航空小知识

飞机到底“喜不喜欢”风?

时间:2018年10月12日 15:15   来源:大飞机报
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  “山竹”过后,海航迅速恢复正常航班运营。民航资源网供图

 

    

  前不久,被网友称为数十年来“最强台风”的“山竹”来势汹汹,给我国广东、海南、广西等省区造成巨大损失。对于航空运输业而言,恶劣天气是造成航班取消、航班延误、超限事件、重着陆等事故征候的主要诱因。受台风影响,大量航班取消。在台风内区可以产生很强的风速,强烈的气流会让飞机产生剧烈的颠簸。

  在这样恶劣的天气条件下飞行,飞机还可能遭遇到机翼表面结冰、冰雹撞击、大突风、能见度低等一系列危害飞行的状况。另外,由于机翼、机身等尖突部位电场很强,当飞机穿越台风引起的雷雨区时,还有遭遇雷击的风险。由此看来,飞机与风的故事不得不说。

  

  风切变:影响飞机飞行的危险因素

  

  风是最为频繁常见的气象条件,季节的转变或者雷暴的推进等自然现象,都会伴随强风的产生。除了台风这样极端的恶劣天气条件之外,还有一些其他的“风”也会影响到飞机的飞行安全。

  风切变,英文叫WindShear,是指风速在水平和垂直方向突然变化的一种自然现象,在航空气象学中把出现在500米以下的空气层中,在同一高度或不同高度上风向和风速突然发生较大的变化的现象称为低空风切变。大家知道,飞机是靠机翼与空气的相对运动产生升力并维持姿态的。所以,飞机最怕的是突然出现的强顺风。

  比如空客 A320这类商用飞机降落的速度相当于每小时250公里左右。如果在快靠近地面时突然来了一阵10级顺风,机翼上气流的速度瞬间变成了原来的 60%,升力和机翼的相对气流速度平方成正比,于是飞机会突然损失60%的升力,导致迅速下坠。

  在巡航阶段,风切变一般很难形成严重的安全威胁。其原因一个是因为那时候飞机飞得高,真遇上风切变下坠10米或 20米,乘客的感受像坐过山车。飞机会很快自动或者由飞行员手动调节到新的稳定状况。另一个原因是飞机飞行的速度快,商用飞机巡航速度往往是每小时 800公里左右,一般的风速与之没法比。但也有例外,比如“晴空紊流”就是一种高空的剧烈风切变,而且往往很难预警。每年都会有一些航班遭遇这种情况产生剧烈颠簸,没有系好安全带的乘客有可能会撞到天花板,并因此受伤。所以,飞行过程中全程系好安全带是必要的。

  那么风切变为什么让人害怕呢?风切变会改变飞机的空速和气动角,导致飞机所受的气动力及力矩发生变化,进而影响飞机的飞行特性。飞机在飞行过程中,风速的突然变化作用会产生附加过载,进而使飞行轨迹发生变化。当风场强度较大时,不但会使飞机难于操纵,破坏所要求的飞行品质,而且会产生较大的动态结构载荷,加速结构疲劳损坏。其中对于飞行安全危害最大的是垂直向下的下冲气流,当垂直突风较强时,飞机的迎角会发生较大变化,容易诱发飞机进入大迎角失速状态,进而诱发飞行安全事故。大家最担心的就是飞机在起降阶段遭遇剧烈风切变,这时候飞机反应更大,安全处置余地更小。历史上因此造成的机毁人亡事故不在少数。据资料记载,1970-1985年期间,在国际定期和非定期航班飞行和一些任务飞行中,至少发生了28起与低空风切变有关的航空事故,死亡人数高达700人。正因为如此,国际航空界公认低空风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个重要危险因素。

  实际上,相较于风切变,“风不变”才是更不常见的现象。地球大气受太阳照射积聚能量,能量均匀产生大气的流动,形成风。受地面性质、地面形状、地球自转等因素影响,风力和风向总在变化。比如,海洋和陆地的分界线上,在白天,由于陆地升温快,形成上升气流,在飞越海岸线的时候,经常出现颠簸,就是一种常见的风切变。还有比如地形,在高山的背风面经常会出现气流的滚动,就像瀑布下的水流,经常会把人“拖”进水里。另外,在冷热空气交汇的地方也容易出现。比如冬天冷空气前锋附近,往往会有强风切变。

  

  如何应对“危险”的风

  

  既然风切变这么可怕,是不是我们就无技可施了呢?当然不是,对于飞行员而言,需要做好飞机的方向、位置、下沉率、推力等飞行状态的控制和对潜在风切变的处置。

  从上世纪90年代开始,更强大的机载和地面多普勒气象雷达,以及综合的机上风切变预警系统,已经让飞行员比以往更容易避开危险的风切变。自从这些技术普及,风切变造成机毁人亡的事故已经从过去几乎年年发生,减少到十年一遇的水平。然而,就像夏季的强对流天气一样,小尺度的类似于“微下击暴流”的风切变,依然难以准确预测。特别是夏季强对流天气多发,机场的天气有时候会在运行条件的边缘徘徊。

  同时,对于飞机设计师而言,在飞机设计中大侧风对飞行的影响不可忽视,每一款民航飞机型号取得适航合格证前都要经过侧风飞行的验证试飞,中国民用航空局颁布的《CCAR25-R3 中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准适航规章》中对于侧风试飞有一系列的相关要求,比如对于侧风试飞中要求飞机前进方向垂直风量的统计值达到20节以上(10.29m/s);飞机还需要在这样的状态下至少进行三次起飞和三次着陆。为了演示出飞机临界情况的抗侧风能力,对于飞机刹车和舵面的使用也有了一定的限制。

  另外民用飞机适航规章要求发动机必须在大侧风审定的运行条件下仍然供给足够的空气量;其失速、喘振、熄火等不利特性不能达到危险程度;在正常运行期间不得由于气流畸变引发有害振动。也就是说,航空工程师们需要在飞机设计和制造过程中就考虑到“风”的影响,做好细致的分析和周全的应对,还要通过严格的飞行测试。而一般航空公司会考虑安全裕度,在运行时将本机型的最大侧风数值限制为稍小于或等于厂家给出验证侧风值。

  除了提升飞机本身的安全性能以外,地面气象预报部门也会对机场附近空域的低空风切变探测和预警,目前低空风切变报警系统已经得到普遍应用,新一代的低空风切变报警系统的探测能力已经达到了很高的水平。在今后的应用中,低空风切变的探测技术还会与地面观测网、多普勒天气雷达、雷电检测、空基探测和卫星观测等各种气象探测技术结合起来,进一步为保证航空飞行安全,减少因天气原因造成航班延误而带来的经济损失提供有力的技术支持。

  

  逆风起降,顺风航行 飞机需要这样的风

  

  平稳的逆风确实可以帮助提升飞机的起降性能,这是因为飞机在起飞与着陆过程都需要升力来维持稳定上升或者下滑轨迹,飞机的升力大小与飞机相对气流的速度,也就是空速有密切关系。在起飞着陆阶段逆风飞行可以使飞机在保持一定空速的情况下减小相对地面的速度,从而缩短起飞和着陆的滑行距离。此外,适航规章还规定了飞机必须满足起飞航道的最低爬升梯度, 以防止转弯时出现负梯度。飞机逆风起飞可以帮助飞机尽快爬升, 以帮助飞机飞越航道中的障碍物。所以根据当地的常年气象条件,有些机场会建有多条不平行跑道,以便在不同季节的不同风向下都可以使用;对于只有一条跑道或多条平行跑道的机场,其跑道方向通常与当地盛行风的方向一致,以帮助飞机充分利用逆风进行起降。

  那是不是我们需要在送机的时候,要祝愿一句“一路逆风”呢?那样的话航空公司恐怕要皱起眉头了,因为飞机的油耗会受到风和温度等自然因素的影响,在巡航飞行的时候,航空公司都希望飞机在航线飞行中可以“顺风而行”,在飞行距离相同时,顺风可以降低油耗,减少飞行时间,逆风会增加飞机的油耗,增加飞行时间。顺风既可以帮助航空公司节省成本,又可以让乘客享受更加快捷的旅程。

  举例来说,由于存在高空顺风,在飞行距离相同时,北京—昆明航线相对无高空风时的油耗减少7.0%,飞行时间减少7.1%,由于存在高空逆风,昆明—北京航线相对无风时的油耗增加9.0%,飞行时间增加9.4%。这是因为大型客机在高空飞行时一般采用空速保持控制模式,遭遇逆风后,空速基本保持不变,地速减小,导致飞机飞抵目的机场的时间和油耗增加,顺风时则飞行时间和油耗均减小。我们知道,高空的最大平稳风一般位于40-75km高度,位于20-50°纬度区间。北半球冬季为西风,夏季为东风,冬夏季风最强,春秋为西风—东风过渡季节,春秋季节风速小于冬夏季,南半球与北半球变化特性相反。所以即便是乘坐同样一条航线的航班,在不同的季节飞行时间可能也有一些差别。

  特别是在一些远程航线上,航线的高空风向条件甚至会影响飞机的航线选择,以一月份从洛杉矶往返上海的典型航线为例,航班从上海飞往洛杉矶时,航班会飞过日本,直接从北太平洋穿越,以借助北太平洋上空的盛行西风向东飞行。而从洛杉矶返回上海时,则要选择起飞以后飞往西北方向,经过阿留申群岛和日本,再抵达上海,以避开盛行西风带的逆风影响。两条航线的航线距离虽然相差无几,但因为高空风速的影响,会导致从上海到洛杉矶的回程会比去程多用两小时的飞行时间,对于一般的远程双通道宽体客机,燃油消耗相差约15吨左右。

  那么我们是不是可以认为风对于飞行都是有害的呢?当然不是!要是有朋友出行,我们时常祝愿对方一路顺风,但若对方是搭乘飞机出行,我们或许会听过这样一种说法:“坐飞机是不能说一路顺风的,因为飞机要在逆风才能起飞。如果顺风的话,会有危险。”这种说法是不是有一定道理呢?其实,我们可以把风分解为平稳风、紊流、阵风。平稳风,也称为定常风,指大范围内大气的均匀运动,风速及方向随时间变化平缓,与季节和纬度密切相关。

  

  中国商飞的探索

  

  今年4月8日,我国自主研制的ARJ21飞机的104架试飞飞机在远赴冰岛、“离家”41天、往返两万多公里航程后,平稳降落在西安阎良机场,缓缓通过迎接的“水门”。这意味着ARJ21飞机完成欧洲冰岛大侧风试飞。

  抗侧风能力是飞机一项非常重要的性能。强烈的侧风会严重影响飞机的起飞和降落,飞机能够在多大的侧风气象条件下安全起飞和降落必须通过试验试飞来验证。在此前型号合格证(TC)审定过程中,ARJ21飞机在国内验证了侧风22节条件下的起飞和着陆能力。但受国内机场跑道、侧风风速等环境和气象条件的制约,相关试验工作一直未能继续深入开展。

  经过充分调研和大量协调准备,中国商飞公司决定ARJ21飞机于2018年3月前往冰岛凯夫拉维克国际机场开展大侧风包线扩展审定试飞。凯夫拉维克国际机场拥有全球为数不多的东西、南北两条垂直交叉走向的“十”字型跑道,当地常年有30节以上大风,有利于捕捉到更大侧风的试验气象。本次大侧风试飞填补了我国运输类飞机30节以上大侧风试飞的空白,对不断提升我国民用飞机试飞能力具有重要意义,为后续民用飞机机型开展国际试飞提供了宝贵经验。

  为了应对风给飞行带来的不利挑战,发挥其有利影响,中国商飞公司北研中心已经着手进行了一系列发动机短舱侧风工况的数值模拟和分析工作,尤其是特别关注了侧风对飞机短舱进气道和考虑地面效应时的影响,为未来高性能短舱的气动设计提供了参考依据,并建立了结合气象数据的航线性能分析工具,可以在设计阶段就较为精确的评估飞机在实际运营场景下的航线性能,例如高空风和温度对飞机航线飞行时间和燃油消耗的影响,从而进一步帮助国产大飞机的性能更加符合航空公司的实际运营需求。(崔峥)

  

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