飛機尾流的雷達回波多普勒特性分析

秦佳韻

民航西南地區(qū)空中交通管理局 四川 成都 610202

0 引言

飛行時,飛機機翼對周圍空氣的擾動會形成兩個具有不穩(wěn)定速度的波,此時翼尖處上下表面不同所形成的空氣動力壓力差使得二者發(fā)生旋轉,從而在雙翼間產(chǎn)生了一對呈偶對稱且反向旋轉的渦,這便是飛機尾流。尾流屬于一種強烈的湍流,如果后一架飛機進入前一架飛機的尾流影響區(qū)域,那么很有可能出現(xiàn)一系列極其危險的情況。

出于安全考慮,各個國家和地區(qū)不得不實行由國際民航組織(ICAO)制定的安全飛行間隔標準。但隨著航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展,機場運輸量日益增大,尾流因素導致的飛行安全問題以及機場航班吞吐量的限制日趨嚴重[1]。由于飛機尾流的獨特流體特性,可被雷達、激光雷達等傳感器有效探測,因而飛機尾流的雷達回波多普勒特性日益受到關注:利用雷達進行飛機尾流探測,可以更有效的完成對飛機尾流目標的識別,可在極大程度上保障飛行安全,同時有利于動態(tài)調(diào)整飛機安全間隔,提高機場航班吞吐效率[2]。

1 尾流的旋轉速度模型分析

對于飛機尾流強度,該飛機的三個參數(shù)將起到關鍵作用:飛行重量、飛行速度及機翼形狀。飛行過程中,飛機自身重量對尾流有著決定性的作用[1]。由空氣動力學的升力線理論,可得到飛機尾流的渦距b0和渦環(huán)量Γ0等參數(shù)之間的關系:

其中:s=π/4,M為起飛重量,B為翼展,ρ為大氣密度,V為飛行速度,rc代表渦核半徑。

上述所說的渦環(huán)量Γ0,代表流體速度沿著一條閉曲線的路徑積分,表示點渦的強度,若V為流體速度,ds為沿著閉曲線C的單位向量,則:

用于描述尾流旋轉速度的方法有很多,例如:Rankine模型、Hallock-Burnham模型等,各模型均描述了單渦的切向速度Vθ,它們之間的區(qū)別在于渦核附近區(qū)域尾流旋轉速度的最大值不同,而在渦核外尾流速度十分接近,因此可根據(jù)不同研究需求對不同模型進行使用。

以Rankine模型為例,理論上來說,距離渦核相同距離的點的速度相同,此時渦環(huán)量就是同心圓上個點的速度求和,用V代表尾流的旋轉速度,單渦時空間區(qū)域中的一個點速度則可表示為:

其中:r為空間某點到渦核中心的距離;rc表示渦核半徑,一般取值為渦距b0的0.01～0.1倍,本文中涉及渦核半徑的計算一概取值為渦距的0.05倍[1]。

可以看出,在單渦所處的空間區(qū)域中,某點的旋轉速度隨距渦核的距離不同而改變,由速度與尾流半徑的變化趨勢可以初步得出:在尾流的渦核半徑rc處,其旋轉速度是整個尾流系統(tǒng)的最大值。

2 基于Rankine模型的尾流多普勒速度譜

為便于理論分析,可把尾流單渦看作一個柱狀模型進行研究。由于飛機尾流系統(tǒng)中的粒子直徑一般為微米至毫米量級,所以可忽略重力、自身慣性和粒子間復雜的相互作用對其造成的影響。

假設雷達發(fā)射波垂直入射于尾流軸線,此時采用Rankine模型對尾流回波的多普勒特性進行分析,令尾流的旋轉速度場截面半徑為R=krc,其中k為控制尾流半徑的參數(shù)且k＞1,設入射波與粒子運動方向的夾角為θ,那么單渦時的尾流徑向速度分量為:

其中:θ∈［-π,π］。

為獲得尾流回波的多普勒速度譜,可以先確定其多普勒速度的分布函數(shù),即對于任意v(v＜vmax),單位長度的尾流中多普勒速度大于v的粒子占總粒子數(shù)的百分比,可表示為:

為了得到多普勒速度譜,也就是概率密度函數(shù),可以對該式求導,由于概率密度為非負數(shù),所以在此處的數(shù)據(jù)中再對求導之后的表達式取負值,即可獲得尾流徑向速度譜:

因為飛機尾流的雙渦具有反向偶對稱特性,則尾流的多普勒速度譜為偶對稱函數(shù)。在忽略兩個尾渦之間的相互作用的情況下,多普勒速度譜可表示為:

3 仿真與結果分析

在此理論基礎上,結合尾流粒子模型的旋轉速度譜,可對尾流在單渦模型下的多普勒速度譜進行仿真分析。利用C-5運輸機的相關仿真參數(shù),若將k的取值為2、3、5、8、10時的多普勒速度譜進行擬合,其結果如圖1所示。

圖1 不同k值擬合時的單渦多普勒速度譜

由仿真結果可以直觀看出:飛機尾流的多普勒速度與其概率密度的分布呈偶對稱狀態(tài)。在譜峰左側,譜線高度開始迅速上升,達到多普勒速度分布的峰值;而在譜峰右側,可以看出譜線高度和多普勒速度的三次方成反比這一明顯趨勢,也稱這一現(xiàn)象為飛機尾流雷達回波的多普勒特性。正是根據(jù)這一特點,使得飛機尾流在雷達回波上與大氣湍流進行區(qū)分成為可能,為濕性環(huán)境中的弱尾流探測提供了理論基礎。

4 結論

飛機在飛行過程中,由于不同的飛行任務或者安全因素時常需要爬升或下降高度,有極大可能性會穿越云層或霧區(qū)等濕性大氣環(huán)境。此時在大氣湍流的影響下,飛機尾流變得難以探測。但在發(fā)現(xiàn)了濕性條件下尾流回波的徑向速度譜與多普勒速度存在三次方成反比的關系后,就可依據(jù)這一尾流的多普勒特性,在雷達上對尾流和大氣湍流達到區(qū)分的目的,使復雜濕性環(huán)境中很難被發(fā)現(xiàn)的弱尾流得以被成功探測。日后,這一特性將不僅應用于民用航空業(yè),相信也將在軍事反隱身領域發(fā)揮其獨特作用。