某航空事故下的尾流遭遇与风险分析

田志强，王永虎，叶佑军

(中国民用航空飞行学院 飞行技术学院，四川 广汉 618307)

0 引言

随着我国民航事业的发展，大型飞机的运行数量逐渐增多，小型民用飞机的种类和数量也在增加，飞机种类的多样化、多用化已成为明显的趋势。飞机数量的增加，其在航路飞行、着陆、进离场时相遇的概率也会提高，这要求飞机之间在航路、进近、着陆、离场上必须保持安全间隔，以防止发生冲突，甚至碰撞。当然，当前飞机的导航设备、电子设备等技术有了很大的提高，为飞机的间隔保留和安全飞行提供了强有力保障，但是，飞机尾流的影响是不容忽视的。飞行过程中产生的尾流对后面的飞机造成巨大的影响，是制约飞机运行数量和安全的重要因素之一。

一般国内对于尾流的分析主要有两方面：一是围绕尾流本身的变化特性；二是尾流对后机的影响和预测，并建立飞机之间必要的安全间隔。在尾流研究中，主要围绕尾流的强度、速度、持续时间以及产生的尾流区进行建模和仿真。其中胡军运用飞机的滚转比例系数f来衡量尾涡对后机的影响程度，给出了理论间隔时间为t时的危险遭遇概率值[1]。朱代武建立了尾流强度和速度模型，提出翼尖处尾流最大速度约19m/s，涡旋最大生存时限约2min[2]。在理论方程基础上，对模型进行网格划分，利用湍流模型有限元求解，也是尾流研究的热点和重点，周彬等对尾流二维可视化仿真，从能量的角度分析尾流保守被动参量的演化[3]。徐肖豪等采用大涡数值模拟验证了涡核崩裂和涡对的连接、下沉现象[4]。温瑞英等采用RSM湍流模型模拟了近场尾涡特性，得到涡核半径约为翼展的5%～10%[5]。

国外关于尾流的研究较早，无论是从模型建立和数值分析，还是实验和模拟数据收集，以及尾流间隔优化都比较深入，其中Proctor等分析了在分切变和湍流等外界条件影响下的尾涡传播消散情况，建立了初始背景湍流程序[6]。Matayoshi运用尾涡咨询系统(WVAS)验证缩小的尾流间隔，并对尾涡遭遇风险评估[7]。

目前，国内对于大型飞机的尾流实验较少，尾流数据多是通过风洞实验和机场雷达观测，为了为尾流研究提供更多的基础数据，本文将近几年关于尾流的事故事件进行总结梳理，运用朱代武等人的尾流参数计算模型，结合各方面的仿真数据结果，以2017年1月7日阿拉伯海上空事件为例，进行了数值计算，获得了尾流相关的数据结果，分析了遭遇尾流的严重程度。

1 尾流间隔标准对比

为了防止飞机间尾流相互作用的影响，国内外对此做出了相关的法律规定。国际民航组织(ICAO)、中国民航、美国联邦航空管理局(FAA)当前使用的尾流间隔标准分别如表1～表3所示。

表1 ICAO雷达尾流间隔

表2 中国民航雷达尾流间隔

表3 FAA尾流间隔标准(NM)

通过对比，可以发现ICAO按照飞行器的重量将其分为重型、中型、轻型三类，我国除此三类外，将体积重量巨大的A380单独分做一类，FAA则将B757单独分做一类，使标准的划分更加具体。对于各类型航空器之间的雷达尾流间隔标准，ICAO和FAA的尾流间隔标准相对一致，而我国的尾流间隔要明显大一些，比较保守，这制约了空域内飞机运行的数量，影响了我国民航的快速发展。

针对民航的未来发展，FAA提出了新一代尾流间隔标准，如表4所示。该标准是按照机型的重量和翼展进行划分，将各机型分为六类，使各机型间尾流间隔更加精准，有利于空域大容量的运行，同时，我国可以借鉴相关的资料数据，制定出适合我国的下一代尾流间隔标准。

表4 RECAT尾流间隔分类标准(NM)

*注：表中加粗数字表示某些飞机对间隔增加；有下划线数字表示某些飞机对间隔减少；MRS表示2.5nm或3nm

2 “吃尾流”事件分析

飞机从离地到机场着陆，整个过程中时刻伴随着尾流的形成，而形成尾流的强弱与自身重量和速度有着密切的联系。大型飞机的发展带来了诸多好处，尤其是A380的运营，但同时飞机也会产生巨大的尾流。梳理近几年因尾流而造成的航空事件(见表5)，都对飞行造成了严重的影响。

表5 尾流相关事件

其中，2001年11月12日美国航空587号班机空难中，A300飞机于起飞后1分钟在同一条跑道起飞，飞入了由前一班航机所造成的尾流乱波中，飞行员在控制飞机过程中误操作，最终致使飞机失速坠毁。

2017年1月7日，阿拉伯海上空A380客机在航道FL350飞行，庞巴迪挑战者604型小型商务飞机在A380下方约1000ft反向飞过，结果A380的强劲尾流导致挑战者604型飞机失控空中反转，反转了有3到5圈，且引擎同时熄火，发生了严重的事故。这是由飞机尾流导致的一起飞行安全事故。

实际中，还有许多因尾流而使飞机失去正常操纵的事件，对人对飞机都造成了不同程度的伤害，尾流所形成的危险区及其变化发展严重影响着后机的飞行。

3 尾流计算研究

以2017年1月7日事件为例，做出以下分析：

关于尾流间隔标准，ICAO在航空法规中有明确的规定，在进场和离场、起飞和着陆以及航路穿越、交叉情况下，各机型间应该保持尾流间隔。这一事件是在航路上发生的，而在航空法规中没有明确规定航路上的尾流间隔，因此航空器仅受管制间隔的约束，并要求航空器在规定的高度层上飞行，遵循东单西双的原则，且相邻两高度层间隔为300m，该高度间隔满足航空器管制间隔标准，而在该事件中，虽然两航空器的间隔约有300m，但由于尾流影响，造成了重大的事故。

图1 A380和庞巴迪挑战者604

A380庞巴迪-挑战者604最大起飞重量(kg)56000021882翼展(m)79.7514.6最高巡航速度(km/h)1089.36869

*注:表中部分为近似数据

根据ICAO分类标准，A380由于其庞大的体型重量属于重型机，庞巴迪挑战者604型飞机属于中型机。两架飞机的外观如图1所示，上面为四发发动机的A380，下面是双发的庞巴迪飞机。两架飞机的基本数据如表6所示。

3.1 尾流强度计算

在民用飞机中，尾流主要由螺旋桨飞机螺旋桨旋转产生的滑流、机翼表面横向流动气流产生的紊流、喷气发动机飞机产生的喷流和翼尖处产生的翼尖涡组成。其中，翼尖涡是尾流的主要部分。在气流流过机翼过程中，由于翼尖处上下翼面压差而产生气流翻转，此时便会产生翼尖涡，随着飞机的起飞飞行，便会拖出两条长长的尾流。对于四发的A380而言，喷气发动机飞机产生的强大喷流也会融合到向内反转的尾流中，影响着尾流的变化和发展，但本文分析时，不考虑发动机喷流的作用。

飞机受升力在空中飞行，机翼剖面所受升力的分布情况如图2所示。

图2 机翼剖面升力分布情况

为了便于求解，将机翼受力分布近似视为椭圆受力分布，则有初始涡流间距：

(1)

式中，bL为机翼翼展，b′为初始涡流间距。

在巡航阶段，飞机做等速、等高的直线飞行，处于平飞状态，受力情况可近似为图3所示。

图3 A380巡航阶段受力分布

图中：P为拉力；D为阻力；W为重力；LL为升力。P=D，W=LL，即升力等于重力。

根据库塔-茹科夫斯基定理[8]，涡流环量Γ是关于升力L、空速V和空气密度ρ的函数：

L=ρVΓ

(2)

则A380的尾流强度有：

(3)

式中，Γ0为初始环量；LL为升力；VL为空速；b′为初始涡流间距。

从式(3)可以看出，尾流强度生成阶段与飞行升力、飞行速度、机翼翼展和空气密度有关，飞行升力也即飞机重量越大，尾流强度越大；空气越稀薄，尾流强度越大；机翼翼展越小，飞行速度越小，尾流强度越大。

表7 部分国际标准大气表

*注：p0=1.225kg/m3

对于A380尾流强度的计算，假定其重量为最大起飞重量，由表6可查到，飞机产生的升力等于重力，在其他条件一定时，此时产生的尾流强度最大，对后面的飞机而言也是最糟糕的。假定飞行速度为最高巡航速度，此时的高度为35000ft，而所对应的标准大气密度为0.3796kg/m3，查表7计算可得，若飞行高度在表中查不到时，可使用插值法进行求解。飞机翼展见表6。根据方程(3)可计算出飞机的初始尾流强度为762.78m2/s。

3.2 尾流运动

尾流的整个过程依次是产生阶段、稳定阶段和消散阶段。在变化发展中，除了受到自身特性和重力作用外，同时也要受到外界环境的影响，如顺逆风、大气湍流和近地面效应等。本文假定大气环境是稳定的，尾流仅在重力和自身速度相互作用下飘降变化。

A380尾流的垂直速度分量与后机庞巴迪挑战者604型飞机的翻滚有着密切的联系，根据毕奥-萨伐尔定律[9]，由上面所求得的尾流环量，可求出空间一点的诱导速度：

(4)

式中，W为尾涡初始下降速度；a为空间一点与尾涡中心的距离。

当a为b′时，Γ为Γ0，则有

(5)

式中，W0为尾流垂直速度。

则可求出涡对相互诱导下的初始尾流速度，求解W0得到1.94m/s。

一般而言，两圆柱涡流之间的间隔会越来越小，并会下沉衰减直至消散[10]。飞机尾流会因本身向下的诱导流而下沉，假设高空气流是稳定的，尾流经历卷起阶段形成的涡流对会在时间t内达到间隔距离b′，则b′间隔所需时间为：

t0=2πb′2Γ0

(6)

求解得到t0为32.32s。

t0是尾流从产生到稳定阶段所用的时间，而尾流在航路阶段从形成到消亡最长可持续3min，尾流在变化中会产生一个尾流区，形成一个尾流包线，如图4所示。进入包线内的飞机会因所处的位置不同而产生不同程度的影响。

图4 飞机形成的尾流区

在本案例中，庞巴迪挑战者604型飞机反向闯入A380的尾流区，从计算结果可以看出，A380产生的尾流强度是特别大的，而对于庞巴迪挑战者604型飞机来说，受到了强大的垂直不均匀力，没有足够的控制力来缓解突然而来的强大尾流，因此致使飞机反转了数圈，两发动机直接失效，造成严重的事故征候。

3.3 遭遇尾流程度分析

尾流对后机的影响是不同的，它受飞机所处尾流包线内的位置、前机飞机产生的尾流强度、后机自身的控制能力和外界大气环境的制约。针对尾流的影响可进行尾流严重程度划分和遭遇尾流程度预测，如图5所示。

图5 尾流及其影响程度严重性划分

根据图5的尾流强度分类和预测，可以将前面提到的事件进行划分，1994年的匹兹堡空难中飞机只是遭遇了中等程度的尾流，但是却造成了灾难性事故，尾流是诱发事故发生的第一因素。2001年的美国航空587号班机空难中，后机遭受了极端程度的尾流而难以控制，造成了人员的死亡，发生了灾难性事故，尾流是主要的因素。2012年9月14日维珍澳洲客机事件，飞机遭到一定程度的尾流，但在机组人员的合理操纵下脱离了危险，属于事故征候。2017年1月7日阿拉伯海上空事件，庞巴迪挑战者604型飞机遭遇了严重的尾流，且飞机损坏严重，但最终安全降落，属于重大事件。从这些事件中可以看出，飞机所遭遇到的尾流程度大小并不一定会完全影响飞机的操纵性能，造成相对应的事件。在飞机遭遇尾流到飞机最终发生的情况之间，受到外界环境和飞行员的影响，如图6所示。其中飞行员在熟悉尾流特点的情况下，是可以避免或摆脱尾流影响的。

图6 遭遇尾流与最终情况示意图

4 结语

本文首先综合了典型的尾流相关事件，然后根据2017年1月7日尾流事件，结合飞机的基本数据参数，计算出了航路上A380产生的尾流强度、初始下降速度和时间，并根据尾流对后机的影响进行了总结分析。

在飞机遭遇尾流时，为使飞机返回到正常状态，除要求飞机搭载灵敏有效的尾流探测装置外，还要飞行员保持冷静的意识，掌握避免和改出尾流的技能，增加模拟机尾流遭遇训练科目。

基于当前国内外的尾流研究，其中尾流应对研究特别是尾流改出程序和尾流缓解装置的研究，还需建立一整套预防和应对的设施，包括检测、分析、预测、避开和改出等。