近地阶段飞机尾流演化与风险控制关键技术

Flight safety issue, such as pitch, roll and stall, would arise when the following aircraft flies into the wake vortex caused by the former aircraft. Such safety issue is more severe especially for aircraft in the near-ground stage. However, too excessive wake separation would limit the utilization efficiency of runways. So, this project focuses on processes of the aircraft wake vortex during the near-ground stage, and its related flight risk control strategies. The numerical simulation method will be applied to investigate the formation, development and dissipation of the wake vortex based on the historical wake vortex detected datasets and experimental datasets. The complex flow of wake vortex will be analyzed by conducting wind tunnel experiments, and the mechanisms of the wake vortex evolution for the approaching plane will be revealed based on the characteristic parameters of the wake vortex, the vortex instability process, the wake vortex inducting and its interaction with the secondary vortex. The aircraft collision risk model is expected to be established for different runway configuration by considering the elements of the constant changing flight altitude and velocity. The safety evaluation index system can be further established to analyze the safety of the wake separation reduction for the aircraft in near-ground stage. Finally, the dynamic and static criteria of the aircraft wake separation will be made respectively. Research of this project can be served as the theoretical and experimental basis for establishing a scientific wake separation standard, and it can also be regarded as a robust reference for the decision-making of the highly efficient runway utilization.

飞机进入前机尾流区将生俯仰、滚转、失速等影响安全的现象。近地阶段的飞机尾流会对后机的飞行安全产生更加严重的影响，而过大的飞行尾流间隔又会限制机场跑道资源的高效利用。本课题拟对近地阶段飞机尾流演化机理和飞行风险控制方法开展系统性的研究。在课题组前期尾流探测和实验历史数据基础上，采用数值方法对飞机尾流的形成、发展和消散进行理论研究，再进行风洞实验进行尾流演化机理的研究，通过基于尾流特征参数、尾流失稳过程和尾流诱导及其与二次涡的相互影响，揭示近地阶段飞机尾流演化机理。考虑近地阶段飞机飞行高度和飞行速度不断变化的特点，研究不同跑道构型下的飞机近地阶段碰撞风险模型；然后，根据实际和理论数据确定尾流间隔标准安全评估指标，对近地阶段飞机尾流间隔缩减进行安全性分析；最后提出近地阶段飞机尾流间隔动静态标准建议。课题研究成果将为制定更科学的尾流间隔标准、提高机场跑道利用效率提供理论基础和实验依据。

保持尾流间隔对后机的飞行安全极其重要，但是过大的尾流间隔会限制机场跑道资源利用效率。本项目对近地阶段飞机尾流演化机理和风险控制理论开展系统性研究，解决飞机尾流演化精确模拟、尾流间隔缩减策略、尾流风险控制技术验证等关键问题。.在尾流演化模拟研究方面，构建了尾流耗散模型，发展了超大计算域和复杂构型的高效数值模拟方法，实现了对尾流演化过程的精确模拟；研究了典型机型的尾流生成机理和近地演化过程，揭示了其尾流场结构特点及尾涡演化机理；利用风洞实验分析了尾流的生成及耗散过程，研究了风洞侧壁和顶壁对尾流的影响；利用相干多普勒激光雷达开展了机场实地的尾流测量，对比分析了实地测量与数值模拟和风洞实验结果，为发展更精确的尾流演化分析手段提供了支撑；模拟了复杂气象对尾流演化的影响，提出了一种后机受前机尾流影响的安全评估方法，可准确计算给定间隔下跟随后机的气动力变化情况。.在尾流间隔缩减策略研究方面，建立了飞行高度和速度变化条件下的近地阶段航迹碰撞风险理论模型，提出了静态尾流间隔缩减标准及动态尾流间隔缩减技术和方法。以飞机遭遇尾流时的滚转力矩和过载增量为安全评估指标，计算了典型机型在单跑道、近距平行跑道运行下的最小尾流间隔值，结合碰撞模型，对尾流间隔缩减标准进行了碰撞风险分析，提出了飞机尾流间隔缩减的建议。 .在尾流风险控制技术的验证方面，通过尾流探测数据分析，验证了当前使用的尾流间隔进一步缩减的可行性；选取了不同的机型组合，在X-plane中模拟仿真了不同尾流间隔下后机遭遇前机尾流的飞行状态，验证了所提出的缩减尾流间隔的安全性；在成都、昆明、重庆开展了缩减尾流间隔的实践运行工作，从理论方法到实地探测、模拟飞行、实践运行，系统验证了所提间隔标准的可行性。.对比美国联邦航空局、欧洲航行安全组织、国际民航组织的相关工作，项目形成的尾流风险控制方法展示了其优越性，可为我国民用航空提高机场起降运行效率提供原理和方法支持。