飛行氣象學(xué)：第五章 飛機(jī)顛簸

第五章飛機(jī)顛簸飛機(jī)顛簸事故1993年4月6日，北京時間6時30分，當(dāng)?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(yuǎn)程寬體客機(jī)，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(jī)急劇顛簸了3次，飛機(jī)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(jī)最后在美國西米亞空軍機(jī)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(jī)，在東京大島附近2000m上空遇到嚴(yán)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(yán)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(jī)執(zhí)行莎迦到北京的航班任務(wù)。23時13分，飛機(jī)在伊斯蘭堡上空39000英尺高度上，突然遇到強(qiáng)烈顛簸，達(dá)3-4分鐘，機(jī)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(jī)內(nèi)部受損達(dá)68處。飛機(jī)顛簸事故大氣湍流空氣的的無規(guī)則運(yùn)動就是湍流。或者說，包含著不規(guī)則運(yùn)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?zé)崃σ蛩仫L(fēng)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(dāng)有較強(qiáng)的熱力對流發(fā)展時，也可能擴(kuò)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(fēng)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(qiáng)度和規(guī)模決定于風(fēng)向風(fēng)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(fēng)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(fēng)切變引起。當(dāng)風(fēng)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(fēng)切變越大湍流越強(qiáng)。（三）山地波（MountainWave）是指強(qiáng)風(fēng)通過山脈時，在下風(fēng)方向形成的一系列的背風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速和氣層穩(wěn)定度的影響。當(dāng)風(fēng)向與山脊走向成正交，風(fēng)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(qiáng)盛，范圍也大，發(fā)生中度的顛簸；當(dāng)風(fēng)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(qiáng)烈的滾轉(zhuǎn)氣流，并出現(xiàn)強(qiáng)烈的顛簸。Schematiccrosssectionofamountainwave.Notethestandingwavepatterndownwindfromthemountain.Notealsotherotarycirculationbelowthewavecrests.Whentheaircontainssufficientmoisture,characteristiccloudsform.

mountainwaveturbulenceSIGWXmountainwavesymbol比較來說，背風(fēng)坡的下降氣流對飛行危害更大，這是因為背風(fēng)坡下沉氣流不但能使飛機(jī)被迫降低高度，還容易卷入背風(fēng)坡渦旋中，在山地飛行，飛機(jī)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(jī)受到下降氣流影響而撞山。當(dāng)飛機(jī)由風(fēng)速較小的高山背風(fēng)坡或迎風(fēng)坡下部穿越風(fēng)速較大的山側(cè)面或山頂時，會遇到較強(qiáng)的風(fēng)速切變，造成飛機(jī)顛簸。例如：在我國西藏地區(qū)，當(dāng)飛機(jī)由風(fēng)速小的地區(qū)飛向風(fēng)速大的地區(qū)時，常出現(xiàn)中度以上甚至強(qiáng)的顛簸。山區(qū)谷地上空，當(dāng)有順谷走向的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時，也容易引起飛機(jī)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(qiáng)顛簸區(qū)，這是因為冬季高原上空為西風(fēng)急流控制，西風(fēng)風(fēng)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(fēng)速突然增大，出現(xiàn)很強(qiáng)的陣風(fēng)，使飛過的飛機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈的顛簸。在許多高山山口地區(qū)，風(fēng)速常常大于六級，并伴有飛砂走石現(xiàn)象，中低空亦有強(qiáng)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(jī)進(jìn)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(qiáng)的湍流和升降氣流；飛機(jī)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(qiáng)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(qiáng)風(fēng)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(jī)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(jī)起飛著陸的小型飛機(jī)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(jī)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(jī)之后，保持你的進(jìn)近在他的進(jìn)近之上，同時保持你的接地點(diǎn)在他的前輪著地點(diǎn)外。

(2)iflandingbehindadepartingaircraft,landonlyifyoucancompleteyourlandingrollbeforereachingthemidpointofhistakeoffroll如果在起飛飛機(jī)之后落地，在到達(dá)起飛構(gòu)型完成前中點(diǎn)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(dá)它的起飛構(gòu)型中點(diǎn)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(diǎn)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(jǐn)慎，時刻警惕，注意避開尾流，特別是小型機(jī)的飛行員。為了有效的避開前機(jī)尾流，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：⑴儀表飛行時，兩機(jī)之間的距離已嚴(yán)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(jī)至少保持兩分鐘的間隔（兩分鐘后，飛機(jī)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(jī)離地點(diǎn)之后900米處離地，著陸應(yīng)在前機(jī)接地點(diǎn)之前800米處接地。顛簸的形成和顛簸的強(qiáng)度

1、飛機(jī)湍流與飛機(jī)尺度相當(dāng)?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(jī)顛簸的形成飛機(jī)顛簸主要考慮垂直陣風(fēng)的作用二、顛簸的強(qiáng)度

（一）顛簸強(qiáng)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(jī)在垂直方向承受的負(fù)荷變量劃分顛簸強(qiáng)度符號

弱顛簸中度顛簸強(qiáng)顛簸

輕度顛簸

飛機(jī)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(jī)抖動、頻繁地上下投擲，左右搖晃，顛簸，操縱費(fèi)力，空速指針跳動達(dá)10

km/h嚴(yán)重顛簸

飛機(jī)強(qiáng)烈地抖動，頻繁地和劇烈地上下投擲不止，空速指針跳動達(dá)15~20

km/h，操縱有困難根據(jù)飛機(jī)在垂直方向承受的負(fù)荷變量劃分

飛機(jī)的負(fù)荷因素（N）與飛機(jī)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(qiáng)顛簸；0.2≤│△N│≤0.5為中度顛簸。（二）影響顛簸強(qiáng)度的因子1.湍流強(qiáng)度2.飛行速度3.飛機(jī)的翼載荷1.湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度取決于垂直陣風(fēng)風(fēng)速和空氣密度。 垂直陣風(fēng)的速度越大，空氣密度越大，它們所引起的飛機(jī)升力的變化越大，顛簸也越強(qiáng)；反之，它們所引起的飛機(jī)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(qiáng)高速飛機(jī)飛行速度越大，顛簸就越小3.飛機(jī)的翼載荷翼載荷是單位機(jī)翼面積上承受的重量

翼載荷小的飛機(jī)，顛簸較強(qiáng)翼載荷大的飛機(jī)，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(jī)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(qiáng)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(qiáng)的顛簸多出現(xiàn)在鋒面附近。冷氣團(tuán)一側(cè)出現(xiàn)的頻率比暖氣團(tuán)一側(cè)大。鋒面愈強(qiáng)，鋒面坡度愈陡，鋒面移動速度越快，兩側(cè)氣團(tuán)越不穩(wěn)定，產(chǎn)生的亂流顛簸就越強(qiáng)。在各種鋒面中，冷鋒的顛簸最強(qiáng)。冷鋒鋒面附近冷氣團(tuán)的沖擊，鋒后大風(fēng)與地形共同作用，空中強(qiáng)鋒區(qū)，水平、垂直風(fēng)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(qiáng)，發(fā)生的概率也比冷鋒小。但當(dāng)暖鋒云系中隱藏著積雨云時，也會產(chǎn)生很強(qiáng)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(fēng)切變大，風(fēng)速輻合強(qiáng)，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(fēng)切變和溫度切變，所以有較強(qiáng)的顛簸。在切變線附近雖然風(fēng)速小，但風(fēng)向多變，在此情況下很容易產(chǎn)生顛簸。3.高空低渦

飛機(jī)穿過高空低渦時，碰到的高空風(fēng)很小，但風(fēng)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(jī)會遇到中度以上的顛簸。

4、高空急流區(qū)當(dāng)高空急流區(qū)牽涉到溫度平流時，常在冷平流加強(qiáng)的區(qū)域產(chǎn)生晴空顛簸。當(dāng)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(qiáng)度通常是最強(qiáng)的。另外，雖然在急流的暖氣團(tuán)一側(cè)遇到顛簸的可能性很小，但仍有可能遇到強(qiáng)烈的顛簸。不過，總體來說，嚴(yán)重的顛簸還是更有可能發(fā)生在急流的冷氣團(tuán)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(qiáng)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(jī)結(jié)構(gòu)的影響顛簸對操縱飛機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)的影響飛行中出現(xiàn)顛簸，飛機(jī)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(qiáng)，載荷變化就越大。如果飛機(jī)長時間受到強(qiáng)烈載荷變化的作用，或受到超過飛機(jī)所能承受的最大載荷，飛機(jī)的某些部位，如機(jī)翼或尾翼就可能變形甚至因疲勞而損壞。顛簸對操縱飛機(jī)的影響飛機(jī)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(qiáng)烈時，飛行高度變化可達(dá)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(jī)帶來很大的困難，飛行員要費(fèi)很大的精力來盡量保持飛機(jī)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(qiáng)顛簸區(qū)很容易失去對飛機(jī)的操縱，釀成事故。顛簸對儀表指示的影響飛機(jī)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(qiáng)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(jī)的平飛最小速度受臨界迎角限制。在擾動氣流中飛行，飛機(jī)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(qiáng)，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(qiáng)的顛簸會使機(jī)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(qiáng)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(yán)格保持俯仰角。采用適當(dāng)?shù)娘w行速度。選擇適當(dāng)?shù)母叨?。適當(dāng)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(jī)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(jī)作機(jī)動時產(chǎn)生的以及陣風(fēng)而引起的載荷因數(shù)變化量。飛機(jī)顛簸時結(jié)構(gòu)的破壞，多是由于機(jī)動動作急劇，產(chǎn)生機(jī)動載荷因數(shù)變化量較大，并同陣風(fēng)載荷因數(shù)變化量迭加而造成的。因此，為了減輕飛機(jī)的總載荷因數(shù)，在湍流區(qū)中飛行，應(yīng)盡可能減小機(jī)動動作量，限制大過載急轉(zhuǎn)彎。

2.不必嚴(yán)格保持俯仰角在強(qiáng)烈顛簸氣流中飛行時，主要依靠飛機(jī)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(fēng)的方向，大小和時間隨機(jī)，故不必過分嚴(yán)格操縱飛機(jī)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(jī)承受更大的載荷因數(shù)）。3.采用適當(dāng)?shù)?/p>