年月日南京机场强降水过程对航空飞行影响分析(2)
2.2 雨强对空中能见度的影响
南京机场强降水过程中能见度和雨滴谱参数有较明显的关系[19],利用本次过程OTT雨滴谱仪观测采集的全天雨滴样本资料,研究此次过程的各物理量的特征值,对飞行影响大的时间段进行了分析,首先是I(雨强)、MOR(气象光学能见度)的演变过程如图2所示,10日07∶00开始,雨强值刚开始增加,MOR就迅速降低至低值区间,之后在一段时间内相对雨强的变化较小;同时雨强值较气象光学能见度值更灵敏,相应MOR在雨强减小时瞬间升高,计算雨强和能见度的相关系数R=-0.693 36,通过α=0.001的显著性检验,为典型的反相关;当天雷暴伴随的强降水对空中能见度影响明显,当雨强达到50 mm·h-1以上,MOR平均降低到800 m,对飞行的起降产生严重影响。雨强对MOR的影响持续到11∶00后,雨势减小能见度也迅速上升。
2.3 过程雨滴谱的特征值情况分析
分析过程的平均雨滴谱N0(单位体积中的粒子数)和λ(降水粒子直径的倒数),讨论影响飞行正常时段内雨滴谱的特征值分布。此次大暴雨的分钟雨强变化范围为0.0~183.98 mm·h-1, 将雨强按以下分组: 050,求出平均雨强雨滴测量份数n、参数N0和λ, 表1 给出不同雨强的雨滴平均谱参数。
表1 不同雨强的雨滴平均谱参数Table 1 Average spectral of raindrops in different rain intensityI/(mm·h-1)nN0/个λ/mm-1I/(mm·h-1)0.0180.01
从表1和图3可见,资料样本数n在20~50 mm·h-1和1~10 mm·h-1区间是相对大值区,以及50 mm·h-1的强降水都保持了较长的时间,在大于50 mm·h-1的雨强中明显的显示,各直径降水粒子的贡献主要是0.4 mm左右、1.4 mm左右和2.8 mm附近的粒子,这种三峰形态在其他分段的雨强计算中也同样表现出来,但在强降水中表现的更为明显。且在最强降水时段的粒子高浓度的直径峰值出现的位置偏后,即高浓度粒子的直径更大于其他雨强,在出现最强降水时大粒子的贡献更大。而雨强区间越小曲线越平滑,最小的1~10 mm·h-1雨强区间的粒子直径在0.3 mm处出现高值后,就平稳减小,M-P拟合形态更好,显示出小粒子的贡献更大。
图3 6月10日强降水过程的分段雨强雨滴谱Fig.3 Raindrop spectrum of heavy precipitation during June 10
2.4 强降水雨滴对飞行动力的影响
当天飞机在雨中飞行,特别是在强降水中飞行会受到雨滴的冲击从而损失动量[15],研究所受到的降水的动力影响包括垂直方向上的给飞机的向下的动量,迎面的雨滴也会对飞机的速度有影响。假设飞机与雨滴做非弹性碰撞,飞机直线水平飞行,并在行进阶段速度降低,假设雨滴为球体,使用雨滴谱中粒子直径数据,求取不同直径的雨滴粒子的质量:
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图4 6月10日过程中波音747机型在降水中受到雨滴垂直方向(a)和水平方向(b)作用力Fig.4 The vertical(a) and horizontal(b) forces on Boeing 747 in precipitation
假设雨滴粒子与飞机进行非弹性碰撞,将全部动量传递给飞机,飞机受到粒子水平方向和垂直方向的撞击力。
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其中:N为雨滴谱中各大小各速度的粒子数(i为不同尺寸,j为不同速度);S为雨滴谱仪测量面积;t为雨滴谱的统计时长;取平面近似,飞机的投影面积分前视表面积AF和顶视表面积;水平方向上飞机速度VP;S为雨滴谱的测量面积;Vzj为雨滴的垂直下落速度。
水平方向单位时间碰撞雨滴个数dNx/dt;
垂直方向单位时间碰撞雨滴个数dNz/dt:
将各雨滴对飞机的作用力求和:
以波音747飞机为例,参数为:VP为65 m·s-1,AT为1 131 m2,AF为119 m2,以及大、中、小不同机型在本次最强降水时段中受到的作用力的计算后有如下结果:
对于波音747飞机,飞机发动机(JT9D)单发提供动力20 000 N左右,在没有下击暴流的强风情况下,垂直方向受力如图4a所示,对于强降水,在降水率大于100 mm·h-1的情况下,垂直方向降水的受力影响1%~2%,而水平方向受力如图4b所示,受力达到2 000~3 300 N,即对飞机的动力影响有10%~17%,瞬间可以使飞机的速度降低,而速度的降低对飞行的飞行升力等有一定影响,从而改变飞行轨迹以及对飞行员心理均会有相应的影响。飞机在起降阶段,留给飞机以及飞行员反应的时间短,机组的操作和飞行轨迹稍有失误就会带来灾难。
对于不同机型在降水中受力情况,通过相应的参数分别计算。如将飞机种类定为大、中和小类型,在计算结果上同一种机型的受力情况是一致或者非常接近的。根据南京机场起降的多机型机种,分别以大型飞机波音747,中型飞机波音737和小型飞机ERJ145为代表,通过计算不同机型受力情况(图5),结果表明在本次强降水过程中,不同的机型在同样的降水强度下受力均不相同,受力的大小与飞机的机型有关,大型机机型受力线在最上层,显示受力较大,小型机机型受力线在最下层,显示受力最小。在降水强度较弱阶段,3种机型的受力值趋于一致,最小值的极值接近。在降水强度增大时,大型机的受力会迅速增加,极值是中型机的7倍,小型机的10倍。而雨滴对飞机的受力相对于波音747飞机发动机(JT9D)单发提供的动力20 000 N,波音737飞机发动机(CFM56-3B-2)单发提供的动力10 000 N左右,ERJ145飞机的飞机发动机(AE3007A)单发提供的动力3 500 N左右,可见总体来说都在1%左右或以下,在不考虑有垂直气流或下击暴流的情况下,垂直方向上纯雨滴下降时的作用力相对较小。在水平方向上,虽然机型有差别,但在水平作用力极值方面相对单发动力均达到了10%~14%的影响程度,从而对飞行有一定的影响(图6)。综合降水对空中能见度的干扰、闪电对无线电的干扰等因素,再加上强降水中可能的下击暴流的影响,飞机在飞行起降阶段,具有很强的危害性。
文章来源:《飞行力学》 网址: http://www.fxlxzz.cn/qikandaodu/2021/0320/423.html
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