风切变

低空风切变对飞行的影响1低空风切变对飞行的影响学生：张健指导教师：段炼摘要本文分析了低空风切变产生的条件以及对飞行的危害性尤其对飞机着陆时的危害性。从飞行员的角度对防范低空风切变做了定性的研究，在预防和探测上进行了论述,并提出几点建议。关键词：风切变飞行安全探测低空风切变对飞行的影响2TheinfluencetoflightofLowaltitudewindshearAbstract：Thistextanalyzestheconditionoflowaltitudewindshear,andtheharmtoairplane,andparticularlytothelandingofairplane.Thetextdoessomequalitativestudyaboutpreventingagainstthelowaltitudewindshearfromthepilots’standpoint,anddiscussesabouthowtopreventitanddetectit,andgivessomesuggestionsaboutit.Keyword:WindShearFlightSafetydetect低空风切变对飞行的影响3引言随着航空事业的发展，大型运输机的不断增多。起飞着陆时发生的事故也有所增加。人们对这些事故分析后确认：低空风切变是这些失事飞机的主要原因。强的低空风切变对低空飞行安全有很大影响。尤其当飞机起降时，飞机速度小、高度低，风向风速的突变对低空飞行安全影响更大。容易造成严重事故。由于风切变现象具有时间短、尺度小、强度大的特点，从而带来了探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列困难，是一个不易解决的航空气象难题。因此，目前对付风切变得最好办法就是避开它。因为某些强风切变是现有飞机的性能所不能抗拒的。进行针对风切变的飞行员培训和飞行操作程序设置，在机场安装风切变探测和报警系统，以及机载风切变探测、告警、回避系统，都是目前减轻和避免风切变危害的主要途径。低空风切变对飞行的影响4一.低空风切变的定义和表现形式风切变（WINDSHEAR）指空间两点间单位距离的风矢量差。表示风的空间变率。根飞机相对与风矢量及其变化的各种情况，按航迹可以把风切变分为下列4种表现形式：1)顺风切变（TAILWINDSHEAR）指的是水平风的变量对飞机来说是顺风。顺风切变使飞机空速减小，升力降低。飞机下沉，这是一中比较危险的风切变形式。2)逆风切变（HEADWINDSHAEAR）指的是水平风的变量对飞机来说的逆风。逆风切变使飞机空速突然增大，升力突然增大。飞机抬升，危害相对轻些。3)侧风切变（CROSSWINDSHAEAR）低空风切变对飞行的影响5指的是飞机从一种侧风或无风状态进入另一种明显不同侧风状态，它有左右之分，使飞机发生侧滑。滚转或偏转。4)垂直切变（VERTICALWINDSHEAR）指的是飞机从无明显的升降气流区进入强烈的升降气流区的情况，特别的强烈的下降气流，往往有很强的猝发性，强度大，使飞机突然下沉，危险很大。二．低空风切产生的天气背景，尺度及其危害1)雷暴雷暴是产生强烈低空风切变的重要天气。雷暴单体下方的下曳气流在相当宽的范围内可以造成由下击暴流和雷暴外流组成的两种不同的风切变。一种是雷暴单体中心附近下方的下击暴流切变，他表现为范围小，生命期短，强度大的特征。另一种是下击暴流接近地面时转化为强烈的冷空气外流，它向四外传播，沿雷暴单体前进方向伸出15—25km，并使暖湿空气入流抬升形成阵风锋，在雷暴下方大范围内引起180度的风向变化，表现为强顺风切变和强逆风切变。由于其中一部分强风切变区向前伸展远离雷暴主体，不易察觉，对飞行安全威胁很大。当飞机穿越这类风切变时，先是逆风增大，而后逆风对飞机速度减小至零，并有强的下降气流，紧跟着又是大顺风，这种风切变对飞行危害是最大的，飞机在这一过程中先是空速增大，使飞机有利于获得高，然后空速迅速减小，使飞机迎角减小也造成升力降低，紧跟的大顺风会使风速再次减小，如果空速减到一定程度会使飞机掉高度甚至坠地。2)锋面锋面是产生风切变最多的天气系统。锋面两侧气象要素有很大差异，锋面过渡区的垂直结构，是产生风切变的重要条件。一般当锋面两侧的温度差大于等于5度，锋面移动速度大于等于15m/s时，都会在锋面附近产生对飞行有影响的低空风切变，其中尤其以冷锋型低空风切变危害较明显，但这种低空风切变一般持续时间较短。在冷风后的偏北大风区内往往也存在较严重的低空风切变。如1973年在波士顿罗津国际机场一架坠毁的DC-10就与锋面有关，另外冷锋附近会经常形成雷暴，也会产生强的低低空风切变对飞行的影响6空风切变，因此我们不能对它忽视。1994年5月17日08时850hpa空中图上，从50745到53193有一槽线，槽前冷暖平流明显。14时地面图上，从50745经54026到54115一为锋面，锋面最大△P3为+0.5hpa，前后最大△P3为-3.1hpa，前后变压差达3.6hpa，锋面移动较快，20时地面图上到达沈阳平均移动速度60km(附14时和20时地面形势图)。根据现代运输机航空气象学记载：锋面移动速55km／h时，锋面附近都会产生较强风切变，实际情况正是这样。20时925h高空图上，在沈阳附近有一条明显的切变线，切变线前后为南——西南风，风速10～16m／s。切变线后为NW风，风速4～10m／s，从周围实况情况看，17时到19时在沈阳附近有明显的切变线，17时沈阳是西风3m／s，18时西北风4m／s，19时为西南风：200m为300度3m/s，400m为310度5m/s，600m为320度3m/s，反映在锋面附近有很强的湍流，其表现在风速的阵性上，下午实测400m高空风为310度5m/s，而飞机进入五边后风速突然增大到14m/s，这说明机场上空300～400m高度，存在着较强的湍流。3)超低空急流在1500米以下，中心位置常见于120--160米之间的超低空急流常伴随产生低空风切变，最大风切变位于急流轴之下，我国曾观测过到的最低四十七米的超低空风切低空风切变对飞行的影响7变。超低空急流出现时，一定伴有逆温。正是逆温层阻挡了在其上的大尺度运动与地面之间的动量交换，为逆温层以上动量的累积和储存提供了条件，同时减缓了动量的耗散，利于逆温层上急流的形成和维持。此时天气晴朗，地面静风。4)低空逆温层晴夜，在低空易存在辐射逆温层，并常伴有低空急流，由于稳定的逆温层阻碍了上层大风向下层的传输，使地面风很弱，在逆温层上下形成风的垂直切变。单纯辐射逆温层引起的低空风切变的强度较雷暴和锋面引起的风切变弱的多，也比超低空急流引起的风切变稍弱些。这种风切变存在时往往逆温层，下层风平浪静，而上层狂风大做，飞机穿越逆温层时会造成上升或损失高度，如果逆温层很低，在飞机着陆时，飞行员处置不及时，很容易造成飞机坠地，或冲出跑道。这种风切变存在时往往逆温层，下层风平浪静，而上层狂风大做，飞机穿越逆温度时会造成上升或损失高度，如果逆温度很低，在飞机着陆时，飞行员处置不及时，很容易造成飞机坠地，或冲出跑道。此外当机场周围的环境和地形比较复杂时，也会产生对飞机的起飞，着陆有影响的低空风切变。如地形波，较大水陆界面等，一般山地高差大，水域面积大，机场附近高大建筑物群等，均容易产生风切变，尤其在较强阵风条件下。它出现的高度一般较低，并且通常伴随高度增加而风速减小，飞机在降过程中容易遭遇这种风切变，因在起降过程中飞机高度低，速度小，而我们通常是逆风起落，逆风的减小使飞机空速减小，如果无法使飞机速度加速来应付风对飞机空速的影响，轻则影响目测，重则导致飞机坠地，造成严重后果。低空风切变对飞行的影响8低空风切变的时空尺度特征和对飞行的危害程度小10.1-1水陆界面风切变小10.1-1地形风切变中10.1-1逆温层附近风切变中10.1-1超低空急流中10100暖锋中10100冷锋中110雷暴阵风锋大0.3-0.74-10下击暴流大0.1-0.250.04-4微下击暴流飞行的危害程度时间尺度（H）水平尺（KM）类型小10.1-1水陆界面风切变小10.1-1地形风切变中10.1-1逆温层附近风切变中10.1-1超低空急流中10100暖锋中10100冷锋中110雷暴阵风锋大0.3-0.74-10下击暴流大0.1-0.250.04-4微下击暴流飞行的危害程度时间尺度（H）水平尺（KM）类型三.低空风切变对飞行的影响3.1风切变对飞机性能的影响图6飞机受力和力矩示意图在讨论低空风切变对飞机性能影响前先，介绍一些气动力、气动力矩和角的概念。如图6所示，表示作用在一架飞机上的各种力和力矩的图形。（升力、阻力、迎角的概念图形）低空风切变对飞行的影响9垂直于相对气流方向的气动力叫做升力，用Y表示。并行于相对气流方向的气动力叫做阻力，用X表示。相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角，用α表示升力公式：Y=1/2Cyρv2S阻力公式：X=1/2Cxρv2S式中ρ——空气密度[公斤·秒2/米4]V——飞行速度[米/秒]；Cy——升力系数；(图7升力随迎角变化图)Cx——阻力系数；S——机翼面积；在恒定的空速条件下，前面提到的各种气动力都随迎角的变化而变化，在正常的迎角范围里，在恒定的空速下，作用于飞机上的升力和迎角成正比。如图7所示在恒定空速条件下，升力是迎角和襟翼偏转的函数。（如图7）风切变能够使空速和迎角两者迅速发生变化，从而使气动力发生较大变化。气动升力是平衡重力的主要成分，升力可以使飞机持久的保持飞行。所以在定常平衡条件下，当其他力都比不变时，升力的损失也将导致航迹的恶化。（图7）描述了顺风切变和下降气流切变时航迹恶化的情形。风切变从两方面是气动升力变化：1）风速沿航迹变化，对升力产生直接影响，并与空(图8垂直风切变对迎角影响)低空风切变对飞行的影响10速变化的平方成比例。2）垂直风切变使迎角发生变化，从而影响升力。它起初没有影响空速，如图所示（附图8）描述了垂直风切变对迎角的影响。上升气流的增加使迎角增加，导致气动升力增加。反之，下降气流的增加使迎角减小，导致气动升力的减小。风切变使空速或迎角减小，近而使气动升力减小，导致航迹恶化。风切变使得飞机的气动升力变化，除了会使航迹发生变化外，还会使得飞机的载荷也发生变化。飞机载荷是指除飞机自身重量之外的其他作用力，（发动机推力和气动力）的总和。其大小经常用载荷因素（简称过载）即飞机载荷与重力的比值来表示。由于发动机推力在立轴方向上的分量很小，所以过载就是升力和飞机重力之比。即：ny=l/w（l为升力，w为重力）。飞机遇到垂直风切变时，迎角和过载将发生较大变化，如图8所示。如飞机在巡航过程中，重量较重、速度较大，遇到较强的上升气流会使飞机的升力猛然增大，使得ny=l/w过大，可能会超过飞机的最大使用过载，造成飞机局部变形或损坏，对飞行安全构成威胁。3.2风切变的描述及飞机风速变化方程风和风切变可用不同的坐标系来描述。气象学中描述空间风场的完整方法是使用地面直角坐标系，研究风切变对飞行的影响，则采用飞行力学坐标系。在地面坐标系中风速矢量Vwg可以表示成（1）式中wgu为水平风速分量，顺风为正；wgv侧风分量，向左为正；wgw垂直风速分量，下降气流为正。变化风场特性与时间、地点有关，一般可写成。（2）则风的变化表示成:),,,(tzyxfVgggwgwgwgwgwgwvuV低空风切变对飞行的影响11dtdVtVDDVwgwgtwg（3）等式右边第一项为局地导数项，表示在一个固定地点上风速随时间的变化；右边第二项为相对导数项，表示由于观测地点所看到的风速随时间变化。相对于飞机飞行速度而言，风场的移动速度要慢得多。而且在一个固定地点上，风速的变化也较飞机位置的变化慢得多。在这样的前提下，可以把空间风场视为地点固定，并且风速不随时间变化的所谓“冻结场”。则由（3）式可知，风的变化只是由飞机位置变化引起的。若飞机位置变化表示为:Tgggvyxr（4）则飞机位置变化引起的风速变化为:kgrwgwgwgVVdtdr