ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题，基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型，对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先，通过尾涡耗散模型和速度模型，建立了不同前机尾涡速度场；然后，根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解，得到其升力和滚转力矩；最后，将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较，分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时，过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时，相比于ICAO规定的中型机尾流间隔，ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

相关进近模式的近距平行跑道尾流危险区域分析

相比于机场一起一降的运行模式,近距平行跑道的相关平行进近运行模式可以最大限度地提升跑道容量.根据尾流在大气中各个阶段的运动特性,得到了以时间为变量的尾流水平侧移距离数学模型.应用Matlab仿真软件得到了侧风及地面效应影响情况下的上海虹桥国际机场实行近距平行跑道相关平行进近的侧向尾流危险区域图,并分析得到了后机不受到前机尾流影响情况下两机需保持26.9 s的最大尾流时间间隔.利用尾流危险区域的特点,可缩短尾流时间间隔,从而大幅度提高机场容量.     

纵向尾流间隔计算方法研究

综合考虑了飞机的速度、翼展、机翼面积、发动机推力等参数,应用空气动力学中的环量计算理论、尾流消散原理等,将动量定理和涡阻力的计算原理应用到尾流间隔的计算,分别建立了纵向尾流间隔计算模型。采用实际数据计算验证模型的正确性。     

尾流间隔标准优化与管理控制研究综述

在交通流量持续增长的背景下,如何减少和利用间隔标准是增强运行容量和提高运行效率的有效手段。从两个角度阐述尾流间隔缩减的研究现状：尾流间隔的标准优化和尾流间隔的管理和控制。对于尾流间隔的标准优化,从基于距离间隔标准的优化和基于时间间隔标准的建立两个方面进行分析;对于尾流间隔的管理和控制,介绍了间隔管理系统、间隔发布支持平台和动态尾流间隔系统3种管理控制手段。最后总结了研究进展并提出了未来研究方向。     

一种适用于进近尾流间隔缩减的机型聚类方法

目前,我国广泛使用的尾流间隔标准过于保守,导致机场跑道容量受限。以进近航空器的尾流遭遇问题为研究对象,首先研究进近尾流安全间隔缩减方法,获取缩减后的临界尾流间隔;然后基于主成分分析法（PCA）对 BADA 数据库中的航空器性能数据降维,提出一种适用于进近尾流间隔缩减的机型层次聚类方法;最后采用该方法得到新的机型分类结果并构建缩减后的尾流安全间隔标准。结果表明：本文所使用的机型层次聚类方法与国内外航空器分类方法具有较好的一致性,在长沙黄花国际机场的主流配对机型间,所获取的进近航空器尾流间隔标准与传统尾流间隔标准相比可以缩减 0.8 km 以上。     

基于尾流效应的编队飞行优化分析

针对如何利用前机尾涡的上洗气流来达到减小后机飞行阻力的问题,进行了基于尾流效应的编队飞行优化分析。首先,通过分析后机在尾涡上洗气流中的受力情况,建立了尾流效应相关模型;然后,通过计算诱导滚转力矩系数评估后机飞行的安全性,通过阻力系数的变化判定诱导减阻效果;最后,建立多目标优化评价模型,以后机的安全性和诱导减阻效果为优化目标来确定后机在编队飞行中的最佳位置。研究结果表明,最佳编队位置并不是固定的,飞行高度、飞行速度等外部因素都会对编队飞行中后机的最佳编队位置产生一定的影响。     

基于多元极值Copula的尾流飞行风险概率评估

在尾流问题日益突出的背景之下,结合人-机-环复杂系统建模与多元极值理论,评估遭遇近距近地尾流情形下的飞行风险概率。基于蒙特卡罗法提取尾流极值参数,验证了一维极值参数符合广义极值（GEV）分布;在此基础上提出了二维极值参数的双参数变权重（DPAVW） Copula模型,利用自适应区间粒子群优化（ARPSO）算法对目标函数中的未知参数进行了辨识,拟合优度检验的结果表明DPAVW Copula模型具有比其他Copula模型更高的精度;在利用Copula模型对尾流三维空间中所有二维极值参数进行描述的基础上,求出了每个网格节点上对应的飞行风险概率值,构建了尾流场内二维及三维可视化风险概率图。所提方法是对飞机系统安全性评估理论与方法的有效补充,对于尾流场内的导航控制与风险规避、机场起降的尾流安全间隔改进、环境风险可视化等研究方向有一定的参考价值;同时也适用于不同状况下飞行风险概率的横向对比分析。     

侧向风速对飞机尾流运动的影响

为了使机场雷达能实时探测和定位飞机尾流,对飞机飞行环境进行合理假设后提出了一个仿真尾流的保守被动模型,该模型能很好地描述尾流中水蒸气等物质的运动演化规律。综合考虑大气环境中风速对尾流的影响,利用该仿真模型对尾流进行了实时仿真,得到了不同侧向风速情况下,不同时刻尾流的状态分布等重要特性。通过分析侧向风速对飞机尾流运动过程的影响,证明了当侧向风速为1.0~3.0 m/s时是最危险的,所得结论可为飞机飞行过程中避免尾流的影响提供理论依据。     

舰船空气尾流场特性研究

舰船空气尾流场是舰载直升机在非航空型舰船上起降或者在这类舰船附近作业时的主要环境条件，是危及舰载直升机飞行安全的主要因素之一。现以机－舰动态干扰为研究目的。通过各种试验结果的相互比较，验证，综合分析了舰船空气尾流场特性。着重研究了尾流场中涡流区的及变化规律，下洗速度的大小、下洗范围及变化规律，为机－舰动态配合的试验提供了可靠的依据，另外，还结合飞行实践简要地分析了直升机进入尾流场后的反应。     

交叉跑道进离场航空器安全间隔研究

交叉跑道在我国尚属新的跑道构型,亟需建立相关标准和评估方法来提高其运行安全性与运行效率。针对交叉跑道进近航空器与离场航空器可能出现航迹交叉情况建立安全间隔,首先通过建立碰撞风险模型计算进近航空器至跑道端的距离;然后建立交叉跑道进近复飞与离场航空器之间的尾流间隔模型,并求出离场航空器产生的尾流是否影响复飞航空器,从而确定...     

反弹自消散系统尾涡控制机制研究

为了研究加快尾涡消散的机理,以获得更合理的尾流间隔,进行了壁面反弹实验的数值模拟计算。实验采取在模拟机翼后缘安置反弹面的方法,诱发反弹二次涡与主涡相交出现不稳定性,以加快尾流衰减。数值计算运用N-S方程,对雷诺应力项采用Realizableκ-ε涡粘模型进行计算,分析经二次涡干涉后尾涡轴向涡量衰减、涡核下沉运动等参数的变化,以探究反弹二次涡对飞机主涡消散的演变影响。实验结果表明,反弹涡对主涡衰减有明显的促进作用。该实验为人工干预缩减机场尾流间隔的研究奠定了理论基础。     

A new vortex sheet model for simulating aircraft wake vortex evolution

A new vortex sheet model was proposed for simulating aircraft wake vortex evolution.Rather than beginning with a pair of counter-rotating cylindrical vortices as in the traditional models,a lift-drag method is used to initialize a vortex sheet so that the roll-up phase is taken into account.The results of this model report a better approximation to a real situation when compared to the measurement data.The roll-up induced structures are proved to influence the far-field decay.On one hand,they lead to an early decay in the diffusion phase.On the other hand,the growth of linear instability such as elliptical instability is suppressed,resulting in a slower decay in the rapid decay phase.This work provides a simple and practicable model for simulating wake vortex evolu tion,which combines the roll-up process and the far-field phase in simulation.It is also proved that the roll-up phase should not be ignored when simulating the far-field evolution of an aircraft wake vortex pair,which indicates the necessity of this new model.     

地面效应对尾涡消散的影响研究

采用大涡模拟方法可以分析和计算近地阶段尾涡消散和运动规律,但模型繁琐、计算复杂。本研究基于镜像涡方法建立了形式相对简单、计算迅速的近地尾涡运动模型和消散模型,计算结果与激光雷达测量数据和大涡模拟数据的偏差都不超过5％,满足动态尾涡间隔研究的需要。     

飞机尾流的快速建模方法

尾流的强度主要由飞机的飞机重量、飞行速度和机翼形状所决定和仿真尾流的保守被动模型可很好的描述尾流系统中水蒸汽、位温等保守被动量的运动演化规律,但这种参数仿真时间长、对计算机要求高,不能实时预测任一机型所产生的尾流的状态分布特性.为此提出了一种尾流的快速建模方法,很好的解决了以往尾流实时仿真时的缺点,为飞机飞行过程中实时预测前机尾流的影响区域提供理论依据,从而减少尾流事故的发生.      

机翼尾迹脱落涡噪声的理论研究

Ｍｉｃｈｅｌ等人１９９８年应用平面传声器阵列对飞机过顶噪声进行的测量研究首次发现，机翼尾迹脱落涡噪声是某些类型飞机重要的噪声源。为发展一种预测这种噪声源的理论预测模型，应用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ涡街模型模拟二维机翼下游尾迹脱落涡，尾迹涡的强度和脱落频率应用这个模型进行计算。基于Ｈｏｗｅ后缘噪声理论，并结合尾迹模型，本文发展了一种预测脱落涡噪声声压级和指向特征的气动声学模型。对６架现代商用飞机的机翼尾迹脱落涡噪声的计算表明，本文理论模型预测的涡脱落频率、声压级以及噪声的指向性等与实验测量结果有较好的一致性。     

Excitation of instabilities in the wake of an airfoil by means of active winglets

Strong wake vortices that develop behind every aircraft as a byproduct of lift production pose a threat where aircraft fly in close staggering such as in the vicinity of airports. One approach to alleviate these vortex wakes is the use of high lift systems or control surfaces of the wing to create an unstable vortex system. The inherent instability of this vortex system shall then lead to an accelerated decay of the vortex wake, triggered for example by a periodic motion of the control surfaces. In the work presented here a simple wing model with winglets able to produce a vortex system of up to six distinct vortices is investigated in towing tank experiments. Theoretical studies show that these vortex systems potentially have a high degree of instability. By means of active oscillation of rudders integrated into the winglets, these vortex systems are to be excited to initiate an accelerated decay of the vortices. It is shown that configurations exist which exhibit strong instabilities, that lead to a significantly lower hazard level behind the vortex generating wing, even when not actively excited. However, an additional oscillation does not seem to accelerate decay of these vortex systems in relation to the statical reference case.     

一种尾流消散动态预测的改进算法

尾流间隔是增大跑道容量的主要限制因素之一，为了在保持安全水平的前提下有效地增大跑道容量，可以对尾流消散进行动态预测，并据此缩减尾流间隔。研究了一种尾涡消散动态预测算法，该算法考虑了真实大气的大气分层、湍流、侧风、迎面风、风切变以及地效影响，并用一阶后向差分对该算法进行了离散化改进；在改进算法的基础上，时进近阶段尾流的消散在Matlab中进行了仿真计算；计算结果复现了尾涡的下沉现象和侧风对尾涡传输的线性累积效应。     

动态尾涡间隔计算工具的开发与实现

基于建立的尾涡消散模型、运动模型、遭遇模型,以Delphi 7.0为平台,采用面向对象的设计思想,开发了动态尾涡间隔计算工具,包括前机诱导尾涡流场计算、后机遭遇响应过程分析、安全间隔计算等功能模块。根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据,实现对尾涡间隔的实时、高效计算。基于开发的计算工具,以B777-200和B737-800为前后机进行了验证计算。