飞机尾流对飞行安全的探讨
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【摘 要】随着航空事业的发展，飞机飞行间隔缩小，机体增大，尾流涡对航空管制的影响，空域容量的限制及对飞行安全的危害日益突出。本文主要阐述了尾流的成因，以及小型飞机在进近及起飞过程中，对于前机为大型机时，如何避免进入大型机尾流的策略进行了详细的介绍。通过本文的介绍使大家对尾流的产生、消散、强度、危害有了足够的了解，并且了解在不同情况下飞行员所采取的规避尾流策略，从而使管制员和飞行员在实际工作中能采取适当的措施，减少尾流对飞行安全的威胁。
【关键词】空中交通管制；飞行间隔；尾流影响；飞行安全
自从二十世纪初期美国的莱特兄弟发明飞机以来，航空运输以其他运输方式无可比拟的快速和安全迅速成为二十世纪中后期最为人们青睐的交通方式。进入二十一世纪之后，随着航空技术的进一步发展，航空运输将在整个综合交通运输体系中占有越来越重要的地位。但是由于有限的空域资源，飞行量的大幅度增加将会使得飞行冲突变得日益严重，不仅限制了飞行流量的增加，也对现有的各种飞行造成了许多的不安全的影响。
2001年，美利坚航空公司587航班在纽约肯尼迪机场起飞不到1分钟就失去了控制，坠毁于机场附近。据分析，飞机失事可能与当天稍早起飞的一架日航波音747客机所产生的气流有关，也就是人们常说的飞机尾流。根据飞行数据记录器记录的数据，尾流涡系开始只对飞机造成低加速，但是方向舵在几秒钟内就开始随着脚蹬板移动而向两边大幅度偏移。接着，垂直尾翼突然从安装轴颈折断，驾驶员对飞机失去控制。发动机在飞机坠地前脱离飞机，看来好像是被机身剧烈地震动产生的旋转力折断而脱离飞机的[4]。
飞机尾流通常是指跟随在飞机之后的两个反向旋转的圆锥式涡旋气团[5]。因为尾流对飞行安全的影响是巨大的，所以国内外都投入了大量的人力物力进行研究，试图找出一些方法将尾流对飞行安全的影响降到最小的程度。
飞机飞行时，在其后面都会产生尾流[2]。尾流也是一种湍流[7]。当飞机进入前面飞机的尾流区时，会出现机身抖动、下沉、飞行状态改变、发动机停车甚至飞机翻转等现象。小型飞机尾随大型飞机起飞或着陆时，若进入前机尾流中，处置不当就会发生飞行事故。尾流由滑流、紊流和尾涡三部分组成，其中尾涡对尾随大型飞机起飞着陆的小型飞机影响最大[4]。飞机进入前机的一个尾涡中心时，一个机翼遇到上升气流，另一个机翼遇到下降气流，会因承受很大的滚转力矩而急剧滚转[3]。滚转速率主要取决于后机翼展的长度，翼展短的小型飞机滚转速率大。如果滚转力矩超过飞机的控制能力，就会失控翻转。因为尾流是看不见的，所以飞机的飞行员应注意避开尾流，保持一定的尾流间隔[1]。我国也于1993年进行了飞机尾流拉烟的试验，尾流主要包括三部分，其一是能量最集中的翼尖涡，它从翼尖脱出后向后扩展；其二是附面层紊流；其三是发动机尾喷流[7]。
一、尾流的产生
尾流又称翼尖涡流，是三维机翼在产生升力时伴随着产生诱导阻力的原因。当三维机翼产生升力时，下翼面的压强高于上翼面，在2个翼尖处气流就会由下翼面绕过翼尖流到上翼面（如图1-1示）。
当气流绕过机翼时，它在机翼上的压力分布不是很均匀的，理想气流扰流时翼型表面是一个流线，因为在翼面上的气流不会停滞，而是在翼面流动，翼面上每点的速度必定和翼型相切，所以翼面是条流线，对于机翼的理想来流一般视为定常不可压流，根据伯努利方程：
可知流管面积减少则流速增大；反之流管面积增大则速度减小。因此上翼面所受到的气流压力要比下翼面小（机翼在正攻角状态下），气流在流过机翼时的前驻点速度降为零，然后分为上下两股绕过机翼，并且随着流管的面积的变化，先加速到上下翼面的最大值后再减速，在后缘处汇合流下去。在上翼面，压强先下降后上升，形成了一段负压区，而在下翼面则产生了正压区。因此在翼尖处由于压差的原因使得气流从下翼面绕过翼尖流到上翼面。
同时仍具有相对向后流的速度，其结果是在2个翼尖处形成2个漩涡，漩涡中的气流一边旋转，一边向后流动，其强度随着时间减弱；而且这2个漩涡的旋转方向相反，被称之为翼尖涡流。（如图1-2示）
图1-2 翼尖涡的后视图
为了进一步了解尾流的实际形状，美国联邦航空局（FAA）进行了探测尾流的试验：利用跑道旁边的立杆拉出彩色烟带，飞机起飞以后，产生的尾流使得烟带卷曲，可清楚地看到尾流的形状（如图1-3示），它是在拖拽在翼尖后面的条状漩涡，左右各一个。尾涡存在着一个自由活动的涡心，该涡心围绕翼尖向外侧上方旋转。因此从飞机后方看，右侧的漩涡是逆时针旋转，而左侧的漩涡是顺时针的旋转。
尾流的强度由产生尾涡的飞机重量、飞行速度和机翼形状所决定，其中最主要的是飞机的重量。尾涡强度随飞机重量、载荷因数的增加和飞行速度的减小而增大，曾测得最大的湍流切线速度达67米/秒。当重型飞机在光洁构型下低速飞行时，将会产生最强的尾流。 尾流是向外和向下扩散运动的。当存在侧风的时候，尾流将向下风方向移动。当存在顶风时，将在飞机的后方延长尾流区。当存在顺风时，尾流将增加向外扩散的速度。
尾流的作用范围及伴生的漩涡下降到航空下方500～900英尺处并随风飘荡直至消失。当航空器在高空以较大的真空速飞行时，尾流可以延长到航空器后5英里。航空器重量越大，他产生的翼尖涡越强，影响范围越大。飞行实验表明：来自大型航空器的旋涡以2.5米/秒（400 500英尺/分）的速率下沉，它们在产生的航空器的飞行航径之下约275米 （900英尺）趋向改平尾涡的下沉量是指尾涡中心低于水平线的垂直高度。尾涡的总下沉量由两部分组成，第一部分是通过机翼的气流有一定的下洗角，使整个气流向下倾斜，这部分下沉量与下洗角大小和尾涡离开飞机的距离成正比；第二部分下沉量是由于左右两旋转方向相反的涡的影响，使两个涡束都产生下移速度所致。
二、尾流的消散
尾流的消散机理比想象的要复杂的多；其消散过程和方式与周围大气环境紧密相关（包括大气紊流度、大气分层效应、温度梯度、风的速度场、地面效应等等）；直到现在，人们也没有完全了解尾流的消散机理。其困难就在于在许多情况下很难确定大气条件对尾流运动及消散的确切关系。但是从观察到的不同现象来看，尾流通常以下述三种方式之一消散或瓦解：
①经过一个长的时间， 涡流扩散可使每一旋涡（范围）扩大，以致尾流融入（大气）而消散，这种消散形式是由于空气的粘性作用，尾涡在旋转扩散运动过程中，同时受到一定尺寸的大气湍流的作用，间距越来越大，强度越来越弱，最后消失，这也是最自然的可以想象得出的一种消散方式；
②沿着旋涡长度的涡流渐渐变得不稳定，并发展为弯弯曲曲的振动而使尾涡接触连接起来。这种消散形式是由于强度相同的尾涡相互之间的诱导作用导致在扩散运动中两个涡连接起来，然后重新形成一个流场，其强度在连接之后迅速减小，而且一定尺度的大气湍流在尾涡纵向距离上所造成的不稳定的波动加速了这种连接消散的形成；
③突然的结构改变，可以突然地加宽旋涡的中心部分，促使旋涡瓦解或破裂。其外层的流场虽然有一定的减弱，但仍然在空中保留了相当强度的漩涡。
当然，在尾涡的演变过程中，这三种消散方式并不是相互孤立的，有可能在揣流的尺度和强度合适的情况下，既发生进裂消散同时又造成连接消散，如果是出现这种情况的话，尾涡将会很快的消散，此时尾流的影响作用几乎可以不加考虑；因此常常需要注意的是以某种单独形式持续和消散的过程。可是困难在于这三种消散方式是随着大气条件的不同而随机发生的，无法事先确定尾涡到底会以哪种方式消散：另外人们通过比较发现，飞机的外形变化对尾涡的消散也有影响；在起飞着陆阶段，航空器处于着陆形态（起落架放下、襟翼打开）时所形成的湍流有助于加速尾涡的迸裂消散和粘性消散，而在洁净外形的条件下，机翼附面层的紊流和发动机的喷流所形成的小尺度的湍流与大气湍流的作用相比，对尾涡的消散几乎没有什么大的影响。
三、飞机尾流的规避策略
如果能看见尾流的情况，就使我们可以很容易的进行躲避。虽然在某些大气情况或者人工的综合方法情况下要看到尾流是可以实现的，但是一般情况下，是不可能实现的。飞行员则必须依靠他们的知识和对尾流的特性的了解，在大脑中形成尾流的情形，这样飞行员就可以按照尾流规避程序来执行。这些程序不断的发展适合不同情况。飞行员必须时刻的遵守这些程序，不断地调整他们的操作以及飞行的航迹来躲避尾流的影响。当分析这些程序的时候，飞机的性能应该被充分的考虑到。总之这些程序被用于帮助飞行员在一架大型飞机的下方或者后方，进行有效的躲避尾流。复飞在某些情况下是保障安全的必要手段。
3.1 在同一跑道上跟随一个大型飞机的策略
* 保持在大型飞机最后进近飞行航迹的上方；
* 注意大型飞机的接地点的位置；
* 在跑道长度允许的范围内，尽量在接地点前方着陆；
* 如果不能安全的在接地点前方着陆，则立即复飞。
3.2 间距小于2500ft的平行跑道上跟随一架大型机着陆的策略
* 考虑可能的尾流飘移影响到平行跑道；
* 保持在大型机最后进近航迹的上方；
* 注意大型机的接地点。
3.3 交叉跑道上的跟随大型飞机着陆的策略
* 垂直或从侧方穿越大型机的飞行航迹时应保持在大型机最后进近航迹的上方；
* 如果发现有不安全的现象，则立即选择复飞。
3.4 在同一条跑道上在一架大型机起飞后着陆的策略
* 注意大型机在跑道上抬前轮的点；
* 在抬前轮点之前是飞机接地，或者直接选择复飞。
3.5 在交叉跑道上在一架大型机起飞后着陆的策略
* 注意大型机抬前轮点，如果抬前轮点在跑道交叉点后，则可以继续进近，并且着陆点应该在跑道交叉点以前；
* 如果大型机抬前轮点在跑道交叉点以前，应该保证飞机在大型机飞行航迹的上方，放弃进近除非能够确定在到跑道达交叉点前接地。
3.6 在一个大型机起飞后离港的策略
* 注意大型抬前轮点的位置；
* 多等待一段时间，不要急于开始滑跑，除非你能肯定你的抬前轮点在大型机之前；
* 爬升避开大型机的的尾流影响方位；
* 继续爬升到大型机的爬升航迹的上方直到到转弯避开大型机的尾流；（注意：也许这是不可能的，因为大型机的性能因素）
* 避开航迹从越大型机的下方和后方穿越；
* 要对任何的危险情况都进行告警。
3.7 在大型机后起飞或者着陆进行一个较低高度的进近或者复飞的策略
* 确认至少存在2分钟的间隔在你起飞和开始进近之前；
* 如果不安全，则立即终止起飞或者立即复飞。
3.8 在空中避让尾流的策略
* 避开在大型机航迹的下方和后方；
* 如果观察到大型机和和你在同一航迹上（相聚或者飞越），调整你的侧向位置，最好是上风方向。
四、尾流对航空器影响的归纳
事实上，尾流对航空器的影响可归纳为：诱导横滚、损失高度、爬升率减小及过大的结构过载。其中最大的危险是对于航空器引起的横滚，有可能会超过航空器横向操纵能力的程度。如果在进近区域内遭遇气流，此时的影响较大，也较危险，因为跟随着的航空器在速度、推力、高度和飞行员的反应时间都处于临界状态。在某些情况下，遭遇到尾流可能使航空器内部灾难性的结构损坏。
最有效的摆脱尾流的方法就是，了解和知道尾流的影响区域和性质，并避免飞机进入尾流影响的区域。在前面几章我们详细的讨论了尾流的性质及其影响的范围。我们这里要讨论的是，在飞行过程中为了避免飞机进入尾流，我的一些设想。
4.1 管制员方面
管制员在严格执行飞机尾流间隔标准的同时，应该对当时的大气环境进行判断，对尾流消散的情况进行预测。同时给后机尾流告警的预报，给飞行员提前的提示。当然由于尾流是看不见的，要及时提出预警，是对管制员经验和能力的考验。
通过前面的一些计算和我们所了解的知识可以知道，我们现行的飞机尾流间隔标准对于大多数飞机（除B757外）都是比较保守的，因此管制员在进行指挥的时候，对于B757应该格外注意，它的按起飞重量分类，仅属于中型机，但是在尾流分类中其属于重型机。
4.2 飞行员方面
飞行员作为飞行的执行者，对飞行安全负有很大的责任。如果在飞行过程中能看见尾流的情况，就使我们可以很容易的进行躲避。虽然在某些大气情况或者使用人工的综合方法的情况下，看到尾流是可以实现的，但是一般情况下，是不可能实现的。飞行员则必须依靠他们的知识和对尾流的特性的了解，在大脑中形成尾流的情形，这样飞行员就可以按照尾流规避程序来执行。这些程序不断的发展适合不同情况。飞行员必须时刻的遵守这些程序，不断地调整他们的操作以及飞行的航迹来躲避尾流的影响。以下是规避尾流的策略：
* 当在一架大型机后起飞时，在大型机离地点之前离地，并且在大型机的航迹上方爬升；
* 当在一架大型机后着陆时，小型机的接地点要在大型机接地点之后；
* 尾流在跑道上停留的时间将比较长，当在风很小或者静风的情况下；
* 在平行跑道上，由大型机产生的尾涡，如果有强烈的侧风，会飘逸到你使用的跑道上；
* 当在大型机的后方飞行或者穿越前方的大型机时，保持你的飞行航迹在大型机的航迹之上；
* 当在一架大型机的后面进行ILS进近时，保持在下滑道上或者在其上方以躲避前机尾流；
* 在起飞的时候，尽快地安全的脱离跑到中心线，也许你不能使你的爬升航迹在新型大型喷气式飞机之上，但是切记不要进入他们的尾流；
* 如果在航路上你要穿越一架大型机的飞行航迹，最好是在大型机的飞行高度之上穿越，并且保持在大型机之后至少2英里。
最有效的躲避尾流的方法就是，了解尾流的危害、影响范围。采取措施保障飞行安全。
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