飛行氣象學(xué)：第五章 飛機顛簸

第五章飛機顛簸飛機顛簸事故1993年4月6日，北京時間6時30分，當?shù)兀ò⒘羯辏r間凌晨2時30分，我國東方航空公司一架MD-11型遠程寬體客機，在從上海到洛山磯的飛行途中，在太平洋的阿留申群島萬米高空失去控制，30秒鐘之內(nèi)飛機急劇顛簸了3次，飛機以每10秒鐘跌落1700英尺的驚人速度下墜，造成1名乘務(wù)員和1名乘客死亡，30多人頭皮破裂，頭骨骨折，另有100人輕傷，飛機最后在美國西米亞空軍機場著陸。1977.7.6，北京經(jīng)大阪飛回東京的日本某航空公司的班機，在東京大島附近2000m上空遇到嚴重顛簸，突然下墜300m，未系好安全帶的乘客和服務(wù)員騰空而起，頭部撞及天花板，9人受傷。1982.8.16，臺灣一架B747，遇到嚴重顛簸，造成2人死亡，19人受傷。1990年9月23日我國國際航空公司一架B2442號飛機執(zhí)行莎迦到北京的航班任務(wù)。23時13分，飛機在伊斯蘭堡上空39000英尺高度上，突然遇到強烈顛簸，達3-4分鐘，機上27人受重傷，59人受到不同程度的撞傷和砸傷，3名心臟病患者經(jīng)搶救后才脫離危險，飛機內(nèi)部受損達68處。飛機顛簸事故大氣湍流空氣的的無規(guī)則運動就是湍流。或者說，包含著不規(guī)則運動的氣流，就是亂流一、湍流發(fā)展的依據(jù) 實際大氣中的湍流是熱力因素和動力因素共同作用的結(jié)果。 在自由大氣中，是否由湍流發(fā)展，可以用里查孫數(shù)（Ri）來判斷。Ri減小，有利于湍流發(fā)展，反之則不利于湍流發(fā)展。大氣亂流產(chǎn)生的原因

動力因素熱力因素風切變二、湍流的種類根據(jù)湍流的成因，并考慮航空上判斷的需要，把大氣湍流分為：熱力湍流動力湍流山地波晴空湍流尾渦湍流

（一）熱力湍流由空氣熱力原因形成的湍流稱熱力湍流。常常出現(xiàn)在對流層的低層，當有較強的熱力對流發(fā)展時，也可能擴展到高空。（二）動力湍流空氣流過粗糙不平的地表面或障礙物時出現(xiàn)的湍流，或由風切變引起的湍流，都稱動力湍流。其影響范圍多在1～2千米高度以下。

動力亂流的強度和規(guī)模決定于風向風速、下墊面粗糙度近地層大氣穩(wěn)定度氣流遇障礙物形成的湍流建筑物下風方向的湍流渦旋地形與湍流地形與湍流另外，動力湍流也可由風切變引起。當風的垂直切變超過某一臨界值時，空氣會自發(fā)產(chǎn)生小尺度的波狀起伏，風切變越大湍流越強。（三）山地波（MountainWave）是指強風通過山脈時，在下風方向形成的一系列的背風波或渦旋。山地波的影響范圍，在水平方向上可伸展幾十千米至幾百千米，向上可伸展到整個對流層，甚至影響到平流層。山地波的發(fā)展，受地形條件、風向風速和氣層穩(wěn)定度的影響。當風向與山脊走向成正交，風速大于8-10米/秒且向上遞增，山地上氣層穩(wěn)定時，山地波發(fā)展強盛，范圍也大，發(fā)生中度的顛簸；當風速>10m/s時，且開始隨高度增加后又隨高度減小，這時會出現(xiàn)強烈的滾轉(zhuǎn)氣流，并出現(xiàn)強烈的顛簸。Schematiccrosssectionofamountainwave.Notethestandingwavepatterndownwindfromthemountain.Notealsotherotarycirculationbelowthewavecrests.Whentheaircontainssufficientmoisture,characteristiccloudsform.

mountainwaveturbulenceSIGWXmountainwavesymbol比較來說，背風坡的下降氣流對飛行危害更大，這是因為背風坡下沉氣流不但能使飛機被迫降低高度，還容易卷入背風坡渦旋中，在山地飛行，飛機都要保持在安全高度以上。1982.4.26，在廣州至桂林的航線上，民航一架三叉戟在山區(qū)飛行，由于沒有保持安全高度，導(dǎo)致飛機受到下降氣流影響而撞山。當飛機由風速較小的高山背風坡或迎風坡下部穿越風速較大的山側(cè)面或山頂時，會遇到較強的風速切變，造成飛機顛簸。例如：在我國西藏地區(qū)，當飛機由風速小的地區(qū)飛向風速大的地區(qū)時，常出現(xiàn)中度以上甚至強的顛簸。山區(qū)谷地上空，當有順谷走向的強風出現(xiàn)時，也容易引起飛機顛簸。例如：冬季西藏高原上東西走向的各狹窄地段，常常是強顛簸區(qū)，這是因為冬季高原上空為西風急流控制，西風風速很大，午后氣層不穩(wěn)定，動量下傳，再加上東西向山谷通道的“峽管效應(yīng)”，使河谷中的風速突然增大，出現(xiàn)很強的陣風，使飛過的飛機發(fā)生強烈的顛簸。在許多高山山口地區(qū)，風速常常大于六級，并伴有飛砂走石現(xiàn)象，中低空亦有強的顛簸，是飛行的危險區(qū)。例如：我國西藏高原上的唐古拉山口等，這些地區(qū)都是飛行危險區(qū)。飛機進入山地波區(qū)后的措施:避開山帽云、滾軸云和莢狀云，因為云中有強的湍流和升降氣流；飛機至少應(yīng)保持3/2山高的飛行高度，這樣雖然不能完全避免顛簸，但遇到下降氣流時可以安全脫離；以45°角接近山脈，以便遇到強烈的下沉氣流時能迅速回轉(zhuǎn)；警惕氣壓高度表發(fā)生誤差；按規(guī)定的飛行速度穿越湍流區(qū)；（四）晴空湍流晴空湍流（CAT：ClearAirTurbulence）是指出現(xiàn)在6000米以上高空，與對流云無關(guān)的湍流不伴有可見的天氣現(xiàn)象，飛行員難于事先發(fā)現(xiàn)，對飛行威脅很大晴空湍流的成因與強風切變有密切關(guān)系 高空急流附近、槽線附近、閉合低壓周圍、切斷低壓東北部

ClearAirTurbulence:（五）尾渦湍流(WakeTurbulence)又稱尾渦亂流，指飛機飛行時產(chǎn)生的一對繞翼尖旋轉(zhuǎn)的方向相反的閉合渦旋。尾渦對尾隨大型飛機起飛著陸的小型飛機影響很大。在兩條尾渦之間，是向下的氣流，兩條尾渦的外側(cè)是向上的氣流。尾渦流場的寬度約為兩個翼展，厚度約為一個翼展。尾渦在飛機起飛前輪抬起時產(chǎn)生，在著陸前輪接地時結(jié)束尾渦下降和變平winddriftsturbulentwake(withtworunwaysactiveitmustbehazardous)

Planninglandingortakeofftoavoidheavyaircraftwaketurbulence.（1）iflandingbehindanotheraircraft,keepyourapproachabovehisapproachandkeepyourtouchdownbeyondthepointwherehisnosewheeltouchedtherunway如果在另一架飛機之后，保持你的進近在他的進近之上，同時保持你的接地點在他的前輪著地點外。

(2)iflandingbehindadepartingaircraft,landonlyifyoucancompleteyourlandingrollbeforereachingthemidpointofhistakeoffroll如果在起飛飛機之后落地，在到達起飛構(gòu)型完成前中點完成著陸時才可以著陸。

(3)ifdepartingbehindanotherdepartingaircraft,takeoffonlyifyoucanbecomeairbornebeforereachingthemidpointofhistakeoffrollandonlyifyoucanclimbfastenoughtostayabovehisflightpath如果在一架航空器起飛后起飛，只能在到達它的起飛構(gòu)型中點前起飛和快速爬升到它的航路之上時才可以起飛

(4)ifdepartingbehindalandingaircraft,don'tunlessyoucantaxiontotherunwaybeyondthepointatwhichhisnosewheeltoucheddownandhavesufficientrunwayleftforsafetakeoff如果在落地航空器之后起飛，除非能夠滑行到它前輪落地點之前，并且剩余跑道足夠用來安全起飛，否則不能起飛

ICAOhorizontalseparationinrespecttothemassoftheaircraftaircraftwaketurbulenceisoneofthemostimportantfactorwhichdecreasesrunwaycapacity

因為尾流是看不見的，所以，飛行員要小心謹慎，時刻警惕，注意避開尾流，特別是小型機的飛行員。為了有效的避開前機尾流，應(yīng)做到以下幾點：⑴儀表飛行時，兩機之間的距離已嚴格遵守空中交通管制部門的規(guī)定，且軌跡的高度差至少也要有300米。⑵目視飛行時，兩機至少保持兩分鐘的間隔（兩分鐘后，飛機尾渦基本上已消失）。⑶同方向起飛時，著陸時，起飛最好在前機離地點之后900米處離地，著陸應(yīng)在前機接地點之前800米處接地。顛簸的形成和顛簸的強度

1、飛機湍流與飛機尺度相當?shù)?、無一定順序出現(xiàn)的那部分渦旋（渦旋直徑為15～150米）

2.飛機顛簸的形成飛機顛簸主要考慮垂直陣風的作用二、顛簸的強度

（一）顛簸強度的區(qū)分

根據(jù)飛行員感覺和目測劃分等級根據(jù)飛機在垂直方向承受的負荷變量劃分顛簸強度符號

弱顛簸中度顛簸強顛簸

輕度顛簸

飛機輕微地和有間歇地上下投擲，空速表示度時有改變中度顛簸

飛機抖動、頻繁地上下投擲，左右搖晃，顛簸，操縱費力，空速指針跳動達10

km/h嚴重顛簸

飛機強烈地抖動，頻繁地和劇烈地上下投擲不止，空速指針跳動達15~20

km/h，操縱有困難根據(jù)飛機在垂直方向承受的負荷變量劃分

飛機的負荷因素（N）與飛機升力（Y）和重力（G）的關(guān)系式N=Y／G

△N=△Y／G

△Y=M·△a

△N=△a／g

│△N│＜0.2為弱顛簸；│△N│＞0.5為強顛簸；0.2≤│△N│≤0.5為中度顛簸。（二）影響顛簸強度的因子1.湍流強度2.飛行速度3.飛機的翼載荷1.湍流強度湍流強度取決于垂直陣風風速和空氣密度。 垂直陣風的速度越大，空氣密度越大，它們所引起的飛機升力的變化越大，顛簸也越強；反之，它們所引起的飛機升力的變化越小。2.飛行速度在低速飛行條件下飛行速度越大顛簸就越強高速飛機飛行速度越大，顛簸就越小3.飛機的翼載荷翼載荷是單位機翼面積上承受的重量

翼載荷小的飛機，顛簸較強翼載荷大的飛機，顛簸較小

1、低空顛簸區(qū)的分布山區(qū)顛簸比平原地區(qū)多;總的來說是小塊的零星的分布三、顛簸區(qū)的空間分布特征（二）中高空顛簸層的厚度

1、顛簸層的厚度2、中高空顛簸層的水平尺度飛機顛簸層隨緯度和高度的分布動力湍流顛簸

多見于中高緯度大陸，多數(shù)離地面不超過1～2千米；熱力湍流顛簸

低緯地區(qū)多于高緯地區(qū)，并多出現(xiàn)在對流層的中層；晴空湍流顛簸

多出現(xiàn)在對流層上部和平流層

各種亂流出現(xiàn)頻率我國青藏高原最容易產(chǎn)生顛簸：

我國青藏高原，由于特殊的自然地理條件，在7500～9000米的飛行高度上，熱力湍流、動力湍流和晴空湍流都能起作用，因此顛簸出現(xiàn)的頻率和強度都高。四、產(chǎn)生顛簸的天氣系統(tǒng)和地區(qū)

（一）天氣系統(tǒng)1.鋒面2.空中槽線和切變線3.高空低渦4.高空急流區(qū)5.對流層頂1.鋒面

較強的顛簸多出現(xiàn)在鋒面附近。冷氣團一側(cè)出現(xiàn)的頻率比暖氣團一側(cè)大。鋒面愈強，鋒面坡度愈陡，鋒面移動速度越快，兩側(cè)氣團越不穩(wěn)定，產(chǎn)生的亂流顛簸就越強。在各種鋒面中，冷鋒的顛簸最強。冷鋒鋒面附近冷氣團的沖擊，鋒后大風與地形共同作用，空中強鋒區(qū)，水平、垂直風切變，以及冷鋒附近常有不穩(wěn)定云系產(chǎn)生，對湍流形成發(fā)展特別有利。暖鋒云系中飛行比較平穩(wěn)，湍流顛簸不強，發(fā)生的概率也比冷鋒小。但當暖鋒云系中隱藏著積雨云時，也會產(chǎn)生很強的顛簸。2、空中槽線和切變線高空槽是大型的天氣不穩(wěn)定區(qū)，槽前后，風切變大，風速輻合強，且有冷暖平流配置，整層都有反映。由于在槽前后有明顯的風切變和溫度切變，所以有較強的顛簸。在切變線附近雖然風速小，但風向多變，在此情況下很容易產(chǎn)生顛簸。3.高空低渦

飛機穿過高空低渦時，碰到的高空風很小，但風向打轉(zhuǎn)，并且由于高空低渦大多是冷性的，使氣層變得不穩(wěn)定，亂流發(fā)展，飛機會遇到中度以上的顛簸。

4、高空急流區(qū)當高空急流區(qū)牽涉到溫度平流時，常在冷平流加強的區(qū)域產(chǎn)生晴空顛簸。當高空南北兩支急流相距較近時，在匯合區(qū)產(chǎn)生湍流的頻率很大。另外，急流中的紊流分布受地形影響很大。一些研究表明，最多顛簸的急流部分常出現(xiàn)在山地上空。

晴空紊流多發(fā)生在高空急流中，尤其是發(fā)生在高空急流軸下方靠近鋒面的地方的紊流的強度通常是最強的。另外，雖然在急流的暖氣團一側(cè)遇到顛簸的可能性很小，但仍有可能遇到強烈的顛簸。不過，總體來說，嚴重的顛簸還是更有可能發(fā)生在急流的冷氣團一側(cè)。5.對流層頂附近對流層頂附近，尤其在對流層頂有斷裂現(xiàn)象和對流層頂坡度較陡時，往往有較強的湍流出現(xiàn)。積狀云區(qū) 積雨云區(qū)顛簸的水平分布

一、顛簸對飛行的影響顛簸對飛機結(jié)構(gòu)的影響顛簸對操縱飛機的影響顛簸對儀表指示的影響顛簸對飛行性能的影響顛簸使機身振顫，甚至自動停車。顛簸對人的影響顛簸對飛行的危害顛簸對飛機結(jié)構(gòu)的影響飛行中出現(xiàn)顛簸，飛機各部分和構(gòu)件，都要經(jīng)受忽大忽小的載荷變化，顛簸越強，載荷變化就越大。如果飛機長時間受到強烈載荷變化的作用，或受到超過飛機所能承受的最大載荷，飛機的某些部位，如機翼或尾翼就可能變形甚至因疲勞而損壞。顛簸對操縱飛機的影響飛機出現(xiàn)顛簸時，飛行高度、速度以及飛行姿態(tài)(包括俯仰角速度、偏轉(zhuǎn)角速度和滾轉(zhuǎn)角速度)都會不斷地發(fā)生不規(guī)則的變化，顛簸強烈時，飛行高度變化可達數(shù)十米至數(shù)百米，飛行速度和飛行姿態(tài)的變動也很劇烈，這樣就給操縱飛機帶來很大的困難，飛行員要費很大的精力來盡量保持飛機處于正常狀態(tài)。因而體力消耗大易于疲勞，如不立即脫離強顛簸區(qū)很容易失去對飛機的操縱，釀成事故。顛簸對儀表指示的影響飛機顛簸時，儀表受不規(guī)則震動，其指示常發(fā)生一些誤差。特別是在強顛簸條件下，升降速度率表、空速表、高度表和羅盤等飛行儀表就會產(chǎn)生明顯的誤差，有時甚至不能讀數(shù)，以致喪失修正飛行狀態(tài)的依據(jù)。顛簸對飛行的危害顛簸對飛行性能的影響1.平飛最小速度增大在穩(wěn)定氣流中飛行，飛機的平飛最小速度受臨界迎角限制。在擾動氣流中飛行，飛機若突然遇到上升氣流，由于相對氣流餓方向改變，迎角突然增大。為了使增大后的迎角不大于臨界迎角，在擾動氣流中飛行時，使用的最大迎角應(yīng)比臨界迎角小一些。擾動氣流增強，所引起的迎角變化量增大，平飛允許使用的最大迎角就減小，平飛最小允許速度則增大。顛簸對飛行的危害顛簸對飛行性能的影響2.平飛最大允許速度減小平飛中，遇到不穩(wěn)定的上升氣流，由于迎角增大，使外力和載荷因數(shù)增大。上升氣流速度大，它所引起的迎角變化量大，升力變化量也大，所以載荷因數(shù)變化量大，飛行速度大，在相同的上升氣流作用下，雖然迎角變化量小，但因相對氣流速度大，升力變化量也大，載荷因數(shù)變化量也大，因此顛簸飛行中的最大允許速度減小。顛簸對飛行的危害顛簸對人的影響強的顛簸會使機組和旅客十分疲憊，頭昏眼花，惡心嘔吐等生理不適的現(xiàn)象，特別是突然遇到強烈顛簸，會因碰撞造成乘客傷亡。二、遭遇顛簸時的處置方法柔和操作，保持平飛。不必嚴格保持俯仰角。采用適當?shù)娘w行速度。選擇適當?shù)母叨取＿m當改變高度和航線，脫離顛簸區(qū)。在航線遭遇對流性云采取的措施。1.柔和操作，保持平飛在湍流區(qū)中飛行，飛機所承受的總載荷因數(shù)，等于平飛載荷因數(shù)加上操縱飛機作機動時產(chǎn)生的以及陣風而引起的載荷因數(shù)變化量。飛機顛簸時結(jié)構(gòu)的破壞，多是由于機動動作急劇，產(chǎn)生機動載荷因數(shù)變化量較大，并同陣風載荷因數(shù)變化量迭加而造成的。因此，為了減輕飛機的總載荷因數(shù)，在湍流區(qū)中飛行，應(yīng)盡可能減小機動動作量，限制大過載急轉(zhuǎn)彎。

2.不必嚴格保持俯仰角在強烈顛簸氣流中飛行時，主要依靠飛機本身的穩(wěn)定性來恢復(fù)迎角。飛行員不必過多地干預(yù)俯仰姿態(tài)的改變，以免妨礙迎角的恢復(fù)。下一個陣風的方向，大小和時間隨機，故不必過分嚴格操縱飛機保持俯仰姿態(tài)（且由于操縱動作常常落后于飛行姿態(tài)的變化，結(jié)果反而可能導(dǎo)致飛機承受更大的載荷因數(shù)）。3.采用適當?shù)?/p>