2023年7月10日，國航CA1524航班在飛行途中遭遇了強(qiáng)烈的顛簸，導(dǎo)致一名旅客和一名乘務(wù)員受傷。據(jù)介紹，這次顛簸是由于飛機(jī)在空中遭遇了“晴空湍流”。 晴空湍流是一種可能威脅航空安全的大氣現(xiàn)象。通常，機(jī)載雷達(dá)可以輕松探測到空氣中含有水滴、冰晶或塵埃的情況下可能出現(xiàn)的湍流。但是晴空湍流卻沒有這些標(biāo)志性物質(zhì)，其出現(xiàn)不伴隨明顯的天氣特征，難以被機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，因此對飛行安全構(gòu)成巨大威脅。

與晴空湍流類似的另一種大氣現(xiàn)象是飛機(jī)翼尖產(chǎn)生的尾渦。這些尾渦通常持續(xù)時(shí)間較長，可能延續(xù)50千米以上，且在沒有降水或塵埃的情況下，也難以被氣象雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)一架飛機(jī)進(jìn)入前機(jī)形成的尾渦區(qū)域時(shí)，會出現(xiàn)抖動、下沉以及發(fā)動機(jī)停車等狀況。小型飛機(jī)在起飛或著陸、尾隨大型飛機(jī)時(shí)，容易進(jìn)入前機(jī)尾渦導(dǎo)致事故發(fā)生。 飛機(jī)尾渦總是出現(xiàn)在飛機(jī)的后方區(qū)域，其威脅可以通過空中交通管制來保持飛機(jī)之間安全飛行距離在一定程度上降低。相比之下，晴空湍流的行蹤就顯得捉摸不定，因此如何探測晴空湍流成為航空科研人員的重要課題之一。國外對晴空湍流的探測或預(yù)測方法進(jìn)行了大量研究，包括氣象數(shù)據(jù)分析、衛(wèi)星圖像分析以及多普勒雷達(dá)與激光雷達(dá)相結(jié)合等多種手段，但目前仍未達(dá)到實(shí)用階段。 為了解決這一問題，NASA和加拿大國家研究委員會（NRC）的研究人員致力于利用次聲波探測尾渦和晴空湍流的技術(shù)研究，這一技術(shù)有望取得突破。本文將介紹他們的研究歷程和最新進(jìn)展。

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早期研究

2001年，NASA蘭利研究中心的卡瑪爾·沙姆斯（Qamar Shams）和阿蘭·扎克華（Allan Zuckerwar）受一篇關(guān)于大氣次聲波的論文啟發(fā)，決定研究利用次聲波探測晴空湍流和尾渦的方法。其基本原理是湍流中的渦管會在大氣中傳播人耳聽不見的低頻聲波，如果飛機(jī)能夠配備設(shè)備探測到這些次聲波，則可能形成一種湍流預(yù)警系統(tǒng)。2004年前后，NASA批準(zhǔn)了二人的項(xiàng)目，由扎克華擔(dān)任首席研究員。

起初，他們利用現(xiàn)成的科學(xué)麥克風(fēng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。為了確定晴空湍流的位置，需要確定次聲波的來源方向，因此他們采用了三角測量法開展地面實(shí)驗(yàn)：在地面上安裝了三個(gè)麥克風(fēng)，形成一個(gè)三角形，相互之間距離30米；通過計(jì)算每個(gè)麥克風(fēng)檢測到次聲波的時(shí)間間隔，就可以確定次聲波的入射方向。經(jīng)過連續(xù)兩年的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，他們?nèi)〉昧肆钊斯奈璧慕Y(jié)果：每當(dāng)該地區(qū)的飛行員向空中交通管制員報(bào)告遭遇晴空湍流時(shí)，這些麥克風(fēng)都能探測到相同的湍流，范圍可達(dá)約560千米。 由于商用的麥克風(fēng)是針對檢測可聽頻率而設(shè)計(jì)，雖然能夠捕捉到次聲波頻率，但無法完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。因此，他們自己研制了新型麥克風(fēng)，采用更大直徑和更大腔室，并消除了現(xiàn)成設(shè)計(jì)中的氣孔。這種新型麥克風(fēng)靈敏度提高了近10倍。從蘭利研究中心，他們探測到位于1050千米之外佛羅里達(dá)州的火箭發(fā)射產(chǎn)生的湍流。 憑借這種高靈敏度的麥克風(fēng)，他們著手建立一個(gè)次聲波特征庫，即可以將晴空湍流和尾渦與其他聲音區(qū)分開的響度和頻率特征。為了建立該特征庫，他們需要捕捉從當(dāng)?shù)貦C(jī)場進(jìn)出的飛機(jī)尾渦的聲音特征。2013年，沙姆斯獲準(zhǔn)在弗吉尼亞州紐波特紐斯-威廉斯堡國際機(jī)場跑道附近挖三個(gè)探測洞，以便在地下安裝裝有麥克風(fēng)的盒子。另一組麥克風(fēng)被安裝在可移動的球形容器中，形成距跑道約150米遠(yuǎn)的地面陣列。利用這些設(shè)備，他們在接下來的約兩年時(shí)間里收集了大量尾渦聲音特征。因扎克華于2014年因癌癥不幸去世，研究一度中斷。

在機(jī)場跑道附近的次聲波探測設(shè)備照片及安裝位置示意圖

02

近期進(jìn)展

為了推動研究進(jìn)展，沙姆斯于2019年聯(lián)系了加拿大航空航天研究中心的研究飛行員安東尼·布朗（Anthony Brown），并與他展開了合作。布朗之前也進(jìn)行過類似的研究，通過駕駛CT-133飛機(jī)跟隨在客機(jī)后面，研究尾渦、凝結(jié)尾跡以及排放物。他們決定在CT-133飛機(jī)上安裝次聲波麥克風(fēng)，以收集尾渦的聲音特征。

為了盡可能地減少對CT-133研究飛機(jī)的修改，他們需要在飛機(jī)機(jī)頭內(nèi)安裝麥克風(fēng)，并將其連接到一個(gè)皮托管中引出的管道。麥克風(fēng)輸出的電壓被傳送到機(jī)載計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)分析?？紤]到麥克風(fēng)對皮托管中的風(fēng)噪聲非常敏感，他們在麥克風(fēng)上覆蓋了一層薄的閉孔泡沫，以減少干擾。

麥克風(fēng)在CT-133飛機(jī)上的安裝位置及內(nèi)部安裝圖

為了記錄尾渦的次聲波，布朗向渥太華機(jī)場空中交通管制員尋求幫助，獲得了歐洲與多倫多以及歐洲與美國西海岸或中西部城市之間大型客機(jī)的航班信息。他駕駛CT-133飛機(jī)以符合安全要求的距離跟隨選中的航班飛機(jī)，搜集和記錄尾渦信息。他利用為CT-133設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)記錄了渦旋內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速矢量。

結(jié)合麥克風(fēng)收集的次聲波特征，詳細(xì)的湍流數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)更完整的圖像，顯示出在大型客機(jī)后方的湍流及其潛在的危險(xiǎn)力量——這些力量足以將較小的飛機(jī)翻轉(zhuǎn)，甚至使噴氣式發(fā)動機(jī)熄火。

CT-133的飛行項(xiàng)目于2021年10月結(jié)束，在實(shí)驗(yàn)期間，他們從大約30架不同型號的客機(jī)中收集了尾渦的數(shù)據(jù)。在2023年的AIAA航空論壇上，布朗報(bào)告了相關(guān)研究成果。

03

后續(xù)計(jì)劃

下一步的研究工作將由對尾渦的探測轉(zhuǎn)向晴空湍流，記錄晴空湍流的次聲波特征，以及測量湍流區(qū)域大小和空氣流動的強(qiáng)度。由于晴空湍流難以通過天氣預(yù)報(bào)手段預(yù)測，所以如何找到它成為研究的最大挑戰(zhàn)。

布朗和他的同事計(jì)劃采用“搭順風(fēng)車”的方式開展研究，借助另一個(gè)研究項(xiàng)目使用的德·哈維蘭“雙水獺”渦槳飛機(jī)獲取數(shù)據(jù)，在其上安裝一個(gè)次聲波麥克風(fēng)，以便在其飛行中遇到晴空湍流時(shí)記錄次聲波信息。

布朗預(yù)計(jì)收集晴空湍流數(shù)據(jù)將比收集尾渦數(shù)據(jù)花費(fèi)更長的時(shí)間，因此，NASA和NRC的合作研究計(jì)劃將持續(xù)到2027年。