次声波探测神秘“晴空湍流”和“尾涡”

2023年7月10日，国航CA1524航班在飞行途中遭遇了强烈的颠簸，导致一名旅客和一名乘务员受伤。据介绍，这次颠簸是由于飞机在空中遭遇了“晴空湍流”。 晴空湍流是一种可能威胁航空安全的大气现象。通常，机载雷达可以轻松探测到空气中含有水滴、冰晶或尘埃的情况下可能出现的湍流。但是晴空湍流却没有这些标志性物质，其出现不伴随明显的天气特征，难以被机载气象雷达发现，因此对飞行安全构成巨大威胁。

与晴空湍流类似的另一种大气现象是飞机翼尖产生的尾涡。这些尾涡通常持续时间较长，可能延续50千米以上，且在没有降水或尘埃的情况下，也难以被气象雷达发现。当一架飞机进入前机形成的尾涡区域时，会出现抖动、下沉以及发动机停车等状况。小型飞机在起飞或着陆、尾随大型飞机时，容易进入前机尾涡导致事故发生。 飞机尾涡总是出现在飞机的后方区域，其威胁可以通过空中交通管制来保持飞机之间安全飞行距离在一定程度上降低。相比之下，晴空湍流的行踪就显得捉摸不定，因此如何探测晴空湍流成为航空科研人员的重要课题之一。国外对晴空湍流的探测或预测方法进行了大量研究，包括气象数据分析、卫星图像分析以及多普勒雷达与激光雷达相结合等多种手段，但目前仍未达到实用阶段。 为了解决这一问题，NASA和加拿大国家研究委员会（NRC）的研究人员致力于利用次声波探测尾涡和晴空湍流的技术研究，这一技术有望取得突破。本文将介绍他们的研究历程和最新进展。

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早期研究

2001年，NASA兰利研究中心的卡玛尔·沙姆斯（Qamar Shams）和阿兰·扎克华（Allan Zuckerwar）受一篇关于大气次声波的论文启发，决定研究利用次声波探测晴空湍流和尾涡的方法。其基本原理是湍流中的涡管会在大气中传播人耳听不见的低频声波，如果飞机能够配备设备探测到这些次声波，则可能形成一种湍流预警系统。2004年前后，NASA批准了二人的项目，由扎克华担任首席研究员。

起初，他们利用现成的科学麦克风进行了一系列实验。为了确定晴空湍流的位置，需要确定次声波的来源方向，因此他们采用了三角测量法开展地面实验：在地面上安装了三个麦克风，形成一个三角形，相互之间距离30米；通过计算每个麦克风检测到次声波的时间间隔，就可以确定次声波的入射方向。经过连续两年的连续实验，他们取得了令人鼓舞的结果：每当该地区的飞行员向空中交通管制员报告遭遇晴空湍流时，这些麦克风都能探测到相同的湍流，范围可达约560千米。 由于商用的麦克风是针对检测可听频率而设计，虽然能够捕捉到次声波频率，但无法完全满足实验要求。因此，他们自己研制了新型麦克风，采用更大直径和更大腔室，并消除了现成设计中的气孔。这种新型麦克风灵敏度提高了近10倍。从兰利研究中心，他们探测到位于1050千米之外佛罗里达州的火箭发射产生的湍流。 凭借这种高灵敏度的麦克风，他们着手建立一个次声波特征库，即可以将晴空湍流和尾涡与其他声音区分开的响度和频率特征。为了建立该特征库，他们需要捕捉从当地机场进出的飞机尾涡的声音特征。2013年，沙姆斯获准在弗吉尼亚州纽波特纽斯-威廉斯堡国际机场跑道附近挖三个探测洞，以便在地下安装装有麦克风的盒子。另一组麦克风被安装在可移动的球形容器中，形成距跑道约150米远的地面阵列。利用这些设备，他们在接下来的约两年时间里收集了大量尾涡声音特征。因扎克华于2014年因癌症不幸去世，研究一度中断。

在机场跑道附近的次声波探测设备照片及安装位置示意图    

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近期进展

为了推动研究进展，沙姆斯于2019年联系了加拿大航空航天研究中心的研究飞行员安东尼·布朗（Anthony Brown），并与他展开了合作。布朗之前也进行过类似的研究，通过驾驶CT-133飞机跟随在客机后面，研究尾涡、凝结尾迹以及排放物。他们决定在CT-133飞机上安装次声波麦克风，以收集尾涡的声音特征。

为了尽可能地减少对CT-133研究飞机的修改，他们需要在飞机机头内安装麦克风，并将其连接到一个皮托管中引出的管道。麦克风输出的电压被传送到机载计算机，用于数据分析。考虑到麦克风对皮托管中的风噪声非常敏感，他们在麦克风上覆盖了一层薄的闭孔泡沫，以减少干扰。

麦克风在CT-133飞机上的安装位置及内部安装图

为了记录尾涡的次声波，布朗向渥太华机场空中交通管制员寻求帮助，获得了欧洲与多伦多以及欧洲与美国西海岸或中西部城市之间大型客机的航班信息。他驾驶CT-133飞机以符合安全要求的距离跟随选中的航班飞机，搜集和记录尾涡信息。他利用为CT-133设计的数据收集系统记录了涡旋内瞬时风速矢量。

结合麦克风收集的次声波特征，详细的湍流数据构建了一个更完整的图像，显示出在大型客机后方的湍流及其潜在的危险力量——这些力量足以将较小的飞机翻转，甚至使喷气式发动机熄火。

CT-133的飞行项目于2021年10月结束，在实验期间，他们从大约30架不同型号的客机中收集了尾涡的数据。在2023年的AIAA航空论坛上，布朗报告了相关研究成果。

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后续计划

下一步的研究工作将由对尾涡的探测转向晴空湍流，记录晴空湍流的次声波特征，以及测量湍流区域大小和空气流动的强度。由于晴空湍流难以通过天气预报手段预测，所以如何找到它成为研究的最大挑战。

布朗和他的同事计划采用“搭顺风车”的方式开展研究，借助另一个研究项目使用的德·哈维兰“双水獭”涡桨飞机获取数据，在其上安装一个次声波麦克风，以便在其飞行中遇到晴空湍流时记录次声波信息。

布朗预计收集晴空湍流数据将比收集尾涡数据花费更长的时间，因此，NASA和NRC的合作研究计划将持续到2027年。