CN107187612B - 一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置 - Google Patents

一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置，属于航空安全技术领域。所述方法使用等离子射流激励器阵列，在跑道表面产生沿跑道方向的射流速度，进而诱导出垂直于跑道方向的射流旋涡。该射流旋涡的会在飞机尾涡的诱导作用下运动到飞机尾涡周围并与之干扰，加快飞机尾涡的消散。本发明通过主动流动控制的方法加快尾涡消散，减轻了飞机尾涡对飞行安全的威胁，缩短了飞机起降间隔；本发明不需要改变飞机结构，不影响飞行安全和效率；可在已有的机场跑道设施基础上直接改造而成，易于实施。

Description

一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置
技术领域
本发明属于航空安全技术领域。具体涉及一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置，可以应用在繁忙空港跑道以缩短飞机起降间隔。
背景技术
当今航空运输业发展迅猛，以我国为例，20世纪80年代起，在社会经济高速发展和对外开放事业日益进步的双重推动下，我国航空年吞吐量实现了年均10％以上的增长。吞吐量的增加导致了机场航班起降频次的增加，也导致飞机起降间隔时间越来越短。而大型飞机的尾涡核心区域最大速度甚至会达到360km/h，速度剪切很强，湍流度也很高，两个尾涡之间更是会产生极强的下洗气流，后续的飞机在前机尾涡尚未消散前穿行其中会遭遇到严重的安全隐患，发生飞行高度快速下降、滚转、翻转失控、抖动和发动机停机等安全事故。
据目前公开的数据，1983年至2000年,美国交通运输局已记载了60起因尾涡导致的事故,其中27起导致人员死亡,40起导致飞机损伤，而美国交通安全局的纪录则更加的触目惊心，在此期间共记载了116起尾涡导致的事故，其中14起为重大安全事故。为了减轻和预防尾涡的危害，当前世界上航空技术领先的各国主要采取了两种措施：在机翼上施加流动控制技术减弱翼尖涡和限制机场起降间隔。前一种方法需要改造飞机结构，会影响飞行效率且不易实施；后者只是被动等待尾涡自然消散，无法加快其消散过程进而缩短飞机起降间隔，目前也鲜见有采用主动控制手段加快飞机尾涡消散的技术。
发明内容
本发明为了减小或降低当前飞机尾涡危害，提出了一种通过主动流动控制加快机场跑道尾涡消散的方法，所述方法采用易于布置在跑道表面的等离子射流激励器阵列，进行主动流动控制以加快跑道上空飞机尾涡的衰减，在不改造飞机结构和不影响飞行效率的前提下提升飞机起降过程中的飞行安全水平，缩短飞机起降间隔，提高机场运营效率。
本发明提供的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，在机场跑道表面沿展向布置等离子射流激励器阵列，在脉冲电信号的激励下该等离子射流激励器阵列会产生沿流向的等离子射流，这一等离子射流会在短时间内诱导出一个沿展向分布的射流旋涡，此射流旋涡又会在流向等离子射流的作用下持续增强；与此同时由于飞机尾涡的诱导，此射流旋涡会向上运动并逐渐包绕在飞机尾涡周围，增加飞机尾涡的不稳定性并加快飞机尾涡的消散。
所述的每个等离子射流激励器阵列沿跑道展向布置，包括沿展向设置的底座、在底座上沿展向布置的多个等离子射流激励器、外露电极供电电缆、掩埋电极供电电缆、外露电极激励信号接入点和掩埋电极激励信号接入点；所述的等离子射流激励器由绝缘层、硅胶板、外露电极和掩埋电极组成，所述的绝缘层嵌入底座的凹槽中，掩埋电极嵌入在绝缘层的凹槽中，掩埋电极上方覆盖硅胶板实现掩埋电极与空气的绝缘；外露电极粘贴于硅胶板外侧与空气接触，外露电极的高度高于掩埋电极的高度，二者的流向方向不交叠；外露电极的高度高于底座的上表面；所述的外露电极供电电缆将所有等离子射流激励器的外露电极并联后，在外露电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的掩埋电极供电电缆将所有等离子射流激励器的掩埋电极并联后，在掩埋电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的外露电极和掩埋电极的激励信号由控制系统产生。
本发明有益效果在于：
1、本方法采用等离子射流诱导旋涡的手段可以主动加快尾涡消散，不需要改造飞机，也不必被动等待尾涡的自然消散。
2、利用了旋涡动力学的原理，通过增加尾涡的不稳定性来加快其消散，可以用能量较小的射流涡来加快能量较大的尾涡的消散，效率较高，尾涡的消散时间小于50s。
3、只需要在已有的机场跑道基础上直接加装厚度为毫米量级的等离子射流激励器，易于实施。并可以根据调整等离子射流激励器的个数和位置，控制飞机尾涡的消散时间。
4、等离子射流激励器只需要脉冲电信号的输入，不需要复杂的机械结构，便于控制，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的加快机场跑道尾涡消散的方法原理示意图；
图2是本发明中等离子射流激励器阵列局部(图1中A区)结构示意图；
图3是本发明的等离子射流激励器阵列局部(图1中A区)俯视图；
图4是本发明的等离子射流激励器阵列剖面图(图3中C-C方向)；
图5是本发明的单个等离子射流激励器等轴视图剖去掩埋电极上方的硅胶板示意图；
图6是本发明的控制系统组成及其与等离子射流激励器连接的示意图；
图7是本发明在数值模拟实验中加快尾涡消散效果图；
图8是本发明在数值模拟实验中加快尾涡消散流场图。
图中：
1、跑道； 2、飞机； 3、飞机尾涡； 4、射流旋涡；
5、等离子射流激励器阵列； 6、底座； 7、绝缘层； 8、硅胶板；
9、外露电极； 10、掩埋电极； 11、电阻；
12、外露电极供电电缆； 13、掩埋电极供电电缆； 14、等离子射流激励器；
15、等离子射流； 16、控制系统； 17、外露电极激励信号接入点；
18、掩埋电极激励信号接入点。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种加快机场跑道尾涡消散的方法及其实现装置，所述方法是指，将等离子射流激励器阵列5沿展向(垂直于跑道方向)布置在飞机跑道1上，在脉冲电信号的激励下，该等离子射流激励器阵列5中的等离子射流激励器会在飞机跑道1上产生沿流向的等离子射流15，这一等离子射流15会在短时间内诱导出沿展向分布的射流旋涡4，如图1和图2所示，此射流旋涡4又会在流向等离子射流15的作用下持续增强；由于飞机尾涡3的诱导，此射流旋涡4会向上运动并逐渐包绕在飞机尾涡3周围，增加飞机尾涡3的不稳定性并加快飞机尾涡3的消散。
如果该设置有等离子射流激励器阵列5的跑道段会有飞机2滑跑，那么在跑道1中央可能受到飞机2碾压的位置(如图1中用虚线框标示的B区)，可以不布置等离子射流激励器阵列5以避免对飞机滑跑产生影响。在流向(沿跑道方向)上可以布置若干个等离子射流激励器阵列5，如图1所示，在飞机跑道上布置了三个等离子射流激励器阵列5，相邻的两个等离子射流激励器阵列5之间的流向距离d为50～100m。
如图2所示，本发明的等离子射流激励器阵列5包括沿展向设置的底座6、在底座6上沿展向布置的一系列等离子射流激励器14、外露电极供电电缆12、掩埋电极供电电缆13、外露电极激励信号接入点17和掩埋电极激励信号接入点18。外露电极供电电缆12和掩埋电极供电电缆13分别通过外露电极激励信号接入点17和掩埋电极激励信号接入点18，传导外露电极9和掩埋电极10的激励信号。激励信号由控制系统16产生(见图6)，通过分别接入外露电极供电电缆12和掩埋电极供电电缆13，将激励信号发送到每个等离子射流激励器14，等离子射流激励器14会产生等离子射流15，进而诱导出沿展向旋转的射流旋涡4，该射流旋涡4的典型强度为单个飞机尾涡强度的5％以上。
如图3所示，通过俯视图可以看到本发明中的等离子射流激励器阵列5的组成部分，包括底座6、在底座6上沿展向布置一系列的等离子射流激励器14，外露电极供电电缆12和掩埋电极供电电缆13、外露电极激励信号接入点17和掩埋电极激励信号接入点18。所述的外露电极供电电缆12将所有等离子射流激励器14的外露电极9并联后，在外露电极激励信号接入点17连接到控制系统16，所述的掩埋电极供电电缆13将所有等离子射流激励器14的掩埋电极10并联后，在掩埋电极激励信号接入点18连接到控制系统16，其位置关系见图4(C-C方向的剖视图)。
如图4和图5所示，本发明中底座6采用绝缘材料，典型厚度为5～10mm，与跑道直接接触，沿跑道展向布置，其主要作用在于保护和安装等离子射流激励器14、外露电极供电电缆12和掩埋电极供电电缆13。所述的等离子射流激励器14由绝缘层7、硅胶板8、外露电极9和掩埋电极10组成。绝缘层7采用耐高温绝缘材料，其典型厚为2～3mm，作为等离子射流激励器14的最底层，嵌入底座6的凹槽内。所述的掩埋电极10嵌入绝缘层7表面的凹槽内。硅胶板8采用硅胶材料，其典型厚度为2～3mm，起到介质阻挡放电的作用，所述的硅胶板8使用绝缘胶粘合在绝缘层7和掩埋电极10的上方形成，二者共同保证掩埋电极10不会与空气接触。外露电极9通过绝缘胶粘合在硅胶板8表面，外露电极9的高度高于所述的底座6的上表面，外露电极9和掩埋电极10在流向方向顺序布置不交叠。外露电极9和掩埋电极10均采用铜箔材料，其典型厚度为0.05mm。
如图5，给出了本发明中单个等离子射流激励器14的等轴视图，所述的外露电极9粘贴于硅胶板8外侧与空气接触，掩埋电极10嵌入在绝缘层7的凹槽中，上方覆盖硅胶板8实现掩埋电极10与空气的绝缘。外露电极9的高度高于掩埋电极10的高度，二者的流向方向不交叠。
如图6，本发明的控制系统16包括信号发生器、功率放大器、升压变压器、电压计和电阻11。信号发生器产生形状为方波、正弦波或其他周期性波形的驱动信号，该驱动信号典型频率在3000赫兹至20000赫兹之间。此驱动信号经由功率放大器放大，放大后的信号典型功率在8千瓦至10千瓦以上。放大后的驱动信号再经过升压变压器，即可产生激励信号，激励信号的电压峰值在10000伏以上。激励信号的一极连接在外露电极激励信号接入点17上，再通过外露电极供电电缆12连接到外露电极9上，另一极经过一个电阻11连接在掩埋电极激励信号接入点18上，再通过掩埋电极供电电缆13连接到掩埋电极10上，其中电阻11起到保护电路的功效。电压计通过检测电阻11两侧的电压即可以计算得到电路的电流，如果电流过大可以断开电源以保护电路。由于激励信号负半周期产生的电子被绝缘层7阻挡，因而正半周期初始电子数目远多于负半周期，产生的正离子更多，体积力也更大，因而产生了从外露电极9指向掩埋电极10的等离子射流15。
如图7，本发明加快尾涡消散的数值模拟实验效果。此实验中单个飞机尾涡的强度为520m2/s(波音747起降过程中的典型尾涡强度)，距离地面高度为50m，等离子射流诱导的旋涡强度约为25m2/s。对于自然消散的尾涡，约需要190s尾涡的强度会降低到50m2/s的安全阈值。采用本发明的等离子射流进行主动流动控制可以显著地加快尾涡消散，大约50s左右即可降低到50m2/s的安全阈值内。
如图8，本发明加快尾涡消散的数值模拟实验流场。A、B、C三点分别对应于图7中自然消散尾涡的20s、90s、190s的流场，D、E、F三点分别对应于图7中等离子射流加快尾涡消散的10s、28s、50s的流场。对于自然消散的尾涡，在A点，飞机尾涡仍然稳定，旋涡的轴线没有弯折；在B点，飞机尾涡开始失稳，其轴线发生明显的弯折；在C点，飞机尾涡已经充分消散，碎裂为小的涡结构。对于采用本发明的等离子射流加快消散的尾涡，在D点，飞机尾涡仍然稳定，等离子射流在跑道上方诱导出了沿跑道展向的旋涡；在E点，飞机尾涡破坏了等离子射流诱导的旋涡，其部分涡量包围在飞机尾涡周围，导致了飞机尾涡轴线出现明显的弯折；在F点，飞机尾涡已经充分消散，碎裂为小的涡结构。

Claims (7)

1.一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：所述的方法，在机场跑道表面沿展向布置一个以上等离子射流激励器阵列，在脉冲电信号的激励下该等离子射流激励器阵列会产生沿流向的等离子射流，这一等离子射流会诱导出一个沿展向分布的射流旋涡，此射流旋涡又会在流向等离子射流的作用下持续增强；与此同时由于飞机尾涡的诱导，此射流旋涡会向上运动并逐渐包绕在飞机尾涡周围，增加飞机尾涡的不稳定性并加快飞机尾涡的消散。
2.根据权利要求1所述的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：在飞机跑道上，相邻的两个等离子射流激励器阵列之间的流向距离d为50～100m；如果设置有该等离子射流激励器阵列的跑道段会有飞机滑跑，那么在跑道中央可能受到飞机碾压的位置不布置等离子射流激励器。
3.根据权利要求1所述的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：所述的等离子射流激励器阵列包括沿展向设置的底座、在底座上沿展向布置的多个等离子射流激励器、外露电极供电电缆、掩埋电极供电电缆、外露电极激励信号接入点和掩埋电极激励信号接入点；所述的等离子射流激励器由绝缘层、硅胶板、外露电极和掩埋电极组成，所述的绝缘层嵌入底座的凹槽中，掩埋电极嵌入在绝缘层的凹槽中，掩埋电极上方覆盖硅胶板实现掩埋电极与空气的绝缘；外露电极粘贴于硅胶板外侧与空气接触，外露电极的高度高于掩埋电极的高度，二者的流向方向不交叠；外露电极的高度高于底座的上表面；所述的外露电极供电电缆将所有等离子射流激励器的外露电极并联后，在外露电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的掩埋电极供电电缆将所有等离子射流激励器的掩埋电极并联后，在掩埋电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的外露电极和掩埋电极的激励信号由控制系统产生。
4.根据权利要求1或3所述的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：每一个等离子射流激励器产生的射流旋涡的强度为单个飞机尾涡强度的5％以上。
5.根据权利要求3所述的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：底座采用绝缘材料，厚度为5～10mm，与跑道直接接触，沿跑道展向布置；绝缘层采用耐高温绝缘材料，厚为2～3mm；硅胶板采用硅胶材料，厚度为2～3mm，外露电极和掩埋电极均采用铜箔材料，厚度为0.05mm。
6.根据权利要求3所述的一种加快机场跑道尾涡消散的方法，其特征在于：所述的控制系统包括信号发生器、功率放大器、升压变压器、电压计和电阻，信号发生器产生形状为方波、正弦波或其他周期性波形的驱动信号，此驱动信号经由功率放大器放大，放大后的驱动信号再经过升压变压器，即产生激励信号，激励信号的一极连接在外露电极激励信号接入点上，再通过外露电极供电电缆连接到外露电极上，另一极经过一个电阻连接在掩埋电极激励信号接入点上，再通过掩埋电极供电电缆连接到掩埋电极上，电压计通过检测电阻两侧的电压。
7.一种加快机场跑道尾涡消散的实现装置，其特征在于：所述的实现装置包括设置在跑道流向设置的多个等离子射流激励器阵列，每个等离子射流激励器阵列沿跑道展向布置，包括沿展向设置的底座、在底座上沿展向布置的多个等离子射流激励器、外露电极供电电缆、掩埋电极供电电缆、外露电极激励信号接入点和掩埋电极激励信号接入点；所述的等离子射流激励器由绝缘层、硅胶板、外露电极和掩埋电极组成，所述的绝缘层嵌入底座的凹槽中，掩埋电极嵌入在绝缘层的凹槽中，掩埋电极上方覆盖硅胶板实现掩埋电极与空气的绝缘；外露电极粘贴于硅胶板外侧与空气接触，外露电极的高度高于掩埋电极的高度，二者的流向方向不交叠；外露电极的高度高于底座的上表面；所述的外露电极供电电缆将所有等离子射流激励器的外露电极并联后，在外露电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的掩埋电极供电电缆将所有等离子射流激励器的掩埋电极并联后，在掩埋电极激励信号接入点连接到控制系统，所述的外露电极和掩埋电极的激励信号由控制系统产生。
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