飞机尾流探测技术研究进展与应用趋势探析

飞机尾流探测技术研究进展与应用趋势探析

作者：靳宇波 王鑫

来源：《科技创新与应用》2015年第27期

摘 要：飞机尾流指的是空气动力飞行器在飞行过程中形成的固定的流体力学特点，包括维持时间久、空间尺度范围大以及稳定性良好等特征，故能够被纳、雷达以及激光雷达等传感器探测到。飞机尾流凭借自身特有的湍流，而有着独特的电磁散射特征，通过雷达对飞机尾流进行探测有着十分高的现实意义。文章通过分析民航飞机尾流的产生与消散，阐述民航飞机尾流探传感器技术特点、民航飞机尾流探测研究现状，旨在为相关人员基于民航飞机尾流的产生与消散、民航飞机尾流探传感器技术特点及民航飞机尾流探测研究现状的民航飞机尾流探测技术的应用趋势研究适用提供一些思路。

关键词：激光雷达；探测距离；尾流消散；应用趋势 引言

飞机尾流是飞机在飞行过程中产生的必然现象，与大气不同，飞机尾流拥有特殊的空气动力学特性与雷达特性。从空气动力学的角度来分析，飞机在飞行过程中，尾部产生的气流更加强烈，而且为不规则变化，因此飞机尾流成为了航空安全的重要影响因素。 1 民航飞机尾流的产生与消散 1.1 尾流的产生

尾流，即翼尖涡流，指的是飞机三维机翼在出现升力情况下，随着出现诱导阻力的诱因。在飞机三维机翼出现升力情况下，飞机上翼面的压强将不足于飞机翼面，于两个飞机翼尖位置气流便会自下翼面经翼尖流往飞机上翼面，如图1所示。此外，结合懦可夫斯基升力公式，尾涡强度与尾涡相互有着下述关联性： ？祝0=Y/pVLv=NyG/pLv

该公式中，Lv=πl/4，Lv表示飞机有效翼展，l表示飞机翼展。 图1 飞机尾流的产生示意图 1.2 尾流的消散

尾流的消散机制十分繁杂，飞机尾流的消散步骤、方式受局部大气环境很大程度影响，包括大气分层效应、风的速度场、温度梯度以及大气絮流度等等[1]。现阶段，针对尾流的消散机理尚不十分明确，结合相关研究而言，飞机尾流消散通常存在以下几种方式：I.经较长一段

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时间之后，翼尖涡流扩散能够使得各个漩涡不断增大，造成尾流与大气相融合，引发尾流消散；II.即刻的结构变换，能够片刻使漩涡中心位置加宽，造成漩涡瓦解、破裂，引发尾流消散。

2 民航飞机尾流探传感器技术特点 2.1 激光雷达探测技术

飞机尾流的激光雷达探测技术属于一项较为成熟的探测技术。Lockheed Corporation推行SOCRATES项目，通过激光雷达探测技术对飞机尾流进行跟踪，达到了显著的机场使用率、机场安全可靠性等改善效果[2]。伦敦希思罗机场开展的激光雷达探测研究发现，飞机尾流组成有着一系列有趣之处。良好的天气环境下，激光雷达探测性能十分可观，可确切呈现出尾流空气动力学相关参数，能够给予飞机升降以有利的尾流特性依据，性能发挥距离比较远，然而在浓雾、阴雨等天气环境下，激光雷达的传播急剧衰减，性能发挥距离极大地下降，无法符合飞机尾流探测标准；另一方面，激光雷达探测技术还有着成本造价高的不足。 2.2 雷达

相较于激光雷达探测技术，雷达有着天气环境适应能力佳、成本造价经济等优势，并且同样可以确切呈现出尾流空气动力学相关参数，符合民航安全对飞机尾流动态预测、检测的标准。鉴于此，飞机尾流的雷达探测技术愈来愈得到人们的热点关注。自上世纪八十年代到今天，欧美诸多发达国家开展了一系列飞机尾流探测研究检测尾流雷达发射率，相关飞机尾流雷达探测研究[3]，如表1所示。自多普勒谱雷达相关研究角度出发，尾流构成成分包括两个相对旋转的两个漩涡，尾流速率能够视为两个旋向不同的涡旋重叠，公式为： v2（r）=v（r-r2）-v（r-r1）

其中，v（r）指的是尾涡剖面切向速率模型，r1、r2指的是涡旋中心，方程经矢量叠加一定地呈现了涡旋的动力学状态[3]。设定飞机航速为70m/s情况下，通过单位长度尾流之中径向速率vd所具备的体积呈现多普勒谱S（vd），单位为m3/s，统计手段获取单涡、双涡多普勒谱公式与单涡所得结果基本一致，公式均可表示为： S（vd）≈？祝20/8π3d，v0≤|Vd|≤V1

其中，？祝20指的是尾流涡环值。V0=？祝0/2πBa指的是尾流多普勒最小速率值，经计算，单涡、双涡标准差均在3m/s范围。 3 民航飞机尾流探测研究现状 3.1 尾流雷达探测技术的问题与趋势

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自尾流雷达探测技术研究方向而言，截止目前，它的理论研究仍旧鲜有成果。于飞机尾流探测实验研究之中，大部分研究集中于光大、雷达等探测技术上，且尾流雷达探测技术愈来愈得到行业的热点关注。

3.2 尾流探测技术的理论体系

现阶段国际上关于尾流探测技术的相关研究所集中在民航领域，故此类研究所研究的主要方向为近程尾流相关探测实验。相关面向反隐身实践需要的远程尾流探测技术的理论体系，国际上还没有十分明确的研究方向。在我国，相关人员在进行尾流探测、尾流目标特性相关研究的一并时间，首次进行了更进一步的尾流探测技术理论体系研究，初步构建出尾流雷达回波框架，开发出Hough变换、GLRT及LMP等一系列尾流探测技术，同时研究了不同常规天气环境下的尾流探测距离[5]。这一系列尾流探测技术的理论体系研究，极大地对雷达目标检测理论进行了丰富，但仍没有构筑出全面系统的尾流检测理论体系，还有待进一步展开研究。 4 民航飞机尾流探测技术的应用趋势

随着社会经济的急速进步，为航空运输也发展创造了有利契机，机场运输越来越繁忙，客流量越来越大，飞机尾流所引发的飞机安全隐患及尾流对机场吞吐量的制约等问题，愈来愈得到行业专家人士的热点关注。迄今为止，世界上已存在一些机场已经配备有自身的飞机尾流探测雷达[6]。由此能够遇见，在不久的将来，各大机场将陆陆续续配备尾流探测设备，尾流探测将成为民航领域的一项十分重要的应用。 5 结束语

综上所述，飞机尾流探测技术研究是一项十分复杂的系统工程，要花费大量的人力、物力，为了实现飞机尾流探测技术研究的有效性，相关人员要全面认识飞机尾流的特殊目标特性，研制特有的飞机尾流检测、跟踪算法，并且应当权衡一系列工艺、实践应用等需求，积极为人类社会发展做贡献。 参考文献

[1]戴幻尧，狄东宁，乔会东，等.飞机尾流探测技术研究进展及应用前景[J].科技导报，2013，31（31）：68-69.

[2]Luckner R，Hohne C，Fuhrmann M. Hazard criteria for wake vortex encounters during approach[J].Aerospace Science and Technology，2004，8（8）：673-687.

[3]徐群玉，宁焕生，陈唯实，等.气象雷达在民航安全中的应用研究[J].电子学报，2010，38（9）：2147-2151.

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[4]扈罗全，王雪松，李健兵，等.随机射线方法分析飞机尾流的电磁散射特性[J].中国电子科学研究院学报，2007，2（5）：498-502.

[5]Li J B，Wang X S，Wang T. Modeling the dielectric constant distribution of wake voritices[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，47（2）：820-831. [6]Li J，Wang X，Wang T，et al. An improved Levin quadrature method for highly oscillatory integrals[J].Appl. Num. Math，2010，60（8）：833-842.

作者简介：靳宇波，男，汉，中国民航大学空中交通管理学院研究生，研究方向：飞机尾流。

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