高振興，司海青，蔡中長，向志偉

（南京航空航天大學通用航空與飛行學院，南京 211106）

0 引言

風切變是指大氣層內(nèi)風向和風速快速、突然變化的現(xiàn)象，它是飛機起飛、著陸階段和近地面飛行時的主要危險天氣，嚴重影響民航飛機的飛行品質(zhì)、乘坐品質(zhì)和飛行安全［1］。按照物理成因，風切變可分為鋒面風切變（冷鋒、暖鋒）、地形誘導風切變（山岳波等）、對流風暴風切變（宏下?lián)舯┝?、微下?lián)舯┝鞯龋?］。其中，發(fā)生在機場附近的微下?lián)舯┝鲊乐赝{著飛機起降安全。

航空科學技術的進步，使得因設計缺陷或飛機系統(tǒng)故障導致的事故已大為減少。相反，由于惡劣天氣直接導致或間接誘發(fā)的事故比例正持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計，飛機起降時間約占總飛行時間的6%，卻有近52%的飛行事故發(fā)生在起降階段。其中，由于風切變造成機組情境意識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、風切變等誘發(fā)。因此，對飛行員加強風切變特情飛行的理論學習、操作訓練和安全教育，具有十分重要的意義。

國內(nèi)高校飛行技術專業(yè)理論學習階段，已有不少學者提出將飛行仿真技術應用到理論教學中，形成實驗教學環(huán)節(jié)。主要包括：①基于飛行模擬軟件的實驗教學。對FlightGear 軟件進行二次開發(fā)，建立民航飛機飛行仿真模型，實現(xiàn)三維可視化，針對性地開發(fā)飛行仿真實驗［4-5］?；赑repar3D 飛行原理實驗教學，實現(xiàn)基礎飛行操作、程序飛行、特殊環(huán)境飛行與飛行情境等教學功能［6-7］。②基于真實飛行訓練器的實驗教學。通過飛行訓練器模擬實際飛機，進行常規(guī)飛行科目和特情處置訓練［6］。通過課程開發(fā)，這兩種實驗教學手段都能夠較好地結合飛行技術專業(yè)理論教學，但對風切變特情飛行的實驗教學缺少針對性。隨著虛擬仿真技術的興起，已出現(xiàn)了面向民航飛機空管、機務類課程的虛擬仿真實驗教學平臺［8-9］。重點針對某項飛行特情開展實驗教學，突破在理論教學階段的“實驗難”的問題，是完全可能的。

針對風切變特情飛行的學習認知要求，擬開發(fā)一種風切變特情飛行虛擬仿真實驗教學平臺。研究建立風切變影響下的飛行動力學模型。以典型微下?lián)舯┝黠L切變?yōu)槔?，分析風切變特情飛行原理和改出操作方法。在此基礎上，開發(fā)一種基于瀏覽器-服務器（B-S）結構的交互式虛擬仿真實驗平臺，設計風切變影響機理分析、基礎飛行操作、改出風切變操作、考核評價等環(huán)節(jié)。向在校飛行學員提供一種認知風切變現(xiàn)象、分析風切變安全飛行原理和操作改出風切變的實驗教學平臺。

1 風切變特情飛行原理

1.1 含擾動風影響的飛行動力學建模

在常規(guī)布局飛行動力學模型基礎上，推導含擾動風影響的動力學模型。飛機實時動力學響應一般由速度、角速度、姿態(tài)角和位置共計12 個微分方程來描述［10］。其中，擾動風直接影響速度和位置方程。擾動風造成飛機真空速vT、迎角α、側滑角β 的瞬時變化，造成氣動力變化。因此，建立能夠直接反映擾動風影響的速度方程。在氣流坐標系下，無風影響的速度方程為：

式中：FT為發(fā)動機推力；L、D、C分別為氣動升力、阻力、側力；αT為發(fā)動機安裝角。引入轉移矩陣、分別描述地面系到機體系、機體系到氣流系的轉移矩陣。機體系下的空速分量［vx，vy，vz］T 與氣流系下空速VT的關系為

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

飛機地速vE、空速v和風速w三者形成速度三角形關系為

無風狀態(tài)下，vE=v。空間任意一點的風速矢量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。可將擾動風先轉至機體系，再轉至氣流系，即有：

將式（3）、（5）的展開式代入式（1），獲得含擾動風的氣流系下的速度方程：

與機體系下含擾動風的速度方程相比［11］，式（6）能夠直接反映擾動風對［v，α，β］T的影響。此外，地面系下的擾動風直接進入位置方程：

式中：θ為俯仰角；φ為滾轉角；ψ為偏航角。不同的風切變形式，其風速矢量隨空間和時間的變化規(guī)律不同。對于鋒面、山岳波等風切變，可建立余弦模型［12］；對于對流風暴風切變，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風矢量。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切變下的飛行動力學響應。

1.2 風切變特情飛行特點分析

風切變特情飛行中，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，實際升力系數(shù)越接近抖動升力系數(shù)，導致升力系數(shù)的裕度減小。一旦遇到垂直風切變，就可能出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。若空速過小，迎角增加過大，有可能超過正常迎角范圍，造成飛機抖動甚至失速；若空速過大，飛機載荷因數(shù)有可能超過最大可用載荷因數(shù)，誘發(fā)飛機結構疲勞甚至損壞。

飛行操作時，應盡可能減少機動，避免機動載荷因數(shù)。需要機動飛行時，應保持動作柔和，避免粗猛，轉彎坡度也應比正常坡度要小。在強度不大的風切變中飛行時，飛行員只需稍用力握盤、抵舵，使舵面不自由偏轉即可，增強飛機安定性。若飛行狀態(tài)偏差不大，不必急于修正，充分依靠飛機自身穩(wěn)定性保持平穩(wěn)飛行。當受到強烈風切變時，飛行狀態(tài)偏差大，飛機本身穩(wěn)定性不能使飛機完全恢復平衡狀態(tài)，飛行員則應適時、柔和地操作桿、舵進行修正，并實施改出風切變操作。遇縱向風切變時，實施縱向改出操作；遇側風切變時，可采用航向法或側滑法進行改出修正。

1.3 微下?lián)舯┝黠L切變改出飛行操作

微下?lián)舯┝黠L切變是一種微尺度天氣現(xiàn)象，在小范圍內(nèi)包含了順風、逆風、垂直風切變和側風切變，其外流范圍與機場跑道長度相當。一旦發(fā)生在機場周圍，將會嚴重威脅飛行安全。穿越微下?lián)舯┝黠w行時，需參照飛行狀態(tài)變化，在適當?shù)臅r機采用果斷的操作策略來改出風切變。在商用飛機模擬機上，一般采用微下?lián)舯┝黠L切變來考察飛行員對風切變的感知預判和處置決斷能力。在開發(fā)虛擬仿真實驗時，也選取了微下?lián)舯┝鬟@一典型的風切變場景。

1.3.1 縱向風切變改出

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

圖1 縱向風切變及改出示意圖

遇到逆風時，升力增加，飛機上仰，高度增大、法向過載增大。飛行員可能通過拉平進行補償。但飛機很快遇到下沉氣流，相對氣流速度雖然增大，但因相對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大于由相對速度增大引起的升力增加。遭遇強烈順風時，升力減小，飛機低頭，飛行高度降低，法向過載減小。飛行員若對這一過程缺少預判和正確處置，此時飛機將缺少足夠的空速和能量，飛機可能墜地。

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

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

1.3.2 側風切變改出

縱向改出，是假設飛機從風切變中心穿越，面臨逆風-下沉氣流-順風這一典型風切變過程而采用的改出策略，改出過程中并未考慮側風的影響。實際的風場可能極為復雜，飛機可能還遇到強烈側風切變。受到強烈側風時，容易產(chǎn)生嚴重側滑。如圖2 所示，此時選擇從風場的弱風一側采用航向法或側滑法實施轉彎改出，則是一種最優(yōu)的改出策略［16］。評價橫側改出時，在能量高度E和F因子評價指標的基礎上，還應增加飛機氣動安全包線（α-β包線）的指標。

圖2 側風切變及改出示意圖

2 風切變特情飛行仿真平臺設計

2.1 平臺總體架構

在建立了風切變特情飛行仿真模型，分析了風切變飛行原理和改出操作之后，采用瀏覽器-服務器（BS）結構，基于WebGL 技術和.Net 框架作為軟件平臺支撐，開發(fā)風切變特情飛行虛擬仿真平臺。學員直接通過瀏覽器遠程訪問服務器提供的學習資源和在線仿真功能，運用鼠標、鍵盤在服務器提供的虛擬駕駛艙內(nèi)外環(huán)境進行飛行仿真的交互操作。整個系統(tǒng)由Web客戶端、服務器、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡模塊組成，形成一個可在網(wǎng)絡上運行的虛擬仿真系統(tǒng)結構。

2.2 教學文檔及引導視頻設計

風切變特情飛行虛擬仿真設計遵循由特情飛行原理學習到風切變改出飛行操作、由簡單認知操作到復雜判斷處置的學習過程。在理論學習環(huán)節(jié)，設計了若干教學文檔和教學引導視頻，涵蓋風切變現(xiàn)象、基礎飛行操作、風切變飛行動力學分析、改出風切變的操作策略等，見表1。

表1 教學文檔和教學引導視頻

2.3 飛行仿真模塊

2.3.1 風切變影響機理分析

在掌握飛行原理的基礎上，通過基礎飛行操作，進行風切變影響機理的學習。風切變基礎飛行訓練模塊如圖3 所示。

圖3 風切變基礎飛行訓練界面

風切變特情訓練需要建立在熟練的飛行操作的基礎上。在“實驗項目”模塊，可選取俯仰、滾轉、偏航的3 軸操作實驗，以及油門、襟翼和起落架收放控制訓練，使飛行學員熟練鍵盤操作使用。在此基礎上，進行加減速平飛、爬升、下降訓練飛行。由于訓練飛機在風切變下著陸具有典型意義，將著陸階段的訓練分為下降、拉平、平飄接地和著陸滑跑4 個階段進行。在每個實驗項目中，飛行學員可參照“操作原理分析”和“操作指導”模塊，并結合“飛行狀態(tài)參數(shù)顯示”模塊，做出正確、適時的操作。

進入特情訓練階段后，可選擇側風切變（側滑法修正、航向法修正）、順風切變、逆風切變和垂直突風分別進行訓練。整個基礎飛行訓練項目如圖4 所示。

圖4 風切變基礎飛行訓練項目

2.3.2 改出風切變操作

在完成基礎飛行訓練的基礎上，進行改出風切變操作。如圖5 所示，首先設置場景，選擇白天或黑夜、起飛重量、重心位置、風切變強度和類型等。將風場中心設置在五邊飛行中的任意一邊，并偏于航道的一側或上方，進行靈活的風場強度和位置的設置，實現(xiàn)縱向或橫側風切變改出訓練。

圖5 風切變特情飛行仿真設置

設置完成后，進入特情飛行駕駛艙場景，如圖6 所示。飛行學員可以通過觀察駕駛艙儀表了解飛行狀態(tài)，特別是結合空速和飛行高度變化對風切變情況做進一步判斷和處置。根據(jù)在操作界面提供操作原理（操作指導）和操作檢查單（特情操作）提示，在右下角顯示當前飛機瞬時受力情況。

圖6 風切變特情飛行場景

2.4 客觀考核模塊

實現(xiàn)風切變特情飛行處置的自動客觀考核，幫助學員檢查在特情處置中存在的不足，并進行反復試錯式的學習訓練。考核分為按章操作、反應能力、飛行技術誤差、特情處置力、特情判斷力5 個部分，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上，學員可進一步查看個人在具體某項操作環(huán)節(jié)的得分情況，如圖8 所示。前面提到，能量高度E、F因子和氣動安全包線是改出操作安全性的重要評價，在考核模塊中也顯示了相關指標，向學員提供定量的技術參考，以及進一步的改進方向。

圖8 考核評價分析

2.5 教學效果分析

通過風切變特情飛行虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)，為學員上好特情飛行第1 課。幫助學員在理論學習階段系統(tǒng)掌握風切變飛行原理的同時，鍛煉飛行員必備的兩種品質(zhì)與能力：

（1）遵章守紀的品質(zhì)。民航飛行員在飛行過程中要嚴格執(zhí)行各類檢查單，包括正常檢查單和遇特情時的快速檢查單等。通過循序漸進、逐層分解的風切變特情飛行理論學習和訓練，使學員在校學習期間就能認識到遵守飛行規(guī)章、嚴格執(zhí)行檢查單的重要性，強化職務執(zhí)行力。

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

3 結語

本文介紹了風切變特情飛行虛擬仿真實驗平臺。提出風切變特情飛行虛擬仿真實驗的設想，系統(tǒng)建立特情飛行動力學模型，分析風切變改出飛行操作方法。在此基礎上，設計風切變特情飛行仿真實驗平臺，實現(xiàn)風切變影響機理的認知學習和改出風切變的處置判斷和訓練操作。給出學員操作水平的客觀評價。

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