低空风切变对飞机进近着陆的影响分析
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低空风切变对飞机进近着陆的影响分析摘要:飞机进近着陆阶段是安全飞行的重要环节,低空风切变是引起进近着陆事故的主要原因之一。
本文从其定义以及表现形式入手,综合讨论低空风切变对飞行的影响,并且根据其特点,提出了可行的应对措施。
关键词:航空安全;低空风切变;进近着陆引言进近着陆阶段在整个飞行时间中仅占4%左右,但是在该阶段中飞行员的负担最重,可能遇到的特殊问题最多,是飞行器最容易发生重大事故的阶段[1]。
据统计,从1980年至1996年,全世界共发生重大飞行事故621起,其中,重大进近着陆事故有287起,占46%。
风切变是4%的进近着陆事故的主要原因,是造成重大伤亡事故的第九大原因[2]。
目前虽然科技不断发展,但因为一些小的风切变是探测不到的,或是飞行员对低空风切变认识不够深刻,从而没有及时采取措施,所以低空风切变引发的事故仍然不断发生。
本文主要论述了低空风切变的相关知识,研究分析了四种风切变表现形式对飞机进近着陆的影响,给出几种风切变的判断方法及应对措施,对飞行员的训练和实际飞行有一定的参考价值。
1低空风切变1.1定义及分类风切变,即空间两点距离的风矢量差,是风空间变率的一个特性[3]。
风切变是一个向量值,反映的是所研究的两点之间风速和风向的变化。
对飞行威胁最大的是低空风切变,即发生在600m高度以下的平均风矢量在空间两点之间的差值。
根据风场的空间结构不同,可以把风切变分为三种类型:(1)水平风的垂直切变,在垂直方向上,一定距离内两点之间的风速和风向的改变;(2)水平风的水平切变,在水平方向上两点之间的风向和风速的改变;(3)垂直风的切变,指上升或下降气流在水平方向上两点之间的改变。
1.2低空风切变的强度(1)水平风的垂直切变强度标准,如表1所示。
其中空气层垂直厚度应取30m,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0.1(1/秒)以上的垂直切变就会对喷气运输机带来威胁。
表1水平风垂直切变强度标准(2)水平风的水平切变强度:这里介绍的是美国机场低空风切变报警系统中采用的报警标准,该系统在机场平面有6个测风站,包括中央站和5个分站。
各分站距中央站平均约为3km左右。
系统规定任一分站与中央站的风向风速向量差达到7.7m/s以上时即发出报警信号。
(3)垂直风的切变强度标准:垂直风的切变强度,在相同的空间距离内主要有垂直风本身的大小来决定。
表2列出了下降气流和下冲气流的数值标准。
表2下降气流和下冲气流的强度标准1.3低空风切变的时空尺度特征不同原因形成的风切变现象有不同的时空特征,对飞行影响程度也不相同。
表3所列的是几种风切变类型的时间和空间的尺度特征值。
从表3中,我们可以发现外流水平范围在4km以内的微下冲气流对进近着陆阶段的飞行安全威胁极大,其原因是微下冲气流有很强的局部下降气流,当它撞击地面后产生严重的外流。
飞机穿越外流时会经历从逆风到顺风的迅速变化,这种变化降低了飞机的飞行速度,并且在飞机经过下冲气流区时会严重降低飞机的爬升性能。
两者综合的作用将可能造成飞机坠地[4]。
表3各种风切变时空尺度特征值2低空风切变对进近着陆的影响分析2.1风切变不同形式对进近着陆的影响飞机在空中飞行时,根据飞机相对于风矢量之间的各种不同情况,可以把风切变分为一下四种形式,其对进近着陆的影响如下[5]。
顺风切变,指的是飞机从小的顺风进入大的顺风区域,或者从逆风进入无风或顺风区域,以及从大的逆风进入小的逆风区域等情况。
飞机遇到顺风切变时,空速会突然减小,升力下降,飞机向下掉。
有三种情况:(1)如果风切变层相对于跑道的高度较高,飞机通过切变线后空速减小,升力降低,机头下俯,飞机掉在标准下滑线以下。
飞行员及时加大油门,增加地速,拉起机头使飞机上升到下滑线之上然后改出,完成着陆动作。
(2)如果风切变层相对于跑道的高度较低,飞行员只能完成上述修正动作的前一半,而来不及做增大下滑角、减小空速的修正动作,致使飞机以较大的地速接地,导致滑跑距离增大,甚至冲出跑道。
(3)如果风切变层相对于跑道的高度更低,飞机就无法改出,未到跑道就触地,造成事故。
逆风切变,指的是飞机从小的逆风进入大的逆风区域,或从顺风进入无风或逆风区域,以及从大的顺风进入小的顺风区域等情况,它使飞机空速增加,升力增大,飞机上升,危害相对轻些。
在飞机遇到逆风切变时,飞机被抬升,脱离正常的下滑线,飞行员面临的问题是怎样消耗掉飞机过剩的能量或过大的空速,因风切变所在的高度不同也有三种情况:(1)如果风切变层相对于跑道的高度较高,飞行员有足够的时间使飞机改出,完成着陆。
(2)如果风切变层相对于跑道的高度较低,飞行员减小推力进行修正,使飞机下降到下滑线之下,由于此时离地很近,再做修正动作已来不及,飞机未到跑道头就触地了。
(3)如果风切变层相对于跑道的高度更低,飞行员往往来不及作修正动作,飞机已接近跑道,由于着陆速度过大,滑行速度增加,飞机有可能冲出跑道。
侧风切变,指的是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。
飞机在进近着陆时遇到侧风切变,会产生侧滑、带坡度,使飞机偏离预定下滑方向,飞行员要及时修正。
如果侧风切变层的高度较低,飞行员来不及修正,飞机会带坡度和偏流接地,影响着陆滑跑方向。
垂直风切变,指的是飞机从无明显的升降气流进入强烈的升降气流区域的情形。
垂直风对飞机进近着陆的影响主要是对飞机的高度、空速、俯仰姿态和杆力的影响。
特别是强烈的下降,往往有明显的猝发性,强度很大,会使飞机突然下沉,危害很大。
2.2低空风切变对进近着陆的影响分析美国曾经计算过某大型喷气飞机再风切变条件下改变空速需用的时间[6]。
假设飞机在风速为36km/h(10m/s)的顶风中飞行,空速为180km/h,地速为144km/h,突然进入风速为零的区域,空速下降到144km/h,在这种情况下,增加地速,使飞机空速恢复到180km/h所需的时间如下:地速增量(km/h) 增速时间(s)1440.0144-15539.9144-16277.5144-173175.5这说明要使飞机恢复到原来的控诉,最少也要176秒的时间,而飞机穿过切变的时间只需几秒钟。
如果飞行员不能在这几秒之内操纵飞机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。
另外,从不同高度的风切变对飞行造成的不同影响可以看出,不论风切变造成的是飞机升力增大还是升力减小,风切变发生的高度越低,对飞行的影响也越大,这是因为飞机在起飞和着陆时速度比较小,而且航向又局限于起飞或着陆方向,飞机处于高阻力状态,机动余量小,改出高度又不够,飞机可以用以加速的剩余推力也到了最低限,所以对于起飞、着陆的飞机来说,遇到风切变是最危险的。
从理论上说,起飞遇到风切变要比着陆时的更危险,然而事故统计表明,着陆事故约占78%,其主要原因是飞行员在经历了预先准备、直接准备和飞行实施阶段中的开车、滑行、起飞、爬升、平飞、下降等紧张工作后, 人的精力已经不是最佳状态了[7]。
而在整个航线飞行中, 技术最复杂、工作最多的却是进近着陆阶段。
据统计,从遇到风切变到克服风切变影响中出来大致只有20秒钟的时间,时间非常短暂。
波音公司风切变研究组关于进近着陆时遇到风切变发生事故最多的原因分析很有说服力,大致如下[3]:(1)飞机已经下降到接近地面,改变下滑航迹角需要时间,而当遇到严重风切变条件时,等反映过来可能已经没有时间来改变了。
(2)在风切变情况下,一边天气条件都很复杂,飞行员手动操作进近时,工作量很大,他的注意力一般都集中在飞行指引仪的指令,而顾不上看其他指示,因此,不能在早期发现飞机偏离垂直航径。
(3)进近时逐步收回油门,可能掩盖空速降低的趋势。
(4)由于天气条件恶劣,飞行员集中精力考虑是否应该降落,而干扰了飞行员判断航径质量的能力。
(5)飞行员一般具有在颠簸天气飞行的成功经验,而且已经到达预定的落地机场,这种强烈的落地愿望很可能延迟他做出复飞的决定。
通过以上分析,可以得出以下几点结论:(1)风切变对喷气式飞机的影响比对螺旋桨飞机要大。
(2)飞机的重量越大收风切变的影响越大,对于重量在100吨以上的大型飞机影响更加严重。
(3)风切变对飞机的进近着陆的影响最为严重。
(4)风切变发生高度越低,对进近着陆的影响越大。
3对风切变的应对措施3.1判断低空风切变的方法研究表明,如能提前lO-60秒发现和探测到低空风切变,许多事故是可以防止的,因此人们发明了几种探测风切变的方法,主要有:3.1.1 目视判别方法通过目视观察低空风切变来临的征兆,是目前常用的一种判别方法。
主要观察的对象有:雷暴冷性外流气流的沙暴堤、雷暴云体下的雨幡、滚轴状云、强风吹倒树林和庄稼。
目视判别比较直观、简便,但也有局限性,它只给人们提供粗略的形象特征,远不及仪器测定的精确度。
3.1.2 座舱仪表判别法各种飞机都有自己的一套预定的飞行程序和标准航迹,飞行员都熟悉所驾驶的飞机在起飞和着陆过程中,驾驶舱各种仪表示度所应有的正常变化范围。
飞机一旦遭遇风切变,首先会反映到座舱一边上来,使仪表出现异常指示,比如空速表、高度表、升降速率表、俯仰角度指示器等。
3.1.3 用机载专用设备结合地面探测低空风切变使用Bertim多普勒雷达探测风切变,它是使用多普勒原理,利用声波对前方和下方的大气进行分析,判断是否有低空风切变。
在地面安装多普勒雷达,再根据气象资料、卫星云图把所有的信号输入计算机分析后得出结果,从而发布低空风切变警告[9]。
3.2低空风切变的处置为了迅速而准确的做出反应,争取安全降落,飞行人员应该做到以下几点:3.2.1 要有充分的思想准备。
(1)加强对飞行人员关于低空风切变知识的教育,组织飞行人员进行预防低空风切变的模拟训练,提高对付低空风切变的能力。
(2)飞行前要熟悉各种低空风切变的处置预案,做到心中有数;要认真仔细了解和研究天气预报和天气实况,特别警惕低空风切变可能出现的位置、高度和强度;飞行过程中要注意收听地面的天气报告和其他飞机有关低空风切变的报告,了解其性质和强度[8]。
3.2.2 采取避让措施。
回避低空风切变是最好的防御方法,当了解到较强的低空风切变或强烈的下沉气流时,应该采取避让方针,切勿轻易穿越。
另外,要与雷暴云和大的降水区保持适当的距离。
因为雷暴云外围气流可达雷暴云前方20km左右,所以飞机低空飞行时要远离雷暴云20km以上。
3.2.3 掌握过硬的飞行技术。
机组要有正确的操纵模式,在遭遇风切变时要遵守标准操作程序,能够有效的执行改出程序,才能有效的避免低空风切变引发的事故。
当飞机已经遭遇风切变时,过硬的飞行技术是风切变改出的关键,是保证航空安全的重要保证,需要做到:必须要有推力;控制俯仰角;保持飞机外形;不允许小空速;注意抖杆;飞行指引仪的使用;横测操纵;尽快向塔台报告[5]。
