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    航空小知识

    风切变:飞行员看不见的敌人?

    时间:2020年07月06日   来源:微信@航空知识
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      夏季天气变化无常,强对流天气多发,对飞行安全影响也是比较大的。印象最深的2018年8月28日JD5759降落时因遭遇风切变前起损坏:

     

     

      之前翻译过一篇空客《安全第一》的文章:气象雷达的最佳使用

     

     

      下面再翻译一篇空客《安全第一》的文章:

      Wind shear: an invisible enemy to pilots?

      风切变:飞行员看不见的敌人?

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

     

      天气在航空安全中起着重要作用,经常被认为是造成事故或重大事故的因素。特别是微爆形式的风切变,在飞机起飞、进近和着陆时可能对飞机造成严重危害。

      上世纪中叶商业航空才开始发展时,我们对风切变了解甚少。风切变相关事件的检测和报告,实际上非常差。尽管许多情飞行员在职业生涯中,可能实际都遇不到一次严重的风切变,但是一旦遇到,在几秒钟内常规进近要变为紧急改出。

      随着研究和技术的进步,我们学会了识别,预防和处理此类事件。

      我们将研究风切变对飞行的影响,以及应对风切变情况的飞行技术,尤其是微爆。

     

      01.理解风切变UNDERSTANDING WIND SHEAR

     

      ▎定义

      Definitions

     

      ● 风切变

      风切变可以定义为短距离内风速和/或风向的突然变化。它可以在所有方向上发生,但为方便起见,将其沿垂直和水平轴考虑,因此引入了垂直和水平风切变的概念:

      垂直风切变包括沿垂直轴的风的变化,通常为每1000英尺20至30节。当爬升或下降穿过风切变层时,速度或方向的变化会极大地改变飞机的升力,指示空速和需求的推力。

      水平风切变包括沿水平轴的风的变化,如逆风减小或顺风增大,或由逆风转为顺风,其变化最高可达每海里100节。图1显示了当飞机穿过冷锋时的穿透情况。

      这种天气现象在许多不同的大气层中都可能发生。然而,在较低高度时是最危险的,因为空速和高度可能会突然降低。

      它通常与以下天气条件有关:近地面发生的急流、地形波或逆温层、锋面、雷暴和对流云或微暴。

     

     

      ▲图1:水平风切变

     

      ● 什么是微爆?

      很明显,微爆会造成风切变的最危险形式。它由一小股异常强烈的局部下沉气流组成,它下降到地面(称为“下沉气流”),与地球表面接触后,向四面八方扩散,从而形成一个环形涡旋。它能在地面附近产生强风。

      微暴要么是干的(即几乎没有雨或没有雨到达地面),要么是湿的(通常在倾盆大雨中)。它们通常形成于雷暴和积雨云的下方或附近(图2)。

      径向模式是指在一个很小的区域内有不同方向的风,因此在地面附近有相当大的风切变,持续数分钟。

     

     

      ▲图2:积雨云引起的微爆

     

      微爆的典型特征:

      大小:直径小于2.5海里的区域。

      强度:下降气流是40节(4000英尺/分钟),45级100之间的结水平风。

      持续时长:约15分钟。

      视觉征兆:常伴有强雷暴,夹杂在大雨中。

     

      ▎微爆:对航空安全的威胁

      Microbursts: a threat to aviation safety

     

      从安全的角度来看,由于这种现象的规模和突发性,微爆会对飞机造成威胁。简而言之,微暴结合了对航空安全的两种截然不同的威胁(图3):

      下冲气流部分,导致强大的下冲气流,迅速推动飞机下降。下击暴流的能量实际上可以超过飞机的爬升能力。

      外冲气流部分,水平风切变大,风分量由逆风转为顺风。这种突然的由逆风转为顺风的变化会降低飞机的升力,这可能会迫使飞机下降,尤其是在起飞或降落的时候。

      飞机在机场附近着陆或起飞时遇到微爆,可能会在低空飞行的关键阶段飞越三个不同且困难的风况阶段。例如,飞机在着陆时通过微爆飞行时,可能会遇到以下阶段:

      第一阶段:逆风(Headwind)

      当第一次进入微爆时,飞行员会注意到一股强劲的逆风阵风,它会瞬间增加飞机的空速,从而导致升力增大,飞机上升到预定路径以上和/或加速(见图3,项1和项2)。

      为了使飞机返回其下降路径并降低速度,飞行员自然会使发动机减速并推动侧杆,从而迫使飞机下降。

      第二阶段:向下气流(Downdraft)

      当飞机继续进入微爆时,会遇到突然的下降气流冲击,影响飞机飞行路径,进而影响迎角(AOA):飞机将下沉,AOA将增加(见图3,项3)。

      现在,飞机速度降低并被往下推,飞行员将尝试通过开始爬升来恢复原来的轨迹。

      第三阶段:顺风(Tailwind)

      当飞行员试图爬升以恢复高度时,飞机现在经历风向变化并遇到顺风。

      顺风阵风会瞬间降低飞机的升力和空速,从而使飞机在预期路径以下飞行和/或减速(见图3,项4)。

      微爆对飞行是一个严重的威胁,因为它对飞机的空速、高度、攻角以及升力都有直接、强烈的影响。

     

     

      ▲图3:微爆对飞机性能的影响

     

      02.预防:如何探测和规避风切变PREVENTION: HOW TO DETECT AND AVOID WIND SHEAR

     

      ▎风切变对飞机性能有负面影响,因此是对飞行安全的真正威胁。对付这种危险的最佳防线是:探测和避开

      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.

     

      自从1980年代初发现风切变对飞机性能的影响以来,已开发出各种工具来帮助飞行员识别这些事件并采取适当的措施。在实际中,机组人员的意识和警觉性是躲避风切变技术成功应用的关键因素。

     

      ▎风切变的意识和探测方法

      Wind shear awareness and detection means.

     

      飞行员预防风切变的最佳方法是知道风切变的存在,并尽可能避开风切变。但是,如果遇到不可避免的情况,重要的是要知道变化的可能幅度,并准备好立即应对。尽管没有绝对可靠的方法来预测发生,但是可以使用不同的工具和信息来探测潜在或观察到的风切变区域,从而能够制定有效的规避策略。

      ● 气象报告及预报

      现在,许多机场,尤其是那些容易发生微暴和风切变的机场,都配备了低空风切变预警系统(LLWAS)和/或终端多普勒气象雷达(TDWR)。这些设备能够探测微爆,并通过向空中交通管制发送警报来警告飞机发生微爆。在这方面,机组人员和空中交通管制之间的良好沟通是至关重要的。

      LLWAS由一个中央风速计(感应风速和风向)和距离中心约两海里的外围风速计组成。中心风传感器数据取两分钟的滚动时间内的平均值,并每10秒与外围风传感器的数据进行比较。

      LLWAS警报模式有两种:风切变警报和微爆警报。每当风速损失15至29节或超过15节时,就会生成风切变警报。微暴警报条件是风速损失超过30节时。LLWAS可能无法检测到直径不超过2海里的微爆。该系统使空中交通管制员能够警告飞行员当前或即将发生的风切变情况。

      TDWR能够检测到正在接近的风切变区域,从而为飞行员提供更多的风切变危险预警。

      ● 机组人员观察

      吹起的沙尘、沙尘旋风、沙尘暴(即包含沙尘和沙尘的旋风)、强降雨或任何其他在地表附近有强局部空气流动的迹象,往往是潜在或已经出现下击暴流的很好指示。实际风速(在ND上)与塔台报告的风速之间的较大差异也可以很好地表明这一点。因此,最好避开这些区域。

      ● 飞行员报告(PIREPS)

      超过20节的风切变,或离地1000英尺以下每分钟500英尺的下降/上升气流,都是恶劣天气的良好征兆,应立即规避。

      考虑到这些情况迅速发展、变化或消散,对这些报告的解读应十分谨慎和果断。飞行员必须考虑报告已经过了多长时间。实际上如果知道是在微爆第一次撞击地面后持续的几分钟里,因此其严重性可能高于最初报道的程度。相反,报告的微爆很可能在飞机计划穿越相关区域时消散了。

      因此,非常重要的是要记住,在同一空域,前方的飞机所遇到的情况,可能会与下一架飞机所遇到的情况大不相同。

      ● 机载气象雷达

      通常,微暴伴随着大雨,可以使用机载气象雷达进行探测和识别。应避开这些区域。

      ● 机载预测风切变系统

      如今,大多数机型都具有可预测的风切变设备,通过听觉和视觉手段警告飞行员可能存在的威胁。

      为了提供潜在风切变活动的早期预警,一些机载气象雷达具备探测飞机前方风切变区域的能力,该能力基于垂直和水平方向上飞机前方的风速测量。

      该设备被称为预测风切变系统(PWS)。该系统是自动激活的,并在距离地面50至约1000英尺之间时,提供可靠的指示。

      PWS通常提前一分钟发出警告,首先在PFD上显示一条黄色的“W/S AHEAD”消息(图4)。

      如果情况恶化,风切变位置离飞机更近,“W/S AHEAD”的黄色警告将变为红色警告,并伴随相关的语音警告,起飞时“WIND SHEAR AHEAD, WIND SHEAR AHEAD”或着陆时“GO AROUND, WIND SHEAR AHEAD”。这表明飞机可能正在接近微爆。

     

      ▲图4:PFD上的“ W / S AHEAD”预测警告显示

     

      ● 小结

      机组人员应考虑所有可用的风切变感知手段,并根据以下情况评估安全起飞或安全下降、进场和着陆的条件:

      最新的气象报告和预报。特别要特别注意ATC指示。

      目视观察。

      机组人员对机场环境和当前天气状况的经验。

      在机场安装了气象雷达。这些系统用于检测机场附近的微暴,并向飞行员和ATC发出警报。

      机载气象雷达,以确保飞行路线远离危险区域。

      机载预测风切变系统(PWS)。

     

      ▎最佳实际操作:如何避开风切变并做好充分准备

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

     

      前面列出的丰富的工具和指示应该能让工作人员收集到关于前方天气状况的足够知识,并据此制定计划。但是,如何才能最好地利用这些信息来作出反应,并有效地避免实际遇到风切变?这里有一些建议。

      起飞:

      考虑推迟起飞,直到情况改善好转。请记住,下击暴流不会长期存在,会在几分钟内消失。

      考虑到可能出现的风切变/下击暴流的位置,选择最有利的跑道及初始爬升路径。这可能包括要求空中交通管制“起飞后立即左转或右转来避开”。

      在开始起飞滑跑之前,请使用气象雷达(以及可预测的风切变系统),以确保飞行路线远离危险区域。

      选择最大起飞推力。

      在起飞过程中密切监控空速和速度趋势,以发现风切变的任何征兆。

      如果怀疑有风切变,或者预测风切变系统(PWS)检测到风切变,应推迟起飞。

      下降和进近:

      根据前一架飞机的飞行员报告,或基于LLWAS发出的警报,预计将会出现下击暴流/风切变情况,进场和降落应推迟至情况好转,或飞机应备降前往更合适的机场。

      考虑到可能出现的风切变/下击暴流的位置,以及可用的跑道进近辅助设施,选择最有利的保持点、进近路径及跑道。

      选择少于全襟翼降落(以最大化爬升梯度能力),并相应地调整最终进场速度(即VAPP)。

      如果有ILS,请使用自动驾驶仪进行更精确的进近跟踪。

      如果预计会有阵风,请考虑增加FMS CDU上显示的VAPP(最大最小进近速度(即VLS) + 15节是允许的)。

      在进近过程中,密切监视空速,速度趋势和地速,以发现即将出现风切变的迹象。如果确认存在风切变,准备好可能的复飞和逃离机动。应保持最低的地面速度,以确保飞机的最低能量水平,并确保在逆风和顺风突然改变的情况下,进场时采取适当的推力管理。当管理目标速度时,将通过“最小地速”功能在空客电传操纵飞机上自动执行。

      在预测可能出现的风切变事件时,应保持警觉,对任何预测风切变的警报或警告立即作出反应。准备好执行复飞或在必要时复飞。

      如果怀疑有风切变,或者被预测风切变系统(PWS)检测到,则推迟进近直到情况改善,或转移到更合适的机场。

     

      ▎改出:如何识别和处理实际风切变情况

      RECOVERY: HOW TO RECOGNIZE AND HANDLE ACTUAL WIND SHEAR CONDITIONS

     

      尽管有可用的预防手段,但实际可能还会遇到风切变。及时识别这种天气现象对于让机组人员有足够的时间决定下一步行动至关重要。

      就风切变而言,最好的做法一直都是避开。但是在实际遇到的情况下,还有用于应对风切变情况的飞行技术。

      ● 识别

      实际遇到严重风切变的情况很少见,及时识别这种情况是成功实施风切变改出/逃离程序的关键。

      如何增强风切变的情景意识

      应将以下偏差视为可能的风切变条件的指示:

      指示空速的变化值超过15节

      地速变化

      风速指示变化:方向和速度

      垂直速度改变量达到500英尺/分钟

      俯仰姿态改变量达到5度

      下滑道偏差达到1个点

      航向变化10度

      异常的自动推力或自动油门作动。

      机载反应式风切变系统

      大多数飞机机型上都配备有反应式风切变警告系统。

      该系统能够基于垂直和水平方向的风速检测风切变。激活后,语音“WIND SHEAR”将重复3次,并且PFD上会出现红色的“WIND SHEAR”警告(图5)。

      与飞行制导的速度基准系统(SRS)模式相关联的风切变预警系统构成了反应式风切变系统(RWS),因为这两个组件都对飞机参数的当前变化立即做出反应。

     

      ▲图5:“WINDSHEAR”反应式警告显示

     

      ● 风切变改出技术

      只有飞机有足够的能量使其度过性能损失期,才能在严重的风切变遭遇中幸免。它可以通过以下三种方式来维持这种能量水平:

      提高速度。当以管理速度(最小地速)进近时,飞机自动执行此操作。

      增加最大推力。即使已经选择了TOGA,飞机也会在αfloor保护下自动执行此操作(在这种情况下,当离开αfloor时,不要忘记断开自动推力)。

      如果可能的话,用高度能量换取速度。任何飞机都能做到。

      适当的飞行技术对这一进程有帮助,只要正确、及时遵循以下几点建议。

      起飞时

      如果在起飞滑跑期间,飞行员观察到风切变或者出现反应式风切变警告,则可能比预期的晚(或早)到达V1。在这种情况下,如有必要,飞行员可能必须依靠自己的判断来评估是否还有足够的跑道来停下飞机。

      在任何情况下,必须立即采用下列改出技术:

      ● 在V1之前:如果发生不可接受的空速变化(不超过目标V1),并且飞行员评估有足够的跑道剩余来停下飞机,则中断起飞。

      ● 在V1之后:

      保持或将推力杆设置为最大起飞推力(TOGA);

      在VR正常拉起;

      如果FD提供了风切变改出指南,请遵循飞行指引(FD)的俯仰指令,或者按照FCOM中的建议设置所需的俯仰姿态。

      如果在起飞或进近过程中,反应式风切变系统检测到风切变,则以最大推力改出,并遵循速度基准系统(SRS)的指令。

      在初始爬升、进近和着陆期间

      如果飞行员或反应式风切变系统,在初始爬升或进近和着陆期间检测到风切变,则必须立即应用以下改出技术:

      将推力杆设置为最大起飞推力(TOGA);

      如果自动驾驶仪(AP)处于工作状态并提供风切变改出指导,则保持AP处于工作状态;或者,如果AP未接通,则不要接通。如果FD提供了风切变改出指导,遵循FD俯仰指令,或者按照FCOM的建议设置了所需的俯仰姿态。

      机翼改平,使爬升梯度达到最大,除非需要转弯越障;

      为防止飞机下沉,在空客电传飞机上可能需要拉杆到底,或者对于没有完整飞行包线保护的机型需要在贴近抖杆/失速警告的位置飞行

      在脱离风切变状态前,不要改变襟翼和起落架的构型;

      密切监视空速、空速趋势和飞行轨迹角(如果有飞行轨迹矢量并显示给PM);

      当脱离风切变时,使飞机加速爬升,然后改为正常爬升和飞机在光洁形态。

      为了从实际的风切变遭遇中改出,在FCOM异常和紧急程序中给出了改出措施。请参阅PRO-ABN-80或A300 / A310 / A300-600上的FCOM恶劣天气操作。

      03.总结:风切变下操作SUMMARY: OPERATING IN WIND SHEAR CONDITIONS

      考虑到严重的风切变对安全的威胁,最好的选择总是尽可能避开它。然而,在实际遇到风切变的情况下,必须将其识别出来,然后从中改出,这一点很重要。

      在制定提升风切变意识的策略和措施时,可考虑以下规避、识别和改出的关键点和建议。

      ● 规避

      根据所有可用的气象数据,目视观察和机载设备,评估安全起飞或进近着陆的条件。

      尽可能延迟起飞或进近,或备降到更合适的机场。

      在报告的风切变条件下进近时,要“考虑好复飞”。

      做好准备并对预测性风切变警报或警告立即做出响应。

      ● 识别

      根据所有可用的气象数据,机载设备指示以及对飞机飞行参数和飞行路径的监视,对识别潜在或已发生的风切变状况保持警惕。

      审视仪表以查找即将发生的风切变。

      ● 改出

      如果出现风切变警告,应用推荐的FCOM改出/逃离程序,即设置最大推力,并遵循FD风切变改出/脱离俯仰指南

      充分利用飞机设备,例如飞行航径矢量(如果有)。

      为了在风切变或下击暴流条件下安全地操作飞机,FCOM补充程序中给出了最佳建议。

      风切变可能对航空安全造成严重威胁。由于对这一现象的深入研究,现在已经有了高效的设备来帮助飞行员识别、避开和在必要时处理风切变状况。在这项技术中,机组人员的意识和警觉性是成功应用规避技术和改出/逃生程序的关键因素。

      但最重要的是要记住,规避无疑是抵御风切变风险的最佳方法。

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