次聲波探測(cè)神秘“晴空湍流”和“尾渦”

2023年7月10日，國(guó)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(cè)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(méi)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(duì)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(zhǎng)，可能延續(xù)50千米以上，且在沒(méi)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(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)、下沉以及發(fā)動(dòng)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(guò)空中交通管制來(lái)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(cè)晴空湍流成為航空科研人員的重要課題之一。國(guó)外對(duì)晴空湍流的探測(cè)或預(yù)測(cè)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(wèn)題，NASA和加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）的研究人員致力于利用次聲波探測(cè)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(cè)晴空湍流和尾渦的方法。其基本原理是湍流中的渦管會(huì)在大氣中傳播人耳聽(tīng)不見(jiàn)的低頻聲波，如果飛機(jī)能夠配備設(shè)備探測(cè)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(lái)源方向，因此他們采用了三角測(cè)量法開(kāi)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(guò)計(jì)算每個(gè)麥克風(fēng)檢測(cè)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(guò)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(cè)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(duì)檢測(cè)可聽(tīng)頻率而設(shè)計(jì)，雖然能夠捕捉到次聲波頻率，但無(wú)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(cè)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(kù)，即可以將晴空湍流和尾渦與其他聲音區(qū)分開(kāi)的響度和頻率特征。為了建立該特征庫(kù)，他們需要捕捉從當(dāng)?shù)貦C(jī)場(chǎng)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(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道附近挖三個(gè)探測(cè)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(dòng)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?cè)诮酉聛?lái)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(chǎng)跑道附近的次聲波探測(cè)設(shè)備照片及安裝位置示意圖

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近期進(jìn)展

為了推動(dòng)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(kāi)了合作。布朗之前也進(jìn)行過(guò)類似的研究，通過(guò)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(duì)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(duì)皮托管中的風(fēng)噪聲非常敏感，他們?cè)邴溈孙L(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(chǎng)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(guó)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(dòng)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(hào)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。

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后續(xù)計(jì)劃

下一步的研究工作將由對(duì)尾渦的探測(cè)轉(zhuǎn)向晴空湍流，記錄晴空湍流的次聲波特征，以及測(cè)量湍流區(qū)域大小和空氣流動(dòng)的強(qiáng)度。由于晴空湍流難以通過(guò)天氣預(yù)報(bào)手段預(yù)測(cè)，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(kāi)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(zhǎng)的時(shí)間，因此，NASA和NRC的合作研究計(jì)劃將持續(xù)到2027年。