρVΓ

(2)

則A380的尾流強度有：

(3)

式中，Γ0為初始環量；LL為升力；VL為空速；b′為初始渦流間距。

從式(3)可以看出，尾流強度生成階段與飛行升力、飛行速度、機翼翼展和空氣密度有關，飛行升力也即飛機重量越大，尾流強度越大；空氣越稀薄，尾流強度越大；機翼翼展越小，飛行速度越小，尾流強度越大。

表7 部分國際標準大氣表

*注：p0=1.225kg/m3

對于A380尾流強度的計算，假定其重量為最大起飛重量，由表6可查到，飛機產生的升力等于重力，在其他條件一定時，此時產生的尾流強度最大，對后面的飛機而言也是最糟糕的。假定飛行速度為最高巡航速度，此時的高度為35000ft，而所對應的標準大氣密度為0.3796kg/m3，查表7計算可得，若飛行高度在表中查不到時，可使用插值法進行求解。飛機翼展見表6。根據方程(3)可計算出飛機的初始尾流強度為762.78m2/s。

3.2 尾流運動

尾流的整個過程依次是產生階段、穩定階段和消散階段。在變化發展中，除了受到自身特性和重力作用外，同時也要受到外界環境的影響，如順逆風、大氣湍流和近地面效應等。本文假定大氣環境是穩定的，尾流僅在重力和自身速度相互作用下飄降變化。

A380尾流的垂直速度分量與后機龐巴迪挑戰者604型飛機的翻滾有著密切的聯系，根據畢奧-薩伐爾定律[9]，由上面所求得的尾流環量，可求出空間一點的誘導速度：

(4)

式中，W為尾渦初始下降速度；a為空間一點與尾渦中心的距離。

當a為b′時，Γ為Γ0，則有

(5)

式中，W0為尾流垂直速度。

則可求出渦對相互誘導下的初始尾流速度，求解W0得到1.94m/s。

一般而言，兩圓柱渦流之間的間隔會越來越小，并會下沉衰減直至消散[10]。飛機尾流會因本身向下的誘導流而下沉，假設高空氣流是穩定的，尾流經歷卷起階段形成的渦流對會在時間t內達到間隔距離b′，則b′間隔所需時間為：

t0=2πb′2Γ0

(6)

求解得到t0為32.32s。

t0是尾流從產生到穩定階段所用的時間，而尾流在航路階段從形成到消亡最長可持續3min，尾流在變化中會產生一個尾流區，形成一個尾流包線，如圖4所示。進入包線內的飛機會因所處的位置不同而產生不同程度的影響。

圖4 飛機形成的尾流區

在本案例中，龐巴迪挑戰者604型飛機反向闖入A380的尾流區，從計算結果可以看出，A380產生的尾流強度是特別大的，而對于龐巴迪挑戰者604型飛機來說，受到了強大的垂直不均勻力，沒有足夠的控制力來緩解突然而來的強大尾流，因此致使飛機反轉了數圈，兩發動機直接失效，造成嚴重的事故征候。

3.3 遭遇尾流程度分析

尾流對后機的影響是不同的，它受飛機所處尾流包線內的位置、前機飛機產生的尾流強度、后機自身的控制能力和外界大氣環境的制約。針對尾流的影響可進行尾流嚴重程度劃分和遭遇尾流程度預測，如圖5所示。

圖5 尾流及其影響程度嚴重性劃分

根據圖5的尾流強度分類和預測，可以將前面提到的事件進行劃分，1994年的匹茲堡空難中飛機只是遭遇了中等程度的尾流，但是卻造成了災難性事故，尾流是誘發事故發生的第一因素。2001年的美國航空587號班機空難中，后機遭受了極端程度的尾流而難以控制，造成了人員的死亡，發生了災難性事故，尾流是主要的因素。2012年9月14日維珍澳洲客機事件，飛機遭到一定程度的尾流，但在機組人員的合理操縱下脫離了危險，屬于事故征候。2017年1月7日阿拉伯海上空事件，龐巴迪挑戰者604型飛機遭遇了嚴重的尾流，且飛機損壞嚴重，但最終安全降落，屬于重大事件。從這些事件中可以看出，飛機所遭遇到的尾流程度大小并不一定會完全影響飛機的操縱性能，造成相對應的事件。在飛機遭遇尾流到飛機最終發生的情況之間，受到外界環境和飛行員的影響，如圖6所示。其中飛行員在熟悉尾流特點的情況下，是可以避免或擺脫尾流影響的。

圖6 遭遇尾流與最終情況示意圖

4 結語

本文首先綜合了典型的尾流相關事件，然后根據2017年1月7日尾流事件，結合飛機的基本數據參數，計算出了航路上A380產生的尾流強度、初始下降速度和時間，并根據尾流對后機的影響進行了總結分析。

在飛機遭遇尾流時，為使飛機返回到正常狀態，除要求飛機搭載靈敏有效的尾流探測裝置外，還要飛行員保持冷靜的意識，掌握避免和改出尾流的技能，增加模擬機尾流遭遇訓練科目。

基于當前國內外的尾流研究，其中尾流應對研究特別是尾流改出程序和尾流緩解裝置的研究，還需建立一整套預防和應對的設施，包括檢測、分析、預測、避開和改出等。