低空风切变对飞行的影响

关于低空风切变对飞行的影响
摘要：低空风切变是影响飞机起飞和进场着陆阶段的一个危险因素。

由于目前对低空风切变探测难、预报难、航管难等一系列困难，因此，低空风切变在飞机起飞、着陆阶段中对飞行安全威胁极大，尤其是微下冲气流造成的事故特别严重。

本文重点根据微下冲气流中心与飞机相对位置的几种情况，分析低空风切变对飞行的不同影响。

关键字：风切变；飞行；起飞；着陆；风切变中心；微下冲气流中图分类号：p425.5 文献标识码：a 文章编号：
abstract: the wind shear at low-altitude is a risk factor effecting take-off and landing. because of the present difficulty of detecting and forecasting the wind shear at low-altitude and to air traffic control, the wind-shear in low-altitude threats take-off and landing stages greatly, while the micro-downburst causes flight mishaps. this paper analysis the different influence of the wind shear at
low-altitude to flight, according the relative position between the center of micro-downburst and the airplane. key word: wind-shear; flight; take off; landing; center of the wind shear; micro-downburst
1 前言
风切变是一种常见的大气现象,指风向、风速在水平或垂直方向的突然变化。

在航空气象学中，把出现在600米以下空气层中的风切变称为低空风切变，即发生在着陆进场或起飞爬升阶段的风切变。

它不仅能使飞机航迹偏离，而且可能使飞机失去稳定，如果驾驶员判断失误和处置不当，则常会产生严重后果，所以低空风切变对飞行安全威胁最大。

2 低空风切变简介
低空风切变是影响飞机起飞和进场着陆阶段的一个危险因素,它严重危害航空活动的安全。

同时,它具有时间短、尺度小、强度大的特点,随之带来了探测难、预报难、飞行难等一系列问题,是一个不易解决的航空气象难题。

航空气象学根据飞机相对于风向的不同情况,把风切变分为顺风切变、逆风切变、侧风切变和垂直气流切变4种类型。

顺风低空风切变之所以对飞行有很大的影响，是因为当飞机从小的顺风进入大的顺风区域，或从大的逆风进入小的逆风或顺风区域时，飞机速度就会减小，升力下降，飞机就会下沉，导致飞机无法正常起飞或飞机提前降落；当飞机遇到侧风切变时，会发生滚转、偏航而导致飞行事故；垂直气流型低空风切变危害最大，当飞机进入风速垂直切变的强烈下沉气流时，由于强度很大，甚至可能把飞机直接“砸”到地面，所以低空风切变是飞机起飞和着陆阶段的大敌，特别是在着陆阶段。

从理论上讲,起飞遭遇风切变要比着陆遭遇风切变更危险,然而实践却相反,其主要原因是起飞时
遭遇风切变危险是飞机失速,此时飞行员无需判断,只需推大油门
以争取飞机的速度和高度;而进近着陆则不同,此时要求飞行员及
早判断,并完全改变着陆操作。

分析表明,飞行员在着陆途中是难于采取相反操纵动作的,因此,着陆时发生的事故更多。

低空风切变包括：微下冲气流风切变、阵风前沿风切变、锋面风切变、低空射流等等。

其中微下冲气流由于尺度小（水平范围﹤5公里）、寿命短（约15分钟），强度大及隐蔽性强，因而是低空风切变中最危险的一种。

1975年一架波音727在肯尼迪国际机场发生的空难主要就是由微下冲气流造成的，飞机在着陆过程中，遭遇了原本风速为30公里/小时的逆风突然变为下降风。

根据大气动力学和飞行力学对风切变的研究：飞机在起飞和着陆阶段遭遇风切变时，飞机会先进入使飞机性能提高的区域，这个区域通常是逆风区，区域内甚至还会有上升气流，但是在经过一段时间后（约为30s），飞机进入顺风区，并且区域内常常还有很强的下降气流，此时飞机高度会突然下降，再加上空速、升力降低，性能剧减，很容易造成飞机坠地。

3 微下冲气流对飞行的影响
3.1 微下冲气流对起飞的影响
飞机在离开跑道后开始爬升，此时飞机此时速度相对比较小，高度较低，因此如果在这个阶段遇到微下冲气流，影响非常大[1]。

在到达微下冲气流中心之前，飞机遇到的是逐渐加大的逆风，并伴
有上升风，这两种风对飞机的爬升是有利的。

而当飞机离开微下冲气流中心后，遇到的是顺风切变，顺风逐渐减小，下降风逐渐消失。

所以在微下冲气流中心区附近，飞机受到风切变的影响最大。

当风切变中心在飞机前方时，飞机开始遇到的是逆风，对飞机的爬升有利；而当风切变中心在飞机的后方时，飞机遇到的是顺风，对飞机爬升不利。

以飞机开始滑跑的点为原点建立坐标系oxy，在飞机运动的铅垂平面内水平方向为x 轴、飞机离地点x=0，与滑跑方向一致为正；oy 轴位于包含ox 轴的铅垂平面内，垂直ox 轴，跑道为基准y=0，向上为正。

利用此坐标系分析在飞机气动外形相同，初始姿态相同，发动机功率相同及风切变大小、方向相同时，由飞机与风切变中心的相对位置不同造成的风切变对飞机起飞阶段升力的影响：
1）当风切变中心在x﹥0处：飞机刚进入微下冲气流范围时升力先增大，飞机飞过风切变中心后升力急剧减小，而当飞机飞出微下冲气流范围后，升力恢复正常。

2）当风切变中心在x﹤0处：飞机一开始的升力就偏小，当飞机飞出微下冲气流范围后，升力恢复正常。

根据上诉结论，可以进一步分析飞机在不同情况下的航迹，即得图（1）。

由图（1）可以看出风切变中心的位置对飞机起飞航迹的定性影响，而实际对航迹影响的大小影响则取决于风切变的当时的强度。

3.2 微下冲气流对着陆的影响
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]。

与微下冲气流对起飞的影响相似飞机在着陆过程中遇到微下冲
气流可分为两种情况：若微下冲气流的中心在飞机预定接地点之后，则飞机在着陆过程中只会遇到上升气流和逆风，这样会使飞机的迎角上升，升力增大，高度增高，此时飞机势必会高于下滑道，如果飞行员的不能及时地控制飞机，则可能造成飞机失速或因接地过晚而冲出跑道；若微下冲气流的中心在飞机预定接地点之前，则飞机在着陆过程中会先遇到上升气流和逆风（可能会造成飞机失速），在此后约30秒又会遇到下降气流，飞机迎角突然减小，高度急剧下降。

美国曾计算过某大型喷气飞机在风切变条件下改变空速需用的时间。

假设飞机在风速为36公里/小时(10m/s)的顶风中飞行，空速为180公里/小时，地速为144公里/小时，突然进入风速为零的区域，空速降低到144公里/小时，在这种情况下，增加地速，使飞机空速恢复到180公里/小时，最少也要176秒钟，而飞机穿过风切变时间只需几秒钟。

如果飞行员不能在这几秒钟之内操纵飞机使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。

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。

近20年，民航的运输总量增长迅速，飞行密度增长很快，机场越来越多，越来越繁忙。

在很多繁忙的机场，尤其是沿海机场多次收到飞机风切变报告，严重影响了正常的飞行秩序和飞行安全。

所以我们应该积极地应对风切变，尤其是低空风切变，在飞行员、管制员、气象情报员等相关人员的培训和风切变的预报、警报技术的研究上下功夫，尽量将低空风切变对飞行的不良影响降到最低。

参考文献：
[1] 刘湘一,胡国才,刘方正,章世锋. 微下冲气流对飞机滑跃起飞的影响. 海军航空工程学院学报,2009,9,22(5).
[2]彭笑非.低空风切变对飞机进近着陆影响的分析.科技经济市场,2007,(7).
[3]丁援朝.飞机进近着陆中几个问题的探讨.中国民航飞行学院学报,1999,(3).
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