高振興，司海青，蔡中長(zhǎng)，向志偉

（南京航空航天大學(xué)通用航空與飛行學(xué)院，南京 211106）

0 引言

風(fēng)切變是指大氣層內(nèi)風(fēng)向和風(fēng)速快速、突然變化的現(xiàn)象，它是飛機(jī)起飛、著陸階段和近地面飛行時(shí)的主要危險(xiǎn)天氣，嚴(yán)重影響民航飛機(jī)的飛行品質(zhì)、乘坐品質(zhì)和飛行安全［1］。按照物理成因，風(fēng)切變可分為鋒面風(fēng)切變（冷鋒、暖鋒）、地形誘導(dǎo)風(fēng)切變（山岳波等）、對(duì)流風(fēng)暴風(fēng)切變（宏下?lián)舯┝鳌⑽⑾聯(lián)舯┝鞯龋?］。其中，發(fā)生在機(jī)場(chǎng)附近的微下?lián)舯┝鲊?yán)重威脅著飛機(jī)起降安全。

航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得因設(shè)計(jì)缺陷或飛機(jī)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的事故已大為減少。相反，由于惡劣天氣直接導(dǎo)致或間接誘發(fā)的事故比例正持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)起降時(shí)間約占總飛行時(shí)間的6%，卻有近52%的飛行事故發(fā)生在起降階段。其中，由于風(fēng)切變?cè)斐蓹C(jī)組情境意識(shí)缺失及判斷操作失誤的事故約占該階段事故的66%［3］。航空公司通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多發(fā)生在起降階段的事故征候和不安全事件，往往由惡劣天氣、風(fēng)切變等誘發(fā)。因此，對(duì)飛行員加強(qiáng)風(fēng)切變特情飛行的理論學(xué)習(xí)、操作訓(xùn)練和安全教育，具有十分重要的意義。

國內(nèi)高校飛行技術(shù)專業(yè)理論學(xué)習(xí)階段，已有不少學(xué)者提出將飛行仿真技術(shù)應(yīng)用到理論教學(xué)中，形成實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。主要包括：①基于飛行模擬軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)FlightGear 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立民航飛機(jī)飛行仿真模型，實(shí)現(xiàn)三維可視化，針對(duì)性地開發(fā)飛行仿真實(shí)驗(yàn)［4-5］。基于Prepar3D 飛行原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)飛行操作、程序飛行、特殊環(huán)境飛行與飛行情境等教學(xué)功能［6-7］。②基于真實(shí)飛行訓(xùn)練器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過飛行訓(xùn)練器模擬實(shí)際飛機(jī)，進(jìn)行常規(guī)飛行科目和特情處置訓(xùn)練［6］。通過課程開發(fā)，這兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段都能夠較好地結(jié)合飛行技術(shù)專業(yè)理論教學(xué)，但對(duì)風(fēng)切變特情飛行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺少針對(duì)性。隨著虛擬仿真技術(shù)的興起，已出現(xiàn)了面向民航飛機(jī)空管、機(jī)務(wù)類課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［8-9］。重點(diǎn)針對(duì)某項(xiàng)飛行特情開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突破在理論教學(xué)階段的“實(shí)驗(yàn)難”的問題，是完全可能的。

針對(duì)風(fēng)切變特情飛行的學(xué)習(xí)認(rèn)知要求，擬開發(fā)一種風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。研究建立風(fēng)切變影響下的飛行動(dòng)力學(xué)模型。以典型微下?lián)舯┝黠L(fēng)切變?yōu)槔?，分析風(fēng)切變特情飛行原理和改出操作方法。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)一種基于瀏覽器-服務(wù)器（B-S）結(jié)構(gòu)的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)風(fēng)切變影響機(jī)理分析、基礎(chǔ)飛行操作、改出風(fēng)切變操作、考核評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。向在校飛行學(xué)員提供一種認(rèn)知風(fēng)切變現(xiàn)象、分析風(fēng)切變安全飛行原理和操作改出風(fēng)切變的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 風(fēng)切變特情飛行原理

1.1 含擾動(dòng)風(fēng)影響的飛行動(dòng)力學(xué)建模

在常規(guī)布局飛行動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)含擾動(dòng)風(fēng)影響的動(dòng)力學(xué)模型。飛機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)一般由速度、角速度、姿態(tài)角和位置共計(jì)12 個(gè)微分方程來描述［10］。其中，擾動(dòng)風(fēng)直接影響速度和位置方程。擾動(dòng)風(fēng)造成飛機(jī)真空速vT、迎角α、側(cè)滑角β 的瞬時(shí)變化，造成氣動(dòng)力變化。因此，建立能夠直接反映擾動(dòng)風(fēng)影響的速度方程。在氣流坐標(biāo)系下，無風(fēng)影響的速度方程為：

式中：FT為發(fā)動(dòng)機(jī)推力；L、D、C分別為氣動(dòng)升力、阻力、側(cè)力；αT為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角。引入轉(zhuǎn)移矩陣、分別描述地面系到機(jī)體系、機(jī)體系到氣流系的轉(zhuǎn)移矩陣。機(jī)體系下的空速分量［vx，vy，vz］T 與氣流系下空速VT的關(guān)系為

氣流系下的機(jī)體角速度［pw，qw，rw］T可由機(jī)體下的三軸角速度分量［p，q，r］T轉(zhuǎn)換而來

飛機(jī)地速vE、空速v和風(fēng)速w三者形成速度三角形關(guān)系為

無風(fēng)狀態(tài)下，vE=v?？臻g任意一點(diǎn)的風(fēng)速矢量w是基于地面系給出的，可表示為［wx，wy，wz］T，它和重力加速度g都處于地面系中?？蓪_動(dòng)風(fēng)先轉(zhuǎn)至機(jī)體系，再轉(zhuǎn)至氣流系，即有：

將式（3）、（5）的展開式代入式（1），獲得含擾動(dòng)風(fēng)的氣流系下的速度方程：

與機(jī)體系下含擾動(dòng)風(fēng)的速度方程相比［11］，式（6）能夠直接反映擾動(dòng)風(fēng)對(duì)［v，α，β］T的影響。此外，地面系下的擾動(dòng)風(fēng)直接進(jìn)入位置方程：

式中：θ為俯仰角；φ為滾轉(zhuǎn)角；ψ為偏航角。不同的風(fēng)切變形式，其風(fēng)速矢量隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律不同。對(duì)于鋒面、山岳波等風(fēng)切變，可建立余弦模型［12］；對(duì)于對(duì)流風(fēng)暴風(fēng)切變，可建立諧波［13］、渦環(huán)［14］等工程化模型。在飛行仿真過程中，可根據(jù)航跡參數(shù)，通過插值算法獲得空間擾動(dòng)風(fēng)矢量。聯(lián)合式（1）、（7）以及角速度方程、姿態(tài)角方程來完整描述風(fēng)切變下的飛行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

1.2 風(fēng)切變特情飛行特點(diǎn)分析

風(fēng)切變特情飛行中，飛行高度-空速包線范圍有所減小。隨著高度增大，大氣密度減小，在空速不變的情況下馬赫數(shù)增加，實(shí)際升力系數(shù)越接近抖動(dòng)升力系數(shù)，導(dǎo)致升力系數(shù)的裕度減小。一旦遇到垂直風(fēng)切變，就可能出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。若空速過小，迎角增加過大，有可能超過正常迎角范圍，造成飛機(jī)抖動(dòng)甚至失速；若空速過大，飛機(jī)載荷因數(shù)有可能超過最大可用載荷因數(shù)，誘發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞甚至損壞。

飛行操作時(shí)，應(yīng)盡可能減少機(jī)動(dòng)，避免機(jī)動(dòng)載荷因數(shù)。需要機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，應(yīng)保持動(dòng)作柔和，避免粗猛，轉(zhuǎn)彎坡度也應(yīng)比正常坡度要小。在強(qiáng)度不大的風(fēng)切變中飛行時(shí)，飛行員只需稍用力握盤、抵舵，使舵面不自由偏轉(zhuǎn)即可，增強(qiáng)飛機(jī)安定性。若飛行狀態(tài)偏差不大，不必急于修正，充分依靠飛機(jī)自身穩(wěn)定性保持平穩(wěn)飛行。當(dāng)受到強(qiáng)烈風(fēng)切變時(shí)，飛行狀態(tài)偏差大，飛機(jī)本身穩(wěn)定性不能使飛機(jī)完全恢復(fù)平衡狀態(tài)，飛行員則應(yīng)適時(shí)、柔和地操作桿、舵進(jìn)行修正，并實(shí)施改出風(fēng)切變操作。遇縱向風(fēng)切變時(shí)，實(shí)施縱向改出操作；遇側(cè)風(fēng)切變時(shí)，可采用航向法或側(cè)滑法進(jìn)行改出修正。

1.3 微下?lián)舯┝黠L(fēng)切變改出飛行操作

微下?lián)舯┝黠L(fēng)切變是一種微尺度天氣現(xiàn)象，在小范圍內(nèi)包含了順風(fēng)、逆風(fēng)、垂直風(fēng)切變和側(cè)風(fēng)切變，其外流范圍與機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)度相當(dāng)。一旦發(fā)生在機(jī)場(chǎng)周圍，將會(huì)嚴(yán)重威脅飛行安全。穿越微下?lián)舯┝黠w行時(shí)，需參照飛行狀態(tài)變化，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)采用果斷的操作策略來改出風(fēng)切變。在商用飛機(jī)模擬機(jī)上，一般采用微下?lián)舯┝黠L(fēng)切變來考察飛行員對(duì)風(fēng)切變的感知預(yù)判和處置決斷能力。在開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，也選取了微下?lián)舯┝鬟@一典型的風(fēng)切變場(chǎng)景。

1.3.1 縱向風(fēng)切變改出

縱向風(fēng)切變包含順風(fēng)、逆風(fēng)和垂直風(fēng)切變。以穿越微下?lián)舯┝鬟M(jìn)近著陸為例，飛機(jī)將遭遇連續(xù)的逆風(fēng)-下沉氣流-順風(fēng)的飛行過程，如圖1 所示。

圖1 縱向風(fēng)切變及改出示意圖

遇到逆風(fēng)時(shí)，升力增加，飛機(jī)上仰，高度增大、法向過載增大。飛行員可能通過拉平進(jìn)行補(bǔ)償。但飛機(jī)很快遇到下沉氣流，相對(duì)氣流速度雖然增大，但因相對(duì)氣流速度方向的改變使迎角減小，由迎角減小所引起的升力減小遠(yuǎn)大于由相對(duì)速度增大引起的升力增加。遭遇強(qiáng)烈順風(fēng)時(shí)，升力減小，飛機(jī)低頭，飛行高度降低，法向過載減小。飛行員若對(duì)這一過程缺少預(yù)判和正確處置，此時(shí)飛機(jī)將缺少足夠的空速和能量，飛機(jī)可能墜地。

飛機(jī)遭遇風(fēng)切變時(shí)，最佳的處置方式仍然是規(guī)避。一旦無法避免穿越風(fēng)切變飛行時(shí)，F(xiàn)AA曾推薦了3 種風(fēng)切變改出策略，俯仰引導(dǎo)（Pitch-Guidance）、高度引導(dǎo)（Altitude-Guidance）和俯沖引導(dǎo)（Dive-Guidance）［15］。以飛機(jī)的能量高度E和F因子作為改出風(fēng)切變的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中，γ為航跡傾角。這3 種改出策略都要求飛機(jī)保持最大推力，橫側(cè)盡可能保持平衡，迎角限制在安全范圍內(nèi)。以Pitch-Guidance 改出方式為例，要求在遭遇風(fēng)切變時(shí)，先引導(dǎo)飛機(jī)飛到指定高度并保持，接著以θ=15°從當(dāng)前高度爬升飛離風(fēng)切變區(qū)域。該策略是FAA 推薦的風(fēng)切變改出的優(yōu)先策略，已寫入飛行手冊(cè)。

1.3.2 側(cè)風(fēng)切變改出

縱向改出，是假設(shè)飛機(jī)從風(fēng)切變中心穿越，面臨逆風(fēng)-下沉氣流-順風(fēng)這一典型風(fēng)切變過程而采用的改出策略，改出過程中并未考慮側(cè)風(fēng)的影響。實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)可能極為復(fù)雜，飛機(jī)可能還遇到強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)切變。受到強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)時(shí)，容易產(chǎn)生嚴(yán)重側(cè)滑。如圖2 所示，此時(shí)選擇從風(fēng)場(chǎng)的弱風(fēng)一側(cè)采用航向法或側(cè)滑法實(shí)施轉(zhuǎn)彎改出，則是一種最優(yōu)的改出策略［16］。評(píng)價(jià)橫側(cè)改出時(shí)，在能量高度E和F因子評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)增加飛機(jī)氣動(dòng)安全包線（α-β包線）的指標(biāo)。

圖2 側(cè)風(fēng)切變及改出示意圖

2 風(fēng)切變特情飛行仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

在建立了風(fēng)切變特情飛行仿真模型，分析了風(fēng)切變飛行原理和改出操作之后，采用瀏覽器-服務(wù)器（BS）結(jié)構(gòu)，基于WebGL 技術(shù)和.Net 框架作為軟件平臺(tái)支撐，開發(fā)風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真平臺(tái)。學(xué)員直接通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器提供的學(xué)習(xí)資源和在線仿真功能，運(yùn)用鼠標(biāo)、鍵盤在服務(wù)器提供的虛擬駕駛艙內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行飛行仿真的交互操作。整個(gè)系統(tǒng)由Web客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)模塊組成，形成一個(gè)可在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 教學(xué)文檔及引導(dǎo)視頻設(shè)計(jì)

風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真設(shè)計(jì)遵循由特情飛行原理學(xué)習(xí)到風(fēng)切變改出飛行操作、由簡(jiǎn)單認(rèn)知操作到復(fù)雜判斷處置的學(xué)習(xí)過程。在理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了若干教學(xué)文檔和教學(xué)引導(dǎo)視頻，涵蓋風(fēng)切變現(xiàn)象、基礎(chǔ)飛行操作、風(fēng)切變飛行動(dòng)力學(xué)分析、改出風(fēng)切變的操作策略等，見表1。

表1 教學(xué)文檔和教學(xué)引導(dǎo)視頻

2.3 飛行仿真模塊

2.3.1 風(fēng)切變影響機(jī)理分析

在掌握飛行原理的基礎(chǔ)上，通過基礎(chǔ)飛行操作，進(jìn)行風(fēng)切變影響機(jī)理的學(xué)習(xí)。風(fēng)切變基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練模塊如圖3 所示。

圖3 風(fēng)切變基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練界面

風(fēng)切變特情訓(xùn)練需要建立在熟練的飛行操作的基礎(chǔ)上。在“實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”模塊，可選取俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航的3 軸操作實(shí)驗(yàn)，以及油門、襟翼和起落架收放控制訓(xùn)練，使飛行學(xué)員熟練鍵盤操作使用。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行加減速平飛、爬升、下降訓(xùn)練飛行。由于訓(xùn)練飛機(jī)在風(fēng)切變下著陸具有典型意義，將著陸階段的訓(xùn)練分為下降、拉平、平飄接地和著陸滑跑4 個(gè)階段進(jìn)行。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，飛行學(xué)員可參照“操作原理分析”和“操作指導(dǎo)”模塊，并結(jié)合“飛行狀態(tài)參數(shù)顯示”模塊，做出正確、適時(shí)的操作。

進(jìn)入特情訓(xùn)練階段后，可選擇側(cè)風(fēng)切變（側(cè)滑法修正、航向法修正）、順風(fēng)切變、逆風(fēng)切變和垂直突風(fēng)分別進(jìn)行訓(xùn)練。整個(gè)基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練項(xiàng)目如圖4 所示。

圖4 風(fēng)切變基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練項(xiàng)目

2.3.2 改出風(fēng)切變操作

在完成基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改出風(fēng)切變操作。如圖5 所示，首先設(shè)置場(chǎng)景，選擇白天或黑夜、起飛重量、重心位置、風(fēng)切變強(qiáng)度和類型等。將風(fēng)場(chǎng)中心設(shè)置在五邊飛行中的任意一邊，并偏于航道的一側(cè)或上方，進(jìn)行靈活的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度和位置的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)縱向或橫側(cè)風(fēng)切變改出訓(xùn)練。

圖5 風(fēng)切變特情飛行仿真設(shè)置

設(shè)置完成后，進(jìn)入特情飛行駕駛艙場(chǎng)景，如圖6 所示。飛行學(xué)員可以通過觀察駕駛艙儀表了解飛行狀態(tài)，特別是結(jié)合空速和飛行高度變化對(duì)風(fēng)切變情況做進(jìn)一步判斷和處置。根據(jù)在操作界面提供操作原理（操作指導(dǎo)）和操作檢查單（特情操作）提示，在右下角顯示當(dāng)前飛機(jī)瞬時(shí)受力情況。

圖6 風(fēng)切變特情飛行場(chǎng)景

2.4 客觀考核模塊

實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變特情飛行處置的自動(dòng)客觀考核，幫助學(xué)員檢查在特情處置中存在的不足，并進(jìn)行反復(fù)試錯(cuò)式的學(xué)習(xí)訓(xùn)練?？己朔譃榘凑虏僮?、反應(yīng)能力、飛行技術(shù)誤差、特情處置力、特情判斷力5 個(gè)部分，給出客觀打分，如圖7 所示。

圖7 特情處置的客觀考核

在客觀考核得分的基礎(chǔ)上，學(xué)員可進(jìn)一步查看個(gè)人在具體某項(xiàng)操作環(huán)節(jié)的得分情況，如圖8 所示。前面提到，能量高度E、F因子和氣動(dòng)安全包線是改出操作安全性的重要評(píng)價(jià)，在考核模塊中也顯示了相關(guān)指標(biāo)，向?qū)W員提供定量的技術(shù)參考，以及進(jìn)一步的改進(jìn)方向。

圖8 考核評(píng)價(jià)分析

2.5 教學(xué)效果分析

通過風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，為學(xué)員上好特情飛行第1 課。幫助學(xué)員在理論學(xué)習(xí)階段系統(tǒng)掌握風(fēng)切變飛行原理的同時(shí)，鍛煉飛行員必備的兩種品質(zhì)與能力：

（1）遵章守紀(jì)的品質(zhì)。民航飛行員在飛行過程中要嚴(yán)格執(zhí)行各類檢查單，包括正常檢查單和遇特情時(shí)的快速檢查單等。通過循序漸進(jìn)、逐層分解的風(fēng)切變特情飛行理論學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)員在校學(xué)習(xí)期間就能認(rèn)識(shí)到遵守飛行規(guī)章、嚴(yán)格執(zhí)行檢查單的重要性，強(qiáng)化職務(wù)執(zhí)行力。

（2）特情處置的能力。特情飛行時(shí)的處置決斷能力是飛行員技術(shù)水準(zhǔn)的綜合體現(xiàn)。通過風(fēng)切變特情飛行訓(xùn)練，理解掌握遇風(fēng)切變后的飛行狀態(tài)變化，并作出正確果斷的飛行處置。幫助學(xué)員在理論學(xué)習(xí)階段掌握特情飛行原理、樹立特情飛行意識(shí)、培養(yǎng)特情處置能力。

3 結(jié)語

本文介紹了風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。提出風(fēng)切變特情飛行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)想，系統(tǒng)建立特情飛行動(dòng)力學(xué)模型，分析風(fēng)切變改出飛行操作方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)風(fēng)切變特情飛行仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變影響機(jī)理的認(rèn)知學(xué)習(xí)和改出風(fēng)切變的處置判斷和訓(xùn)練操作。給出學(xué)員操作水平的客觀評(píng)價(jià)。

本文的研究為國內(nèi)院校開展風(fēng)切變特情飛行提供了線上虛擬仿真教學(xué)的手段，幫助處于理論學(xué)習(xí)階段的學(xué)員樹立遵章守紀(jì)意識(shí)，培養(yǎng)特情處置能力。經(jīng)過兩屆學(xué)員的特情飛行虛擬仿真訓(xùn)練，取得了良好的效果。隨著教師教學(xué)科研工作的積累，將不斷完善該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為飛行學(xué)員提供更好的特情飛行理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的手段。