飛機遭遇到的亂流

 

    近年航空事業日益發達,所需的氣象知識也日漸增多,由於飛機失事屢見不鮮,更加令人注意到飛行安全。當飛機在空中航行時,常會遇到極不穩定的氣流,使飛機發生強烈的顛簸(Bumpiness),甚至失卻控制,此種大氣中小範圍內的不穩定氣流,就稱為「亂流」(Turbulence)。

大氣亂流

    亂流是飛機失事的主因之一,以前的氣象學者認為亂流僅存在於對流層中。近年由於 U2及 X15 飛行員的報告,在六萬呎以上的高空,也曾發現過亂流,因而亂流的存在,端視氣層穩定性而定,在大氣中任何地方均有遭遇的可能。

    大氣亂流的主要來源有四,即對流、地面摩擦、重力波和亂流層內的氣流。對流性亂流(Convection Current)包括因空氣冷熱變化而產生的垂直性環流(Circulation),為飛機發生顛簸的主因。地面摩擦係指地面粗糙程度不同,使得空氣吹過產生亂流,而使低空飛行的飛機產生失衡的現象。重力波和亂流層內的氣流,基本上是屬於地面上的機械不穩性(Mechanical Instability,指空氣密度隨高度而減小),使飛機飛臨山區產生顛簸現象,影響都不容忽視。

亂流的成因

    一般而言,亂流可分為「有形亂流」和「無形亂流」兩種,現分述如下:

有形的亂流:有顯著的雲層為其特徵,它的成因有二:

    一、熱力不平衡——地面受強烈日光照射,低層空氣受熱膨脹上升,上層冷空氣下降,形成對流現象;若潮濕空氣包含其中,則會形成塔狀積雲(Cumulus)。在這類雲層中飛行,有著強烈的亂流,能使飛機發生劇烈顛簸,所以駕駛員在此種情況下,最好繞雲而飛,或在其上空飛行。如圖一。 

    二、山坡作用——當空氣在山的向風面沿坡上升時,風速隨山的坡度而增加,至山頂時達最大值;通過山峰後,遂迅速下降,產生下降氣流;但在離開山峰約510哩的下風處,空氣又開始上升,並形成渦動雲(Roll Clouds),此雲成波狀水平發展。航行中的飛機應避免進入此波飛行。民國5812日,華航309號班機,在臺東大武山區背風面,就因遇到此種亂流而碰樹墜毀。為避免此種災禍,飛行員遇此情況時,便該儘可能繞道飛行,或者爬昇出山高百分之五十。但如駕駛的是高速飛機,儘可能向下風處飛行,否則會損壞機身結構,而遭失事。圖二所示,為山坡形成之亂流,其顯著的特徵為「莢狀雲」(LenticularClouds,即外形略似雙凸透鏡或豆莢狀之雲)。

    無形的亂流:多在晴朗天氣中產生,但下文所述的晴空亂流另有所指。此種亂流之成因有二:

一、地形地物的影響:

(一)地面有障礙物——如圖三,此種障礙物後方的亂流,以整個天空而言,雖微不足道,但在飛機降落時也應加以注意。

(二)地表性質不同——由於地表性質不同,受熱程度各異,如砂地、岩石地面以及耕地,較之草地或有植物的地面,受熱快速,遂形成強度不等的對流,如圖四。飛機飛臨此種地表,應立即改正高度。

(三)海岸線兩旁——因海面與陸面受熱程度不同,會產生亂流。尤當炎夏午後,此種現象更為顯著,也應加以預防。

二、高空有風切現象——所謂「風切」(Wind Shear),是指風向或風速隨高度而改變的情形,有水平與垂直兩種。據統計,近百分之七十五的高空亂流都與風切現象有關。另外,高空常有噴射氣流(Jet Stream)產生,此種噴射亂流也是飛行時須注意的亂流現象之一。

 

噴射氣流

    對噴射氣流,我們可作如下的定義:它是一股猶如狹帶狀的高空高速風。此種蜿蜒如帶的高速氣流,常存在於二萬呎至四萬五千呎之間,其核心時速至少要超過六十哩,通常此種氣流往往長達數千哩,寬數百哩,而厚度也超過一哩。中緯度上的噴射氣流常出現於極地對流層頂(PolarTropopause)與熱帶對流層頂(Tropical Tropopause)相鄰的陡坡區。對流層頂是氣象術語,指對流層與同溫層的交界面,其上之氣溫不再隨高度之增加而減小。

    噴射氣流全區之風速型態:大致在核心下方風速穩穩地增加,至中緯度三萬至四萬呎附近為最大。因風切與風速常相攜並進,故噴射氣流愈強大,其核心上下的風切亦愈大。如圖五。

    圖六為噴射氣流橫剖面的典範。由圖可看出噴射氣流為大氣圈中的數層高速風圈。這些風圈附近的雲層狀態,會隨風形成縱長之帶狀,對於噴射飛機的飛行,並不足以造成重大的損害,但是噴射氣流附近的晴空亂流,則對飛行頗為不利。

 

晴空亂流

    晴空亂流(Clear Air Turbulence)一詞,常用以解釋飛機在「高空」時所遭遇的顛簸(垂直方向加速)現象。這是由於高層大氣中隱匿的一種無法覺察,但為駕駛員所關切的力量。它事先亳無跡象,可能突然會使飛機在空中顛簸,而失事。譬如:

    一、一架 B52 機在蒙他拿州的布丹附近,遭到晴空亂流,四十五萬磅重的機身在三萬五千呎高空上好像翻了身一樣,當時天氣為晴天。

    二、許多美國空軍飛行員在橫跨南美洲安底斯山脈時,常遇亂流,座椅從連結處裂開,鉸釘也砰然脫出,造成事件。飛行天氣仍是晴天。

    三、一架聯合航空公司客機在飛越洛磯山時,遇上亂流,結果兩位空中小姐和兩位乘客受傷,飛行天氣晴天。

    記錄尚不止此,空軍方面此種情形也很多,許多航空公司也正根據駕駛員的資料,在編製一些令人難忘的記錄。有些專家並不相信,晴空亂流僅是一種上升或下降的氣流及渦旋式的亂流而已,他們相信晴空亂流,也有可能是一種由於電力作用所引起的一種駐留波型的層流(LaminarFlow)。不過,所有晴空亂流並非發生於一碧無雲的天空,而且在明朗天氣飛行中所遭遇的顛簸,也不一定是「晴空亂流」。有時在陰霾天氣時飛行遭到的騷擾,也可稱為晴空亂流;而且在低高度遭遇到機械不穩性騷動,或乾燥性的熱對流,縱使發生在碧空無雲之時,亦不得稱為晴空亂流。

晴空亂流的成因

    所謂機械不穩性騷動,係指地面風及地形崎嶇造成的亂流,專指大氣層最下方的氣流現象。對流現象,以積狀雲(Cumuliform clouds)為其特徵,最盛行於中緯度的對流頂一帶。真正的「晴空亂流」則發生於對流層的上方以及同溫層中。如圖七。此三種氣流,雖互有牽連,且外貌上大同小異,但晴空亂流以其幅度及性質不同而突出。典型的晴空亂流常發現為二千呎厚,幅寬約十至二十哩的平層氣流,有時長達五十至一百哩之遙。

    氣象人員對於預報晴空亂流甚感棘手。因對流現象可從雷達上發覺到,但對晴空亂流則一籌莫展。自一九六二年以來,美空軍氣象處已委派位於內布拉斯加州的奧芙(Offutt)基地的全球氣象中心,擔任所有晴空亂流的預報工作。

    冬季為晴空亂流盛行的季節,多半是由數種因素錯綜所造成,通常在三萬呎的高空發生;但飛在此高度上空,也並不能說保險碰不到晴空亂流。圖八所示為美國XB70飛機以2.9倍音速在七萬呎高空試飛時遭到的亂流現象。

    對晴空亂流最具經驗的當推空軍駕駛員們。在美國,自從早期 B29 在高層遇到它之後,迄今已收集到許多資料。有一點能知道的是,當高空有明顯的槽形低氣壓(Trough)出現後,就可能產生亂流,軍方氣象家們指出當高層有冷低壓時也可能出現這種亂流。空軍方面認為,在很高層的山區波動中,所經歷的最猛烈的是每分鐘下降四千呎的氣流。同時他們早期習知在薄的渦動雲(Roll Clouds)中有困人的亂流出現,其上又有多層滾狀雲(如圖二所示的對流層上之積雲)和莢狀雲,再上一層則為高空亂流了。

各種觀點

    泛美航空公司有關晴空亂流的手冊,早在一九五六年刊出該公司氣象主任 E.R.B. Buxton的看法,他說:「我們經常飛入中度亂流區域,但極少發生事故,我們的駕駛員在天氣圖中看到亂流標示區域,就在飛行日誌中設法避開;但假定發現那些未曾預測到的亂流時,他們亦僅減低速度繞道而行。」該公司這種對策已有效果,因是迄無由晴空亂流而使人員受傷的記錄。

    美國航空公司的許多航線,均係沿著無法預測的北美洲噴射氣流的邊緣上經過,他們對晴空亂流的看法和泛美相似,但更為積極。其氣象主任 A.F. Merewether 說,他們的飛行人員也計劃繞著亂流威脅區的旁邊飛行,但假定無法預測,則遇見亂流時就謹慎地向前直進。他們對這計劃的積極辦法為直接收集資料,由飛行員親自提出亂流報告,在過去幾年中已收集了不少齊全的資料。Merewether 認為,晴空亂流雖令人厭惡,但並非一個難題,定有完善的預報方法,俾能澈底的避免晴空亂流的騷擾。

    阿特蘭大氣象展指出:「我們相信中度的晴空亂流,一般是可能預測的。雖然現在我們還無法將此種亂流確切地描繪出來,但為了不致遺漏顯著的亂流區,故預測的範圍,已予以相當的擴展。」他估計一架民航機進入中度晴空亂流的機會是千分之一,而遇到嚴重亂流的機會是四千分之一而已。

    以往航空界對亂流之所以未先防範,其可能原因之一,是早期所提出的警告不多,且未受到注意。第二個可能原因是問題太大,當科學家在努力尋找晴空亂流的各項資料,而想加以防範之前,噴射機時代卻已全面來臨,以致使人們措手不及。

    時至今日,科學家已知曉發生晴空亂流的原因,並且有了勘定其可能發生的地區的有效方法;同時,飛行員也知道如何辨識晴空亂流,而運用特殊技巧來減少危險。雖然,在遭到猛烈晴空亂流的次數已在減少,但是仍值得我們注意。在一九七○年十一月四日,一架汎美747客機在飛過 Nantucket 城時,機上的乘客曾親身感到晴空亂流的襲擊,就像是把車子開到鵝卵石路面一樣。

偵測方法

    已知的晴空亂流,其物理性質非常複離,此種現象通常在噴射氣流中心附近,伴有水平或垂直方向風速的極端變化。根據已有的經驗,得知大氣亂流會造成折射率的變化。超高頻無線電波向前散射,是以亂流使之擴散為解釋的基礎,因此我們可用此種性質,利用無線電或光學裝置來測量。目前正在研究的有下列兩種辦法:

    一、雷達探測——根據柯尼爾航空公司實驗室的工作人員及卡耐基理工學院與中西部研究所之研究,認為電磁波在大氣亂流區內的散射,是與該區內折射率變化之傅利葉光譜(FourierSpectrum)有關,且脈動雷達具有偵測大氣亂流之能力,故同調波雷達技術(Coherent Radar Techniques)亦能使偵測成為可能。

    由於在一次研究中,顯示出無線電探空觀測所得四十哩外之資料,與該處雷達回波有相互關係(如圖九),因此美國無線電公司的摩里斯鎮分公司根據此種關係,建立了一種預報方法。在該次研究中所使用的雷達,是一種電功率高達三百萬瓦特的C波道(5736MC)裝置,根據其所提出的報告稱,晴朗空氣之回波,是確可觀測出來,只是尚無計劃發展此種空用雷達。

    二、雷射探測——有些工程師提出一種亂流指示器,是由脈動紅寶石雷射,以供給高強度的平行光束,用一具與雷射光束寬度一致的望遠鏡作接收反射回波之用;亂流將使回波之散射光線強度發生改變。但此種設備目前尚無製作。

    到目前為止,在飛機上由於晴空亂流而潑翻的餐點與飛機的清潔費用,已被民航公司作為經營費用之一部份。晴空亂流之偵測與預報,將可省下此費用,並獲致飛行安全。人們想完全克服晴空亂流,目前還差一大截,而噴射機的第二代,如747C5等巨無霸型噴射機(Jumbo Jets),從開始就產生另外一種擾流——尾後亂流,同而玷損了其令譽。

尾後亂流

    晴空亂流與飛機尾後亂流(Wake Turbulence)兩者均能使飛機失卻控制,但就兩者現象而言,卻有顯著的不同。晴空亂流是自然形成的,且通常發生在一定的地區,強烈的晴空亂流能輕易的搖盪巨大的飛機,使之反側。而尾後亂流的生成卻不拘限於區域性,凡在空中飛行的飛機後面,都能發生此種亂流,但即使是最強烈的尾後亂流,也只能威脅到737DC9等中型飛機及小型飛機,對大型飛機而言,其波及的程度較小。

    一九六九年十一月十八日,一架舍斯納310H小型飛機,在舊金山國際機場28L號跑道上空作最後進場,準備降落時,在其右邊六百呎處,一架噴射客機也在並肩進場,準備降落在另一條平行的跑道上。這架巨型噴射客機向前飛行,然後領先數千呎,降落在另一條跑道上。數秒鐘後,舍斯納機在跑道上空七十五呎處劇烈翻滾,墜落在地上,隨即迅速起火燃燒,幸好飛行員和兩位乘客都安全逃出。事後,飛行員稱:「操縱完全失效。」

這次事件,是由於尾後亂流所引起,19641969年間,至少有98次空中失事與此種亂流有關,總共20人死亡,54人受傷。近年由於波音747及 C5A等噴射機出現,以及噴射客機的驚人發展,此問題更加嚴重。

尾後亂流成因

    巨型噴射機會產生兩種亂流,第一是引擎排出的氣流,第二是翼尖產生的尾後亂流。它們是互不相干的兩個問題。第一種氣流只在滑行道、跑道上才特別顯著與嚴重,而尾後亂流則是離地昇空後才開始產生的。在巡航高空時,飛機的尾後亂流常延伸至四十哩之長;在有碧空相襯之時,人們能清晰的看到此亂流現象。尾後亂流不僅是噴射機時代的標誌,也可以說是這個時代的產物,因此它是隨巨型飛機的尾渦流(Trailing Vortex)而來的。

    正常產生的尾渦流,是作圓周運動的一小股氣流,像香煙繚繞一樣。當其衍生不已,結合起來就形成一卷卷螺旋形的渦流面。這現象發生在機翼尖上,隨著飛機而前進,形成兩條平行的空氣螺旋管,而形成一長串的渦流群,直徑可達三十五呎,拖在機後形成下洗氣流(Wash Stream),其威力幾乎和龍捲風(Tornadoes)一樣強(如圖十)。

    在超級噴射機後面,所產生的下洗氣流,其速率可高達每分鐘五百呎。以協和號超音速噴射客機產生的尾後亂流為例,由於飛機翼展較短,故其範圍也較窄,但所生的亂流較劇烈,其下洗氣流每分鐘約為一千呎;在高空中尚不會構成問題,但在靠近地面時,此速率要比許多輕型飛機的爬升率為大,對任何飛機都會構成嚴重危險。

尾後亂流的強度

    尾後亂流的大小與強度,隨飛機的重量、速度、翼展而相異。機翼愈大,渦流的中心部份愈大;飛機速度愈慢且重量愈重,尾後亂流的強度亦愈大。渦流旋轉速度最大的部份,其直徑約為翼展的百分之十五,所以渦流中心部份,直徑達二十五呎的波音707飛機,能夠輕易的使靠得太近的任何輕型飛機翻滾倒轉。

    什麼距離才算太近?聯邦航空署的研究人員指出,總重六十萬磅的飛機準備進場著陸,尾後亂流所形成的渦流,通常向後延伸五哩,並從翼尖處逐漸下沉七百呎。因此在此情況下,要有安全的降落,便須尾隨在此型飛機之後五哩外。美國空軍劍橋實驗所研究員 Andrew 將尾後亂流的某些變異,描述如下:最劇烈的尾後亂流,一般——但不是常常——是飛機在低空作慢速飛行時所形成。可是,在某種情況下,以巡航高空飛行所生的尾後亂流,也十分強烈。

    不慎飛入尾後亂流,將發生何種後果﹖據波音公司稱:一架翼展為二十五呎的飛機,在一架約四十萬磅(如707)大小的飛機後面飛行,每秒鐘被滾轉的角速度達九十度;翼展為卅五呎的飛機,則每秒為五十度;翼展為一百廿呎的客機,則滾轉每秒不到廿度。根據美國國家航空暨太空總署愛德華飛行試驗中心所作的實驗,一架Learjet式雙引擎噴射機,在C5A運輸機後飛行,可使機腹朝天,不斷滾轉;飛行員無論如何均無法將飛機改成正常的位置。

一九六六年,一架F104戰斗機滾轉撞進了在前飛行的B70轟炸機的尾部,結果兩機均毀。事後研究,發現B70翼尖的渦流有引起此項不幸事件的嫌疑。顯然的,F104是捲進了強度超過此種兩倍音速戰鬥機的渦流堙C這些事實並無誇大其詞,對於飛機乘客而言,可以助其瞭解如何飛機起降的距離不可太近,以及為何各飛機均要按規定航線飛行。

渦流的循環

    飛機渦流的形成,涉及到不為一般人熟悉的空氣動力學上的理論,故在此有簡單說明的必要:

    首先要討論的是「環流」(Circulation),這是環繞一物體周圍的同心氣流。有環流圍繞的物體,如另有一氣流通過上方,就會產生垂直於此通過氣流的昇力。飛機的翼上有環流圍繞,當飛機前進時,有氣流加於環流之上,遂產生昇力;如昇力增加,必有相應的環流增加,假若飛機不能克服此種負荷,就會失去控制。若在低空發生,往往會造成悲劇。對於固定重量的飛機而言,環流強度隨當時的空氣密度及飛機速度而異。在慢速及低高度,而將襟翼放下的飛行期間,通常認為是產生渦流最大的時候。在巡航高度及巡航速度大時,飛機速度增加所減少的環流,多於空氣密度降低所增加的環流。

    飛行姿態與渦流的強弱,也有關係,飛機在轉彎及改變飛行姿態時(如爬高),也會引起渦流強度的變動。此外,如將翼展縮短,也會增加環流。

    空氣動力學的專家,已發展了一種渦流的模型,其形象是空氣經過機翼後緣,形成一片渦流面(Vortex Sheet),在機翼後面捲起來,如圖十一。機翼上下兩面的壓力差促成此種捲流,使翼尖氣流作一種旋轉運動。由機尾向前視,左翼尖的氣流呈順時針方向滾轉,右翼尖呈反方向旋轉,兩股力量相互作用,使尾後渦流面沉落在飛機之後下方。

    一九五○年,美國國家航空暨太空總署Ames 航空實驗所之SpreiterSacks兩人,協助德國首先進行此項研究,他們證實機翼的形狀對渦流生成的時間大有關係。以三角翼為例,渦流形成極快,平而長的機翼形成較緩。

    表一是美國航空氣象局所提供的資料,由表中可看出一架翼展三十二呎的飛機,如飛進波音747客機的尾後亂流區,則可能完全被其籠罩,而產生超越本身控制能力範圍之外的翻滾。

渦流消散的理論

    飛機在起飛時,將原先由機輪承受的重量交給兩翼,即是將產生了昇力隨之而起的環流,開始形成渦流,遂產生尾後亂流,直到落地後方才終止。

    一般在機翼形成的渦流,到了低高度約一千呎,其密度與四週的空氣密度相等時,即平穩下來,不再往下降,於是進入衰退過程。渦流衰退消散的力量,目前尚不得知。大氣本身的不安定性,也對渦流的消散,有很重要的貢獻。

    約在一千五百呎上空所產生的渦流,通常低落到距地面約五十至百呎的高度滯留著,其下沉速度端視飛機型別及當時大氣狀況而定。典型的大後掠翼機,其尾渦流下降率約每分鐘四百五十呎,當其接近地面時,以同樣速率散開,成與跑道成直角的方向,向兩邊散失。如地面有側風,將阻止一邊的渦流移動,而使另一邊的渦流移動速度增加,而推移到相平行的其他跑道上去。如圖十二所示。

    在無風狀態下,因破除尾後亂流的力量小且平靜,又予人以安全感,以致易於使人疏忽,而造成危險。

    在某次討論會中,曾研究過消散渦流的技術。其中的建議之一,是設想飛機在降落時,作海豚跳(porpoising),改變衝角而改變環流在渦流引發週期內的不穩定,但此法會使乘客感到不適,故被刪除。另一建議是,採用一種減輕負載的安全系統,名叫LAMS Load Alleviation andMode Stablization System),但只能適用於大型飛機。第三種建議是在機翼上,放置渦流鎮壓器,這技術目前正在研究中。另外有一項建議,是在跑道頭裝設吸引系統,以巨大的吸力來消除渦流,但不切實際而不為採納。

結論

    對於晴空亂流和尾後亂流,我們不禁要問,在目前,飛行員對它們到底能做些什麼?在晴空亂流(包括噴射氣流)方面,最好是:

一、儘可能避開亂流區域。

二、如必須進入此種區域,事先要對飛機預作準備,並請機上乘客及工作人員準備束緊座帶,並將物品繫牢。

三、使用有關飛行手冊所列的注意事項,進入亂流區。

四、保持機翼水平。

五、切勿只顧追求空速。惡劣的亂流會造成巨大而迅速的空速變化。

六、切勿只顧追求高速,在合理範圍內保持低速。

七、切勿改變馬力。

八、如使用自動駕駛,要提高警覺,隨時應變。

    至於尾後亂流的避免,目前唯一可行的方法是保持距離,尤其在巨型飛機後面,距離愈大愈安全。不過由於近年航空事業日進千里,若拉長各機彼此間進場距離,即造成機次減少的擁擠現象;如能迅速研究出消除尾後亂流的方法,才是真正解決了困擾已久的問題。

參考資料

1. 空軍學術月刊151期:葉光熙「亂流與飛行」。

2. Airlift19608月號。

3. Electronics196427日版。

4. The Military Airlift Command Flyer19672月號。

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6. Popular Science19714月號。

7. Air University Review19717月及8月號。