基于飛行仿真軟件的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

張建輝， 司海青， 汪海波， 李 杰， 高振興， 蔡中長(zhǎng)

（1.南京航空航天大學(xué)黨政辦，南京210016；2.南京航空航天大學(xué)飛行學(xué)院，南京211106）

0 引 言

2018 年9 月20 日，習(xí)近平總書記會(huì)見了四川航空“中國(guó)民航英雄機(jī)組”全體成員時(shí)指出，安全是民航業(yè)的生命線，始終把安全作為頭等大事來抓，確保民航安全運(yùn)行平穩(wěn)可控。隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量的急劇增加，飛機(jī)性能不斷優(yōu)化，氣象因素對(duì)民用航空安全的影響依然存在［1］。

1 航空氣象課程的內(nèi)容

國(guó)際民航組織數(shù)據(jù)顯示，氣象原因造成的飛行事故占民航總事故的10% ～15%，與天氣直接或間接相關(guān)的民航飛行事故所占比例高達(dá)1／3［3-4］。根據(jù)中國(guó)民航局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由不利氣象原因造成的重大飛行事故約占飛行事故總數(shù)的31%［5-6］。

氣象對(duì)航空的影響正在從氣象決定能否飛行變?yōu)樵趶?fù)雜氣象條件安全飛行，這對(duì)航空氣象的保障能力提出了更高的要求。作為民航系統(tǒng)內(nèi)直接與飛行打交道的人員，必須具備相應(yīng)的航空氣象知識(shí)，才能充分利用有利天氣，避開不利狀況，預(yù)防危險(xiǎn)，保障飛機(jī)的運(yùn)行安全。航空氣象是民航眾多專業(yè)課程中理論與實(shí)踐并重的一門代表性課程，是民航局教學(xué)大綱中飛行技術(shù)專業(yè)的主干課程之一，也是私-商-儀執(zhí)照考試必考內(nèi)容。圖1 所示為航空氣象課程框架結(jié)構(gòu)。

圖1 航空氣象課程框架

培養(yǎng)有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力兼?zhèn)涞母呒?jí)專業(yè)人才是高等教育的任務(wù)之一［7］，民航業(yè)是高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高回報(bào)的行業(yè)，鑒于民航人才市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，必須加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。由圖1 可見，航空氣象在飛行技術(shù)、航空情報(bào)、空中交通管制以及簽派等工作中的扮演著重要角色，也是飛行相關(guān)的教學(xué)培養(yǎng)方案中的專業(yè)必修課，但目前航空氣象教學(xué)方面仍存在諸多問題。其中，實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱的問題尤為突出，缺少與教學(xué)內(nèi)容相匹配的實(shí)驗(yàn)課程，且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)和內(nèi)容較少，不夠系統(tǒng)，不能滿足培養(yǎng)高素質(zhì)民航人才的需要［8］。

2 飛行仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

為適應(yīng)國(guó)家對(duì)高素質(zhì)勞動(dòng)者和技能型人才的迫切需要，教育部陸續(xù)頒發(fā)了相關(guān)文件，指出要增加現(xiàn)代信息等技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用［9］。飛行仿真軟件Prepar3D是一個(gè)可視化仿真平臺(tái)，其主要致力于為商業(yè)組織和軍方提供專業(yè)訓(xùn)練和評(píng)估［10-12］，可用于仿真飛行訓(xùn)練中的機(jī)場(chǎng)、跑道、飛機(jī)、天空、地形等場(chǎng)景，幫助實(shí)現(xiàn)飛行訓(xùn)練，完成各種飛行任務(wù)［13-14］?；赑repar3D搭建的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有仿真度高、沉浸感強(qiáng)等特點(diǎn)，如圖2 所示，飛行學(xué)員可以在基于Prepar3D搭建的虛擬世界中任何地點(diǎn)飛行，并可以面對(duì)各類天氣（例如，雨、雪、霧、大風(fēng)等）對(duì)飛機(jī)性能及安全的影響，從而采取應(yīng)對(duì)不良天氣的措施，達(dá)到學(xué)習(xí)并訓(xùn)練的目的。基于Prepar3D 搭建的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變了傳統(tǒng)航空氣象教學(xué)在實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱的現(xiàn)狀，滿足了培養(yǎng)高素質(zhì)民航人才的需要。

圖2 飛行教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)場(chǎng)景

3 飛行仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用

《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》中指出專業(yè)人才的數(shù)量與質(zhì)量是制約民航業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要原因，應(yīng)加大飛行、機(jī)務(wù)、空管等專業(yè)人才的培養(yǎng)力度［15］。在這種情況下，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革，培養(yǎng)高水平的民航人才迫在眉睫?；赑repar3D可視化仿真平臺(tái)，結(jié)合高性能飛行訓(xùn)練器搭建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變了目前航空氣象教學(xué)方法單一、缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題，能有效提高學(xué)生在航空氣象方面的專業(yè)技術(shù)水平。學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)了解航空中的基本氣象要素，掌握航空氣象對(duì)飛機(jī)性能和飛行安全的影響特征，以及掌握應(yīng)對(duì)飛行中不良天氣的方法，加強(qiáng)了學(xué)生理論到實(shí)踐的能力，為提高實(shí)際工作能力打下良好的基礎(chǔ)。例如，通過基于Prepar3D 的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“實(shí)驗(yàn)1”中“風(fēng)”模塊，學(xué)生可以設(shè)置風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行模擬飛行實(shí)驗(yàn)（見圖3），體驗(yàn)不同風(fēng)對(duì)飛行的影響，順風(fēng)風(fēng)速為8 n mile／h 時(shí)和逆風(fēng)風(fēng)速為8 n mile／h時(shí)的飛行分析如圖4 所示，正常起飛航線和順風(fēng)起飛航線、逆風(fēng)起飛航線的對(duì)比示意圖如圖5 所示。

圖3 設(shè)置風(fēng)向和風(fēng)速界面

圖4 不同風(fēng)向時(shí)的飛行分析圖

4 飛行仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3 大模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

結(jié)合航空氣象教材，基于Prepar3D 的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由3 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，主要包括實(shí)驗(yàn)1 基礎(chǔ)航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)2 飛行氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)3 飛行氣象報(bào)文教學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中，每個(gè)模塊又包含若干實(shí)驗(yàn)過程，如圖6 所示。

針對(duì)上述教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下在航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行科目的選擇，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中各模塊對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7 所示。

圖5 正常起飛與不同風(fēng)向起飛航線對(duì)比示意圖

圖6 基于Prepar3D的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

圖7 基于Prepar3D的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3個(gè)模塊各自的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 基礎(chǔ)航空氣象課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)1）

為配合航空氣象教學(xué)過程中基礎(chǔ)航空氣象的教學(xué)，基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容，主要涉及大氣和溫度、氣壓、風(fēng)、云和降水等基本氣象要素，學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)K了解大氣成分、大氣結(jié)構(gòu)、氣溫、氣壓、風(fēng)和降水等基本元素的特點(diǎn)、變化規(guī)律及其變化對(duì)飛機(jī)性能、機(jī)載儀表變化的影響，掌握基本氣象元素對(duì)飛行安全的影響。例如：當(dāng)飛機(jī)起飛或降落時(shí)，風(fēng)速越大，近地面風(fēng)陣性越強(qiáng)，飛機(jī)受到無規(guī)律的影響越大，難以操縱；飛機(jī)順風(fēng)時(shí)，會(huì)增大地速、縮短飛行時(shí)間、減少燃油消耗；飛機(jī)側(cè)風(fēng)時(shí)，產(chǎn)生偏流，需要采取適當(dāng)措施修正以保持航向正確。該課程主要任務(wù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及目標(biāo)如表1 所示。

表1 基礎(chǔ)航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)

大氣和溫度實(shí)驗(yàn)中，在飛行模擬器上設(shè)定相同的飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、跑道、動(dòng)力輸出、風(fēng)向、風(fēng)速等起飛條件，實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)條件為CESSNA172SP 機(jī)型，南京祿口機(jī)場(chǎng)（ZSNJ）24 號(hào)跑道，逆風(fēng)，風(fēng)速8 n mile／h，外界大氣溫度－20 ℃，目視條件良好。通過設(shè)置不同大氣溫度（－20，－10，0，10，20 ℃）進(jìn)行起飛過程模擬，起飛過程中觀察儀表數(shù)據(jù)的變化情況并記錄，模擬飛行結(jié)束后對(duì)飛行過程進(jìn)行分析，根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)對(duì)照大氣溫度對(duì)飛機(jī)滑跑距離影響的理論進(jìn)行對(duì)應(yīng)比較，分析得出大氣溫度對(duì)飛機(jī)起飛滑跑距離產(chǎn)生的影響并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

風(fēng)實(shí)驗(yàn)中，在飛行模擬器上設(shè)定相同的飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、跑道、動(dòng)力輸出、大氣溫度等起飛條件，通過設(shè)置不同風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行起飛過程模擬，起飛過程中觀察儀表數(shù)據(jù)的變化情況并記錄，模擬結(jié)束后進(jìn)行飛行分析，得出風(fēng)對(duì)飛機(jī)起飛滑跑距離產(chǎn)生的影響并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

降水天氣設(shè)置界面如圖8 所示，在飛行模擬器上設(shè)定相同的飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、跑道、動(dòng)力輸出、大氣溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等起飛條件，通過設(shè)置不同降水強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行起飛過程模擬，記錄起飛滑跑距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，比較起飛爬升梯度差異，分析得出降水天氣活動(dòng)可能對(duì)能見度、飛機(jī)積冰、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等造成的影響并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖8 降水天氣設(shè)置界面

4.2 飛行氣象課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)2）

飛行氣象主要包括氣團(tuán)、鋒、顛簸、積冰、雷暴以及能見度等天氣現(xiàn)象，這些氣象狀況對(duì)飛機(jī)的安全有著重要影響。鋒通常帶來陰雨、大風(fēng)、風(fēng)沙、雷暴等不利于飛行安全的惡劣天氣；飛機(jī)在飛行中遇到擾動(dòng)氣流，會(huì)產(chǎn)生顛簸，顛簸可能會(huì)使乘客感到不適、飛機(jī)暫時(shí)失控等；積冰會(huì)使飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能變差，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性；當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入雷暴活動(dòng)區(qū)域，輕則造成人機(jī)損傷，重則機(jī)毀人亡；能見度是決定能否飛行、飛機(jī)氣象條件簡(jiǎn)單或復(fù)雜的重要依據(jù)之一。該模塊課程主要任務(wù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及目標(biāo)如表2 所示。

表2 天氣現(xiàn)象課程實(shí)驗(yàn)過程

氣團(tuán)和鋒課程實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過觀看設(shè)計(jì)的虛擬視頻了解氣團(tuán)和鋒的相關(guān)知識(shí)，例如：氣團(tuán)、鋒、氣旋、反氣旋、槽線以及切變線等，積雨云和高層云的形成過程如圖9 所示。

圖9 積雨云和高層云的形成過程

低空風(fēng)切變是導(dǎo)致顛簸的主要原因之一，在顛簸課程實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)置不同類型的低空風(fēng)切變產(chǎn)生顛簸。在飛行模擬器上設(shè)定統(tǒng)一的飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)、跑道、動(dòng)力輸出、風(fēng)向、風(fēng)速等起飛條件，分別設(shè)置低空順風(fēng)切變、低空逆風(fēng)切變和低空側(cè)風(fēng)切變，設(shè)置界面如圖10所示，對(duì)飛機(jī)著陸過程模擬，飛行學(xué)員操控飛機(jī)過程中觀察儀表數(shù)據(jù)的變化情況并記錄，模擬結(jié)束后進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)得出低空風(fēng)切變對(duì)著陸過程中空速、升力等因素的影響。

圖10 低空逆風(fēng)切變氣象條件設(shè)置

積冰天氣課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)置界面如圖11 所示，在飛行模擬器上設(shè)定相同的飛機(jī)、動(dòng)力輸出、結(jié)構(gòu)等起飛條件，時(shí)間和季節(jié)不變，通過設(shè)置積冰氣象條件進(jìn)行飛行模擬，積冰強(qiáng)度分為弱、中、強(qiáng)、極強(qiáng)4 個(gè)等級(jí)，飛機(jī)成功起飛并達(dá)到一定高度后，感受飛行的能見度狀況，切換視角觀察飛機(jī)顛簸程度以及高度表、空速表等儀表的數(shù)據(jù)變化并作相應(yīng)記錄；若空速表變化異常，或者發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況，此時(shí)打開空速管加熱器，稍后再觀察空速表指數(shù)的變化并作相應(yīng)記錄。模擬飛行全部結(jié)束后對(duì)飛行過程進(jìn)行分析，根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)對(duì)照課本理論中積冰對(duì)于飛行的影響方式和影響程度進(jìn)行總結(jié)，分析得出積冰可能對(duì)飛機(jī)飛行能見度造成的影響。

圖11 積冰氣象條件設(shè)置界面

雷暴天氣課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)置界面如圖12 所示，設(shè)置當(dāng)前氣象條件為雷暴，全部設(shè)置完成后開始模擬飛行，在飛機(jī)成功起飛并達(dá)到一定高度后，感受飛行的能見度狀況，切換視角觀察飛機(jī)顛簸程度以及高度表、空速表的數(shù)據(jù)變化并作相應(yīng)記錄，分析雷暴對(duì)飛機(jī)飛行造成的影響。

圖12 雷暴天氣設(shè)置界面

能見度與飛行活動(dòng)有密切聯(lián)系，如果能見度差，目視有困難，起飛和降落就會(huì)有危險(xiǎn)，常見的影響能見度的天氣現(xiàn)象主要有霧、低云、霾、沙塵暴和降雨等。在能見度課程實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置當(dāng)前氣象條件為霧、降水等，全部設(shè)置完成后開始模擬飛行，在飛機(jī)成功起飛并達(dá)到一定高度后，切換視角觀察飛機(jī)能見度狀況并記錄空速表等儀表的數(shù)據(jù)變化，分析能見度對(duì)飛機(jī)飛行造成的影響。

4.3 飛行氣象報(bào)文課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)3）

作為飛行員，除了了解航空氣象基本理論，在飛行前需要熟悉最新的氣象資料，如地面圖、高空?qǐng)D、天氣描述圖、雷達(dá)綜述圖、天氣預(yù)報(bào)等。這就需要能看懂各種天氣圖表，能夠翻譯各種天氣報(bào)告和預(yù)報(bào)電報(bào)，了解氣象部門提供航空氣象服務(wù)的程序和方式。實(shí)驗(yàn)3 飛行氣象報(bào)文課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分，如表3 所示。①天氣圖的識(shí)讀。能夠熟練識(shí)讀地面圖、高空?qǐng)D、天氣描述圖、雷達(dá)綜述圖、天氣預(yù)報(bào)；②天氣報(bào)文的識(shí)讀。能夠熟練識(shí)讀航空例行天氣報(bào)告（METAR）格式、機(jī)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)（TAF）報(bào)告格式，如圖13 所示。

表3 航空氣象資料課程實(shí)驗(yàn)過程

圖13 天氣報(bào)告

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

基于Prepar3D搭建的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已在我校飛行學(xué)院飛行技術(shù)系飛行學(xué)員的實(shí)踐教學(xué)中得到應(yīng)用，學(xué)生反映效果較好，并納入飛行技術(shù)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)可以培養(yǎng)飛行學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)能力、實(shí)際操作能力，這使飛行學(xué)院實(shí)踐教學(xué)和飛行人才培養(yǎng)質(zhì)量方面得到一定程度的提高。

（1）飛行教學(xué)實(shí)踐方面?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生對(duì)航空氣象的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，學(xué)生對(duì)重大天氣對(duì)飛行的影響有了更深刻的認(rèn)識(shí)，掌握了應(yīng)對(duì)不良航空天氣的方法，也為進(jìn)一步研究飛機(jī)顛簸、飛機(jī)積冰等危險(xiǎn)情況的預(yù)報(bào)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該平臺(tái)豐富了教學(xué)手段，充實(shí)了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量和效果，加強(qiáng)了飛行專業(yè)特色教學(xué)體系。

（2）學(xué)校與航空公司等企業(yè)合作方面。我校與多家航空公司簽署合作協(xié)議，建立校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，飛行學(xué)員的航空氣象理論知識(shí)更扎實(shí)，應(yīng)對(duì)不利飛行天氣的能力得到提高，在復(fù)雜氣象條件下飛行的技能也得到提高?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)促進(jìn)了校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)，吸引更多的航空公司輸送飛行學(xué)員來我校培訓(xùn)，加強(qiáng)了我校與航空公司的交流合作。

6 結(jié) 語(yǔ)

加強(qiáng)實(shí)踐教育環(huán)節(jié)是提高教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)途徑的重要舉措。教師在授課過程中只進(jìn)行理論的講解，會(huì)使學(xué)生對(duì)于抽象的知識(shí)難以理解，并且學(xué)生會(huì)感覺枯燥無味，缺乏學(xué)習(xí)興趣。基于飛行模擬軟件的航空氣象教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與航空氣象課程內(nèi)容配套，在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，注重實(shí)踐教學(xué)，提高了我校飛行技術(shù)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和飛行學(xué)生的操作能力，滿足了飛行學(xué)生的未來職業(yè)需求。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兼顧教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，以及航空公司的特色需求，充分吸取國(guó)內(nèi)、外先進(jìn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵循教育的基本規(guī)律，旨在提高飛行學(xué)生認(rèn)知能力和高素質(zhì)的培養(yǎng)。

基于Prepar3D 的飛行原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是按照航行情報(bào)、飛行技術(shù)、空中交通管制和簽派等行業(yè)要求和與國(guó)際接軌的航空人才要求搭建的，具有系統(tǒng)性、科學(xué)性和前瞻性等特點(diǎn)。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)始終堅(jiān)持以提高教學(xué)質(zhì)量和效果，加強(qiáng)飛行技術(shù)專業(yè)特色教學(xué)體系構(gòu)建，打造國(guó)際水準(zhǔn)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以及培養(yǎng)與國(guó)際接軌的飛行人才為理念。