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    航空小知識

    風切變:飛行員看不見的敵人?

    時間:2020年07月06日   來源:微信@航空知識
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      夏季天氣變化無常,強對流天氣多發,對飛行安全影響也是比較大的。印象最深的2018年8月28日JD5759降落時因遭遇風切變前起損壞:

     

     

      之前翻譯過一篇空客《安全第一》的文章:氣象雷達的最佳使用

     

     

      下面再翻譯一篇空客《安全第一》的文章:

      Wind shear: an invisible enemy to pilots?

      風切變:飛行員看不見的敵人?

      Safety First | January 2015 - Airbus S.A.S.

     

      天氣在航空安全中起著重要作用,經常被認為是造成事故或重大事故的因素。特別是微爆形式的風切變,在飛機起飛、進近和著陸時可能對飛機造成嚴重危害。

      上世紀中葉商業航空才開始發展時,我們對風切變了解甚少。風切變相關事件的檢測和報告,實際上非常差。盡管許多情飛行員在職業生涯中,可能實際都遇不到一次嚴重的風切變,但是一旦遇到,在幾秒鐘內常規進近要變為緊急改出。

      隨著研究和技術的進步,我們學會了識別,預防和處理此類事件。

      我們將研究風切變對飛行的影響,以及應對風切變情況的飛行技術,尤其是微爆。

     

      01.理解風切變UNDERSTANDING WIND SHEAR

     

      ▎定義

      Definitions

     

      ● 風切變

      風切變可以定義為短距離內風速和/或風向的突然變化。它可以在所有方向上發生,但為方便起見,將其沿垂直和水平軸考慮,因此引入了垂直和水平風切變的概念:

      垂直風切變包括沿垂直軸的風的變化,通常為每1000英尺20至30節。當爬升或下降穿過風切變層時,速度或方向的變化會極大地改變飛機的升力,指示空速和需求的推力。

      水平風切變包括沿水平軸的風的變化,如逆風減小或順風增大,或由逆風轉為順風,其變化最高可達每海里100節。圖1顯示了當飛機穿過冷鋒時的穿透情況。

      這種天氣現象在許多不同的大氣層中都可能發生。然而,在較低高度時是最危險的,因為空速和高度可能會突然降低。

      它通常與以下天氣條件有關:近地面發生的急流、地形波或逆溫層、鋒面、雷暴和對流云或微暴。

     

     

      ▲圖1:水平風切變

     

      ● 什么是微爆?

      很明顯,微爆會造成風切變的最危險形式。它由一小股異常強烈的局部下沉氣流組成,它下降到地面(稱為“下沉氣流”),與地球表面接觸后,向四面八方擴散,從而形成一個環形渦旋。它能在地面附近產生強風。

      微暴要么是干的(即幾乎沒有雨或沒有雨到達地面),要么是濕的(通常在傾盆大雨中)。它們通常形成于雷暴和積雨云的下方或附近(圖2)。

      徑向模式是指在一個很小的區域內有不同方向的風,因此在地面附近有相當大的風切變,持續數分鐘。

     

     

      ▲圖2:積雨云引起的微爆

     

      微爆的典型特征:

      大?。褐睆叫∮?.5海里的區域。

      強度:下降氣流是40節(4000英尺/分鐘),45級100之間的結水平風。

      持續時長:約15分鐘。

      視覺征兆:常伴有強雷暴,夾雜在大雨中。

     

      ▎微爆:對航空安全的威脅

      Microbursts: a threat to aviation safety

     

      從安全的角度來看,由于這種現象的規模和突發性,微爆會對飛機造成威脅。簡而言之,微暴結合了對航空安全的兩種截然不同的威脅(圖3):

      下沖氣流部分,導致強大的下沖氣流,迅速推動飛機下降。下擊暴流的能量實際上可以超過飛機的爬升能力。

      外沖氣流部分,水平風切變大,風分量由逆風轉為順風。這種突然的由逆風轉為順風的變化會降低飛機的升力,這可能會迫使飛機下降,尤其是在起飛或降落的時候。

      飛機在機場附近著陸或起飛時遇到微爆,可能會在低空飛行的關鍵階段飛越三個不同且困難的風況階段。例如,飛機在著陸時通過微爆飛行時,可能會遇到以下階段:

      第一階段:逆風(Headwind)

      當第一次進入微爆時,飛行員會注意到一股強勁的逆風陣風,它會瞬間增加飛機的空速,從而導致升力增大,飛機上升到預定路徑以上和/或加速(見圖3,項1和項2)。

      為了使飛機返回其下降路徑并降低速度,飛行員自然會使發動機減速并推動側桿,從而迫使飛機下降。

      第二階段:向下氣流(Downdraft)

      當飛機繼續進入微爆時,會遇到突然的下降氣流沖擊,影響飛機飛行路徑,進而影響迎角(AOA):飛機將下沉,AOA將增加(見圖3,項3)。

      現在,飛機速度降低并被往下推,飛行員將嘗試通過開始爬升來恢復原來的軌跡。

      第三階段:順風(Tailwind)

      當飛行員試圖爬升以恢復高度時,飛機現在經歷風向變化并遇到順風。

      順風陣風會瞬間降低飛機的升力和空速,從而使飛機在預期路徑以下飛行和/或減速(見圖3,項4)。

      微爆對飛行是一個嚴重的威脅,因為它對飛機的空速、高度、攻角以及升力都有直接、強烈的影響。

     

     

      ▲圖3:微爆對飛機性能的影響

     

      02.預防:如何探測和規避風切變PREVENTION: HOW TO DETECT AND AVOID WIND SHEAR

     

      ▎風切變對飛機性能有負面影響,因此是對飛行安全的真正威脅。對付這種危險的最佳防線是:探測和避開

      Wind shear has a negative effect on aircraft performance and is therefore a real threat to the safe conduct of flight. The best line of defence against such hazards is: detection and avoidance.

     

      自從1980年代初發現風切變對飛機性能的影響以來,已開發出各種工具來幫助飛行員識別這些事件并采取適當的措施。在實際中,機組人員的意識和警覺性是躲避風切變技術成功應用的關鍵因素。

     

      ▎風切變的意識和探測方法

      Wind shear awareness and detection means.

     

      飛行員預防風切變的最佳方法是知道風切變的存在,并盡可能避開風切變。但是,如果遇到不可避免的情況,重要的是要知道變化的可能幅度,并準備好立即應對。盡管沒有絕對可靠的方法來預測發生,但是可以使用不同的工具和信息來探測潛在或觀察到的風切變區域,從而能夠制定有效的規避策略。

      ● 氣象報告及預報

      現在,許多機場,尤其是那些容易發生微暴和風切變的機場,都配備了低空風切變預警系統(LLWAS)和/或終端多普勒氣象雷達(TDWR)。這些設備能夠探測微爆,并通過向空中交通管制發送警報來警告飛機發生微爆。在這方面,機組人員和空中交通管制之間的良好溝通是至關重要的。

      LLWAS由一個中央風速計(感應風速和風向)和距離中心約兩海里的外圍風速計組成。中心風傳感器數據取兩分鐘的滾動時間內的平均值,并每10秒與外圍風傳感器的數據進行比較。

      LLWAS警報模式有兩種:風切變警報和微爆警報。每當風速損失15至29節或超過15節時,就會生成風切變警報。微暴警報條件是風速損失超過30節時。LLWAS可能無法檢測到直徑不超過2海里的微爆。該系統使空中交通管制員能夠警告飛行員當前或即將發生的風切變情況。

      TDWR能夠檢測到正在接近的風切變區域,從而為飛行員提供更多的風切變危險預警。

      ● 機組人員觀察

      吹起的沙塵、沙塵旋風、沙塵暴(即包含沙塵和沙塵的旋風)、強降雨或任何其他在地表附近有強局部空氣流動的跡象,往往是潛在或已經出現下擊暴流的很好指示。實際風速(在ND上)與塔臺報告的風速之間的較大差異也可以很好地表明這一點。因此,最好避開這些區域。

      ● 飛行員報告(PIREPS)

      超過20節的風切變,或離地1000英尺以下每分鐘500英尺的下降/上升氣流,都是惡劣天氣的良好征兆,應立即規避。

      考慮到這些情況迅速發展、變化或消散,對這些報告的解讀應十分謹慎和果斷。飛行員必須考慮報告已經過了多長時間。實際上如果知道是在微爆第一次撞擊地面后持續的幾分鐘里,因此其嚴重性可能高于最初報道的程度。相反,報告的微爆很可能在飛機計劃穿越相關區域時消散了。

      因此,非常重要的是要記住,在同一空域,前方的飛機所遇到的情況,可能會與下一架飛機所遇到的情況大不相同。

      ● 機載氣象雷達

      通常,微暴伴隨著大雨,可以使用機載氣象雷達進行探測和識別。應避開這些區域。

      ● 機載預測風切變系統

      如今,大多數機型都具有可預測的風切變設備,通過聽覺和視覺手段警告飛行員可能存在的威脅。

      為了提供潛在風切變活動的早期預警,一些機載氣象雷達具備探測飛機前方風切變區域的能力,該能力基于垂直和水平方向上飛機前方的風速測量。

      該設備被稱為預測風切變系統(PWS)。該系統是自動激活的,并在距離地面50至約1000英尺之間時,提供可靠的指示。

      PWS通常提前一分鐘發出警告,首先在PFD上顯示一條黃色的“W/S AHEAD”消息(圖4)。

      如果情況惡化,風切變位置離飛機更近,“W/S AHEAD”的黃色警告將變為紅色警告,并伴隨相關的語音警告,起飛時“WIND SHEAR AHEAD, WIND SHEAR AHEAD”或著陸時“GO AROUND, WIND SHEAR AHEAD”。這表明飛機可能正在接近微爆。

     

      ▲圖4:PFD上的“ W / S AHEAD”預測警告顯示

     

      ● 小結

      機組人員應考慮所有可用的風切變感知手段,并根據以下情況評估安全起飛或安全下降、進場和著陸的條件:

      最新的氣象報告和預報。特別要特別注意ATC指示。

      目視觀察。

      機組人員對機場環境和當前天氣狀況的經驗。

      在機場安裝了氣象雷達。這些系統用于檢測機場附近的微暴,并向飛行員和ATC發出警報。

      機載氣象雷達,以確保飛行路線遠離危險區域。

      機載預測風切變系統(PWS)。

     

      ▎最佳實際操作:如何避開風切變并做好充分準備

      Operational best practices: how to avoid wind shear and get prepared altogether

     

      前面列出的豐富的工具和指示應該能讓工作人員收集到關于前方天氣狀況的足夠知識,并據此制定計劃。但是,如何才能最好地利用這些信息來作出反應,并有效地避免實際遇到風切變?這里有一些建議。

      起飛:

      考慮推遲起飛,直到情況改善好轉。請記住,下擊暴流不會長期存在,會在幾分鐘內消失。

      考慮到可能出現的風切變/下擊暴流的位置,選擇最有利的跑道及初始爬升路徑。這可能包括要求空中交通管制“起飛后立即左轉或右轉來避開”。

      在開始起飛滑跑之前,請使用氣象雷達(以及可預測的風切變系統),以確保飛行路線遠離危險區域。

      選擇最大起飛推力。

      在起飛過程中密切監控空速和速度趨勢,以發現風切變的任何征兆。

      如果懷疑有風切變,或者預測風切變系統(PWS)檢測到風切變,應推遲起飛。

      下降和進近:

      根據前一架飛機的飛行員報告,或基于LLWAS發出的警報,預計將會出現下擊暴流/風切變情況,進場和降落應推遲至情況好轉,或飛機應備降前往更合適的機場。

      考慮到可能出現的風切變/下擊暴流的位置,以及可用的跑道進近輔助設施,選擇最有利的保持點、進近路徑及跑道。

      選擇少于全襟翼降落(以最大化爬升梯度能力),并相應地調整最終進場速度(即VAPP)。

      如果有ILS,請使用自動駕駛儀進行更精確的進近跟蹤。

      如果預計會有陣風,請考慮增加FMS CDU上顯示的VAPP(最大最小進近速度(即VLS) + 15節是允許的)。

      在進近過程中,密切監視空速,速度趨勢和地速,以發現即將出現風切變的跡象。如果確認存在風切變,準備好可能的復飛和逃離機動。應保持最低的地面速度,以確保飛機的最低能量水平,并確保在逆風和順風突然改變的情況下,進場時采取適當的推力管理。當管理目標速度時,將通過“最小地速”功能在空客電傳操縱飛機上自動執行。

      在預測可能出現的風切變事件時,應保持警覺,對任何預測風切變的警報或警告立即作出反應。準備好執行復飛或在必要時復飛。

      如果懷疑有風切變,或者被預測風切變系統(PWS)檢測到,則推遲進近直到情況改善,或轉移到更合適的機場。

     

      ▎改出:如何識別和處理實際風切變情況

      RECOVERY: HOW TO RECOGNIZE AND HANDLE ACTUAL WIND SHEAR CONDITIONS

     

      盡管有可用的預防手段,但實際可能還會遇到風切變。及時識別這種天氣現象對于讓機組人員有足夠的時間決定下一步行動至關重要。

      就風切變而言,最好的做法一直都是避開。但是在實際遇到的情況下,還有用于應對風切變情況的飛行技術。

      ● 識別

      實際遇到嚴重風切變的情況很少見,及時識別這種情況是成功實施風切變改出/逃離程序的關鍵。

      如何增強風切變的情景意識

      應將以下偏差視為可能的風切變條件的指示:

      指示空速的變化值超過15節

      地速變化

      風速指示變化:方向和速度

      垂直速度改變量達到500英尺/分鐘

      俯仰姿態改變量達到5度

      下滑道偏差達到1個點

      航向變化10度

      異常的自動推力或自動油門作動。

      機載反應式風切變系統

      大多數飛機機型上都配備有反應式風切變警告系統。

      該系統能夠基于垂直和水平方向的風速檢測風切變。激活后,語音“WIND SHEAR”將重復3次,并且PFD上會出現紅色的“WIND SHEAR”警告(圖5)。

      與飛行制導的速度基準系統(SRS)模式相關聯的風切變預警系統構成了反應式風切變系統(RWS),因為這兩個組件都對飛機參數的當前變化立即做出反應。

     

      ▲圖5:“WINDSHEAR”反應式警告顯示

     

      ● 風切變改出技術

      只有飛機有足夠的能量使其度過性能損失期,才能在嚴重的風切變遭遇中幸免。它可以通過以下三種方式來維持這種能量水平:

      提高速度。當以管理速度(最小地速)進近時,飛機自動執行此操作。

      增加最大推力。即使已經選擇了TOGA,飛機也會在αfloor保護下自動執行此操作(在這種情況下,當離開αfloor時,不要忘記斷開自動推力)。

      如果可能的話,用高度能量換取速度。任何飛機都能做到。

      適當的飛行技術對這一進程有幫助,只要正確、及時遵循以下幾點建議。

      起飛時

      如果在起飛滑跑期間,飛行員觀察到風切變或者出現反應式風切變警告,則可能比預期的晚(或早)到達V1。在這種情況下,如有必要,飛行員可能必須依靠自己的判斷來評估是否還有足夠的跑道來停下飛機。

      在任何情況下,必須立即采用下列改出技術:

      ● 在V1之前:如果發生不可接受的空速變化(不超過目標V1),并且飛行員評估有足夠的跑道剩余來停下飛機,則中斷起飛。

      ● 在V1之后:

      保持或將推力桿設置為最大起飛推力(TOGA);

      在VR正常拉起;

      如果FD提供了風切變改出指南,請遵循飛行指引(FD)的俯仰指令,或者按照FCOM中的建議設置所需的俯仰姿態。

      如果在起飛或進近過程中,反應式風切變系統檢測到風切變,則以最大推力改出,并遵循速度基準系統(SRS)的指令。

      在初始爬升、進近和著陸期間

      如果飛行員或反應式風切變系統,在初始爬升或進近和著陸期間檢測到風切變,則必須立即應用以下改出技術:

      將推力桿設置為最大起飛推力(TOGA);

      如果自動駕駛儀(AP)處于工作狀態并提供風切變改出指導,則保持AP處于工作狀態;或者,如果AP未接通,則不要接通。如果FD提供了風切變改出指導,遵循FD俯仰指令,或者按照FCOM的建議設置了所需的俯仰姿態。

      機翼改平,使爬升梯度達到最大,除非需要轉彎越障;

      為防止飛機下沉,在空客電傳飛機上可能需要拉桿到底,或者對于沒有完整飛行包線保護的機型需要在貼近抖桿/失速警告的位置飛行

      在脫離風切變狀態前,不要改變襟翼和起落架的構型;

      密切監視空速、空速趨勢和飛行軌跡角(如果有飛行軌跡矢量并顯示給PM);

      當脫離風切變時,使飛機加速爬升,然后改為正常爬升和飛機在光潔形態。

      為了從實際的風切變遭遇中改出,在FCOM異常和緊急程序中給出了改出措施。請參閱PRO-ABN-80或A300 / A310 / A300-600上的FCOM惡劣天氣操作。

      03.總結:風切變下操作SUMMARY: OPERATING IN WIND SHEAR CONDITIONS

      考慮到嚴重的風切變對安全的威脅,最好的選擇總是盡可能避開它。然而,在實際遇到風切變的情況下,必須將其識別出來,然后從中改出,這一點很重要。

      在制定提升風切變意識的策略和措施時,可考慮以下規避、識別和改出的關鍵點和建議。

      ● 規避

      根據所有可用的氣象數據,目視觀察和機載設備,評估安全起飛或進近著陸的條件。

      盡可能延遲起飛或進近,或備降到更合適的機場。

      在報告的風切變條件下進近時,要“考慮好復飛”。

      做好準備并對預測性風切變警報或警告立即做出響應。

      ● 識別

      根據所有可用的氣象數據,機載設備指示以及對飛機飛行參數和飛行路徑的監視,對識別潛在或已發生的風切變狀況保持警惕。

      審視儀表以查找即將發生的風切變。

      ● 改出

      如果出現風切變警告,應用推薦的FCOM改出/逃離程序,即設置最大推力,并遵循FD風切變改出/脫離俯仰指南

      充分利用飛機設備,例如飛行航徑矢量(如果有)。

      為了在風切變或下擊暴流條件下安全地操作飛機,FCOM補充程序中給出了最佳建議。

      風切變可能對航空安全造成嚴重威脅。由于對這一現象的深入研究,現在已經有了高效的設備來幫助飛行員識別、避開和在必要時處理風切變狀況。在這項技術中,機組人員的意識和警覺性是成功應用規避技術和改出/逃生程序的關鍵因素。

      但最重要的是要記住,規避無疑是抵御風切變風險的最佳方法。

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