2015年7月7日 星期二

飛機為何肚朝天—來談談亂流

飛機為何肚朝天來談談亂流
~這是一篇十餘年前我在某內部刊物中寫的舊文,探討的是亂流風切等對飛機產生潛在威脅的局部氣象。

1999822號華航不幸出事了;新聞報導華航CI642班機在受颱風環流影響的環境下,於香港大嶼山新機場落地時受不明氣動力作用影響突然右滾,導致右翅骨折、最後呈機腹朝天的手術台姿態….。姑不論這最後的飛機姿態引發了多少對機師操作上的街談巷議,機場的天候環境不穩定卻是眾說紛紜中大家一致的共識。本文就來談談這個造成飛行氣動力非預期變化的氣候因素:亂流。至於本次空難所引發我國飛安品質的再再再次探討、誰該下誰不該上、甚至於華航立即民營以改善飛安(某民意代表語)等都是空難相關的專家議題,均不在本文討論範圍內,有興趣的讀者們參閱八卦刊物可也。

亂流

  亂流在氣象學中算是一種總稱,由幾種環境形而有不同的發生型態。它係由大氣運動中的渦流或垂直對流產生的不規則運動,其強度依空氣穩定度而定,只要它能對航機構成姿態或航線上的突發非自主性改變者均屬之;其對飛行的影響是干擾飛行操作、舒適性及飛行安全等。亂流的形成成因大致可類分為下列幾種:(1)風切(2)地形舉升或暖空氣上升 (3)熱力變化使空氣產生垂直對流(4)機尾亂流(wake)。以下分別敘述之:

風切

  是種突然發生、劇烈的風速風向變化的不連續大氣環境,可存在於任何高度,且垂直、水平方向均可能發生。當飛機遭遇風切時可能瞬間喪失爬升能力或極劇地改變飛機的垂直速度及高度,自然也可能在某一瞬間造成機翼升力不對稱而翻滾。風切這兩個字湊起來看好像蠻專業深奧的,實則不然,的意思在物理的力學中代表一種作用在同一平面的方向相反的力偶,也叫作。不是理工科的同仁可能看得更迷糊了,我舉個剪力的例子好了:耳鬢廝磨的成語可聽過吧?當你跟家裡那口子­­----小狗來旺挨挨擦擦、耳鬢廝磨時,你與來旺間便因介面間的摩擦運動產生了剪力。剪跟切同義,切之所以為切,可能係”shear”音譯而來,有待方家指正。所以啦,對於風切我們可以顧名思義地想成是空間中兩股陣風交會通過時在中間產生的不連續斷面,飛機橫過斷面便相當於短時間穿越兩個風向風速截然不同的空間,若此時又發生在飛機貼近地面的起降過程自然便非常危險。當一個區域有鋒面及雷雨時區域內遭遇風切的可能性便會增大,以雷雨胞的發展結構為例,我們可把它想成一個奇大無比、底部不斷加熱的大燒水鍋:我們都知道水加熱的過程中鍋底被加熱的水體積擴大而密度降低,因而往上流動,所遺的空間讓旁邊溫度較低的水流進填補,加熱愈快,這個對流便愈劇烈。現在從燒水鍋回到雷雨胞,沿雷雨胞的行進方向,烘熱的地表不斷加熱附近的空氣並對流輸送至上空,而上層冷凝的水滴及空氣也不斷下流加速填補而形成一大股旺盛下降氣流(見附圖,又名下爆氣流
雷雨胞的發展結構

雷雨胞的對流運動

這股下降氣流向地面時就如同往牆上潑水一樣水花四濺,不均勻連續的亂流便產生也,由於發生在接近地表處,對起降中的低飛飛機構成嚴重威脅。(見下圖說明)

下爆氣流(downburst)

旺盛下降氣流對起飛中的飛機會構成嚴重威脅
另一個好發環境是逆溫層存在時,此時由於地面輻射冷卻形成貼近地面數百呎的空氣冷而停滯,上方若有風速較強的暖空氣,風切帶就會在其間發展出來。這停滯的濕重空氣與上空吹拂而過的暖輕空氣可有一比:布丁落地一層灰,小華手撢兼口吹,風拂平野塵不揚,面紅手酸嘴嚷

障礙物

  當障礙物如高樓或不規則地物干擾到正常風的流動流線時,其下風處即產生亂流(參考附圖)。這個現象我們可視為機械性的亂流。機械性亂流也可能產生於自然界,當強風幾乎以直角方向撞向山稜線處,山的迎風面很容易預期其有亂流存在,這有如前文所提的下爆氣流觸及地面的效應,此時如果空氣潮濕又不穩定便容易形成山區性雷陣雨。當不穩定的空氣翻過山巔便形成強盛的下降氣流(即所謂的落山風),這些下降氣流可能遠超過小飛機的爬升能力。可不知當初台北國際金融大樓要在一個有機場的盆地內創造一個世界第一時,環評有沒有考量到這個飛安因素?可別小看這種效應,台中國際機場的南邊跑道延伸線在近幾年新蓋了些大型建築,而北邊緊臨著寬闊的大甲溪河階,均有可能形成類似下圖的風切地形效果。
障礙物會擾動流線行進而形成亂流

熱力與水氣

  當濕氣充份時,積雲顯示了對流亂流的存在。亂流是由於氣流在下方溫暖地表接觸受熱後的空氣中發展而來,受熱方式可於冷空氣在暖空氣表面的上方平移或直接由地表烘熱,所以一般而言,這些氣流的影響是隨高度遞減的。當空氣潮濕時這股氣流便以它們頂端生成之積雲表現出來,其對流形式基本上相類於雷雨胞的供需型態,是種垂直對流的型式。條件夠時甚至也可發展成雷雨。

尾流

  前進的機翼獲得升力時由於機翼上浮迫使翼尖下表面的空氣向外向上翻到上表面而形成連續的渦流,此時飛機後緣即會因渦流的存在而產生亂流,對下風處的飛機構成威脅。避免的法門就是不要離前面起降的大飛機的航跡太近,如本機隨著前機落地時就儘量以高於前機之下滑航道(glide path)落地,起飛時也以相同要領儘量在前機滾行的距離以內起飛並爬升到高於前機的起飛航道。
機尾渦流形成的亂流結構

由以上概分的四種亂流型式我們可以瞭解到亂流與大氣空氣對流運動密不可分的關係,撇開你我坐客機幾乎必不可免的前有亂流,請繫安全帶的嚇人但安全的經驗外,會危及飛行安全的近地亂流實際上透過航管及機師的資訊交換和更為保守的處置心態,不該是很難規避的風險才對。

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