横风 — — 吹向跑道中心线的风 — — 是航空领域最严峻的挑战之一。 在着陆和起飞的关键阶段,这些横向力量与飞机的空气动力表面相互作用,可以大大改变升降和拖动。 对这些相互作用的深刻理解对于飞行员、工程师和安全官员至关重要。 本条探讨了横风对拖拉和升降的影响背后的物理,审查了现实世界的影响,并审查了维持安全运行的战略和技术。

空气动力学基金会:升降和拖曳

在分析横风效应之前,必须重新审视两种支配飞行的主要空气动力:升降和拖降。 升降是机翼在空中流过时产生的向上力,与飞机的重量相对应。 拖降是反对前进运动的阻力。 这两种力量都取决于相对风力 — — 飞机被空气击中的速度和方向。

升降是如何产生的

当机翼的形状(空气)在上下表面形成压力差异时,升力就会产生。这种压力差会受到攻击角和相对风速[的影响。在直和平面飞行期间,相对风向与飞机方向相反。然而,当存在横风部分时,相对风向向向向向向横向移动,改变整个机翼跨侧面的有效攻击角。 例如,在上风翼(风从何处来),相对风可能增加攻击角,而在下风翼上则可能降低攻击角。 这种不对称的分布产生一个滚动瞬间,并可能导致一翼在另一翼之前停滞。

拖曳的性质

拖曳分为两种:寄生性拖曳(皮肤摩擦、形式拖曳)和诱导拖曳(由于升降而拖曳)。诱导拖曳与翼尖涡旋的强度直接相关,后者随着升降系数的增加而增加。在跨风行进过程中,侧倾角 — — 飞机的航向与地面上的实际路径之间的差别 — — 导致向上拖曳。此外,飞行员或自动驾驶员要求的额外拉曳和滚曳修正会从偏转的控制表面产生额外的轮廓拖曳。净结果是总拖曳量的可衡量增加,这必须与推力管理相补偿。

着陆和起飞期间的横风机械师

横风对整个机体施加横向力量,但其对升降和拖曳的影响最明显,在起飞和着陆期间飞机靠近地面时,这种影响非常明显。 在这些阶段,飞行速度和拖曳速度之间的距离是微小的,任何升降中的不对称现象都可能很危险。

举起和滚动的不对称动因

当飞机与跑道中心线对齐但风从侧面传来时,相对风向矢量[]已经不再沿纵向轴直行,由于风增加了前进运动,而下风翼看到有效速度下降,因此上风翼的相对气流速度较高,而下风翼则看到升降机的升降不平衡:上风翼产生更多的升降,导致飞机如不抵抗则会滚入风中. 为了保持翼位,飞行员对面应用了增拖力并可能诱发不良的电线.

从侧斜处引出的拖曳增加

驾驶员们通常会使用侧滑技术来跟踪跑道中心线,将车身靠在风中,并用对舵来保持鼻子直线。 这一操作有意制造一个侧滑角度,增加垂直稳定器对风的有效区域。 然而,侧滑也增加了机身和垂直尾翼的诱导拖曳。 根据美国航天局的研究,在有些飞机配置中,10度侧滑可以增加15–20 % 。 额外的拖曳必须被更高的推力所抵消,这会使绕行和起飞复杂化。

跨风操作的试验技术

交叉风着陆主要教两种方法: crab技术和侧滑(或翼-低)技术[,每种技术对升降和拖动都有不同的影响。

  • 蟹技术:飞行员将鼻子对准风,使飞机的飞行路径与跑道相配合,而机身相对地面则被系住。这种方法保持机翼水平,并尽可能减少接近时的不对称升力。然而,在触地得分之前,飞行员必须“按”舵,使机身与跑道中心线相配合,从而可以瞬间再起横向力量。 在过渡期间,随着垂直稳定器的气流突然变化,拖动的猛增。
  • 滑翔技术:[] 飞行员用对面舵将一个弯曲的机翼固定在风中,使鼻子保持中线,这造成了一个稳定的侧式滑翔,在整个最终接近时拖动会增加,其优点是更稳定的触地得分,没有突然的航向变化,然而,由于飞机飞行时始终采用滚角,因此上风机翼部分屏蔽,下风机翼可能处于更高的有效攻击角度,增加了倾斜拖拉杆的风险.

这两种技术都需要精确的控制投入来管理升降机的分布和拖曳。 现代飞行训练强调飞机制造商根据第23部分或第25部分的认证测试公布的跨风限制——最大显示的跨风组件。

现代飞机设计和自动着陆能力

技术进步减轻了飞行员的负担。 航空机的自动驾驶系统现在可以在一定范围内(通常20-30节,取决于飞机类型)在横风中进行自动着陆。 这些系统使用惯性参考和GPS数据计算最佳控制表面偏移,补偿不对称升力和拖力的增加。 飞行系统,如空中客车A380和波音787上的系统,可以自动调整亚升力和破坏器,以维持对称升力分布,减少诱导的拖力罚。

此外,机翼设计本身也有所发展。高级机翼和机翼尖通过控制跨风流,帮助管理诱导拖曳。根据[]波音研究[,修改机翼和襟翼调度可以提高低速横向稳定性。

个案研究和历史事件

真实世界的事件强调了理解横风对升降和拖曳的影响的重要性. 2008年,一架波音737在马尼拉经历了一次绕行,因为横风方式导致因不对称升降而意外下降. FAA随后的调查突出表明,需要改进在失联的航线上管理诱导拖曳的试点培训.

2005年丹佛国际机场又发生了一起引人注目的事件,由于高空导致冲浪和推力下降,导致起飞暂时失去控制。 飞机的升降比因冲浪部分而退化,导致起飞距离增大。 这些例子表明,冲浪效应不仅仅是理论上的 — — 它们有直接的操作后果。

未来趋势和培训的加强

随着电动和混合电动飞机的兴起,由于分布式推进和重量分布不同,横风动力可能发生变化。 工程师已经在模拟横风如何影响沿机翼搭载的多个小型螺旋桨 — — 每一个螺旋桨都改变了当地的气流和升力分布。 同样,美国航天局的航空学研究[正在探索主动的流控,以减轻横风中的不对称升力。

训练模拟器已经变得非常精密,能够复制跨风起飞时发生的非线性拖曳增量和升降。 许多航空公司现在需要反复的模拟器课程,专门侧重于跨风技术,强调显示拖曳增加的空气动力提示(例如,需要更高的电源设置)和初回旋(例如,略微不平衡的升降).

结论

横风从根本上改变了使飞机保持空中飞行或帮助飞机停在跑道上的升降力和拖力。 从产生滚动时刻的不对称升降力到需要更多推力的诱导拖力,必须理解和管理每一种效应。 通过高技能的飞行员技术、先进的飞机设计和强健的培训方案,航空业继续在横风条件下安全运行。 随着飞机变得更加复杂,空气动力学的基础知识 — — 特别是横向风力如何影响升降和拖动 — — 仍然是飞行安全的基石。