高振兴，司海青，蔡中长，向志伟

（南京航空航天大学通用航空与飞行学院，南京 211106）

0 引言

风切变是指大气层内风向和风速快速、突然变化的现象，它是飞机起飞、着陆阶段和近地面飞行时的主要危险天气，严重影响民航飞机的飞行品质、乘坐品质和飞行安全［1］。按照物理成因，风切变可分为锋面风切变（冷锋、暖锋）、地形诱导风切变（山岳波等）、对流风暴风切变（宏下击暴流、微下击暴流等）［2］。其中，发生在机场附近的微下击暴流严重威胁着飞机起降安全。

航空科学技术的进步，使得因设计缺陷或飞机系统故障导致的事故已大为减少。相反，由于恶劣天气直接导致或间接诱发的事故比例正持续上升。据统计，飞机起降时间约占总飞行时间的6%，却有近52%的飞行事故发生在起降阶段。其中，由于风切变造成机组情境意识缺失及判断操作失误的事故约占该阶段事故的66%［3］。航空公司通过调研发现，许多发生在起降阶段的事故征候和不安全事件，往往由恶劣天气、风切变等诱发。因此，对飞行员加强风切变特情飞行的理论学习、操作训练和安全教育，具有十分重要的意义。

国内高校飞行技术专业理论学习阶段，已有不少学者提出将飞行仿真技术应用到理论教学中，形成实验教学环节。主要包括：①基于飞行模拟软件的实验教学。对FlightGear 软件进行二次开发，建立民航飞机飞行仿真模型，实现三维可视化，针对性地开发飞行仿真实验［4-5］。基于Prepar3D 飞行原理实验教学，实现基础飞行操作、程序飞行、特殊环境飞行与飞行情境等教学功能［6-7］。②基于真实飞行训练器的实验教学。通过飞行训练器模拟实际飞机，进行常规飞行科目和特情处置训练［6］。通过课程开发，这两种实验教学手段都能够较好地结合飞行技术专业理论教学，但对风切变特情飞行的实验教学缺少针对性。随着虚拟仿真技术的兴起，已出现了面向民航飞机空管、机务类课程的虚拟仿真实验教学平台［8-9］。重点针对某项飞行特情开展实验教学，突破在理论教学阶段的“实验难”的问题，是完全可能的。

针对风切变特情飞行的学习认知要求，拟开发一种风切变特情飞行虚拟仿真实验教学平台。研究建立风切变影响下的飞行动力学模型。以典型微下击暴流风切变为例，分析风切变特情飞行原理和改出操作方法。在此基础上，开发一种基于浏览器-服务器（B-S）结构的交互式虚拟仿真实验平台，设计风切变影响机理分析、基础飞行操作、改出风切变操作、考核评价等环节。向在校飞行学员提供一种认知风切变现象、分析风切变安全飞行原理和操作改出风切变的实验教学平台。

1 风切变特情飞行原理

1.1 含扰动风影响的飞行动力学建模

在常规布局飞行动力学模型基础上，推导含扰动风影响的动力学模型。飞机实时动力学响应一般由速度、角速度、姿态角和位置共计12 个微分方程来描述［10］。其中，扰动风直接影响速度和位置方程。扰动风造成飞机真空速vT、迎角α、侧滑角β 的瞬时变化，造成气动力变化。因此，建立能够直接反映扰动风影响的速度方程。在气流坐标系下，无风影响的速度方程为：

式中：FT为发动机推力；L、D、C分别为气动升力、阻力、侧力；αT为发动机安装角。引入转移矩阵、分别描述地面系到机体系、机体系到气流系的转移矩阵。机体系下的空速分量［vx，vy，vz］T 与气流系下空速VT的关系为

气流系下的机体角速度［pw，qw，rw］T可由机体下的三轴角速度分量［p，q，r］T转换而来

飞机地速vE、空速v和风速w三者形成速度三角形关系为

无风状态下，vE=v。空间任意一点的风速矢量w是基于地面系给出的，可表示为［wx，wy，wz］T，它和重力加速度g都处于地面系中。可将扰动风先转至机体系，再转至气流系，即有：

将式（3）、（5）的展开式代入式（1），获得含扰动风的气流系下的速度方程：

与机体系下含扰动风的速度方程相比［11］，式（6）能够直接反映扰动风对［v，α，β］T的影响。此外，地面系下的扰动风直接进入位置方程：

式中：θ为俯仰角；φ为滚转角；ψ为偏航角。不同的风切变形式，其风速矢量随空间和时间的变化规律不同。对于锋面、山岳波等风切变，可建立余弦模型［12］；对于对流风暴风切变，可建立谐波［13］、涡环［14］等工程化模型。在飞行仿真过程中，可根据航迹参数，通过插值算法获得空间扰动风矢量。联合式（1）、（7）以及角速度方程、姿态角方程来完整描述风切变下的飞行动力学响应。

1.2 风切变特情飞行特点分析

风切变特情飞行中，飞行高度-空速包线范围有所减小。随着高度增大，大气密度减小，在空速不变的情况下马赫数增加，实际升力系数越接近抖动升力系数，导致升力系数的裕度减小。一旦遇到垂直风切变，就可能出现抖动现象。若空速过小，迎角增加过大，有可能超过正常迎角范围，造成飞机抖动甚至失速；若空速过大，飞机载荷因数有可能超过最大可用载荷因数，诱发飞机结构疲劳甚至损坏。

飞行操作时，应尽可能减少机动，避免机动载荷因数。需要机动飞行时，应保持动作柔和，避免粗猛，转弯坡度也应比正常坡度要小。在强度不大的风切变中飞行时，飞行员只需稍用力握盘、抵舵，使舵面不自由偏转即可，增强飞机安定性。若飞行状态偏差不大，不必急于修正，充分依靠飞机自身稳定性保持平稳飞行。当受到强烈风切变时，飞行状态偏差大，飞机本身稳定性不能使飞机完全恢复平衡状态，飞行员则应适时、柔和地操作杆、舵进行修正，并实施改出风切变操作。遇纵向风切变时，实施纵向改出操作；遇侧风切变时，可采用航向法或侧滑法进行改出修正。

1.3 微下击暴流风切变改出飞行操作

微下击暴流风切变是一种微尺度天气现象，在小范围内包含了顺风、逆风、垂直风切变和侧风切变，其外流范围与机场跑道长度相当。一旦发生在机场周围，将会严重威胁飞行安全。穿越微下击暴流飞行时，需参照飞行状态变化，在适当的时机采用果断的操作策略来改出风切变。在商用飞机模拟机上，一般采用微下击暴流风切变来考察飞行员对风切变的感知预判和处置决断能力。在开发虚拟仿真实验时，也选取了微下击暴流这一典型的风切变场景。

1.3.1 纵向风切变改出

纵向风切变包含顺风、逆风和垂直风切变。以穿越微下击暴流进近着陆为例，飞机将遭遇连续的逆风-下沉气流-顺风的飞行过程，如图1 所示。

图1 纵向风切变及改出示意图

遇到逆风时，升力增加，飞机上仰，高度增大、法向过载增大。飞行员可能通过拉平进行补偿。但飞机很快遇到下沉气流，相对气流速度虽然增大，但因相对气流速度方向的改变使迎角减小，由迎角减小所引起的升力减小远大于由相对速度增大引起的升力增加。遭遇强烈顺风时，升力减小，飞机低头，飞行高度降低，法向过载减小。飞行员若对这一过程缺少预判和正确处置，此时飞机将缺少足够的空速和能量，飞机可能坠地。

飞机遭遇风切变时，最佳的处置方式仍然是规避。一旦无法避免穿越风切变飞行时，FAA曾推荐了3 种风切变改出策略，俯仰引导（Pitch-Guidance）、高度引导（Altitude-Guidance）和俯冲引导（Dive-Guidance）［15］。以飞机的能量高度E和F因子作为改出风切变的安全评价指标：

式中，γ为航迹倾角。这3 种改出策略都要求飞机保持最大推力，横侧尽可能保持平衡，迎角限制在安全范围内。以Pitch-Guidance 改出方式为例，要求在遭遇风切变时，先引导飞机飞到指定高度并保持，接着以θ=15°从当前高度爬升飞离风切变区域。该策略是FAA 推荐的风切变改出的优先策略，已写入飞行手册。

1.3.2 侧风切变改出

纵向改出，是假设飞机从风切变中心穿越，面临逆风-下沉气流-顺风这一典型风切变过程而采用的改出策略，改出过程中并未考虑侧风的影响。实际的风场可能极为复杂，飞机可能还遇到强烈侧风切变。受到强烈侧风时，容易产生严重侧滑。如图2 所示，此时选择从风场的弱风一侧采用航向法或侧滑法实施转弯改出，则是一种最优的改出策略［16］。评价横侧改出时，在能量高度E和F因子评价指标的基础上，还应增加飞机气动安全包线（α-β包线）的指标。

图2 侧风切变及改出示意图

2 风切变特情飞行仿真平台设计

2.1 平台总体架构

在建立了风切变特情飞行仿真模型，分析了风切变飞行原理和改出操作之后，采用浏览器-服务器（BS）结构，基于WebGL 技术和.Net 框架作为软件平台支撑，开发风切变特情飞行虚拟仿真平台。学员直接通过浏览器远程访问服务器提供的学习资源和在线仿真功能，运用鼠标、键盘在服务器提供的虚拟驾驶舱内外环境进行飞行仿真的交互操作。整个系统由Web客户端、服务器、数据库及网络模块组成，形成一个可在网络上运行的虚拟仿真系统结构。

2.2 教学文档及引导视频设计

风切变特情飞行虚拟仿真设计遵循由特情飞行原理学习到风切变改出飞行操作、由简单认知操作到复杂判断处置的学习过程。在理论学习环节，设计了若干教学文档和教学引导视频，涵盖风切变现象、基础飞行操作、风切变飞行动力学分析、改出风切变的操作策略等，见表1。

表1 教学文档和教学引导视频

2.3 飞行仿真模块

2.3.1 风切变影响机理分析

在掌握飞行原理的基础上，通过基础飞行操作，进行风切变影响机理的学习。风切变基础飞行训练模块如图3 所示。

图3 风切变基础飞行训练界面

风切变特情训练需要建立在熟练的飞行操作的基础上。在“实验项目”模块，可选取俯仰、滚转、偏航的3 轴操作实验，以及油门、襟翼和起落架收放控制训练，使飞行学员熟练键盘操作使用。在此基础上，进行加减速平飞、爬升、下降训练飞行。由于训练飞机在风切变下着陆具有典型意义，将着陆阶段的训练分为下降、拉平、平飘接地和着陆滑跑4 个阶段进行。在每个实验项目中，飞行学员可参照“操作原理分析”和“操作指导”模块，并结合“飞行状态参数显示”模块，做出正确、适时的操作。

进入特情训练阶段后，可选择侧风切变（侧滑法修正、航向法修正）、顺风切变、逆风切变和垂直突风分别进行训练。整个基础飞行训练项目如图4 所示。

图4 风切变基础飞行训练项目

2.3.2 改出风切变操作

在完成基础飞行训练的基础上，进行改出风切变操作。如图5 所示，首先设置场景，选择白天或黑夜、起飞重量、重心位置、风切变强度和类型等。将风场中心设置在五边飞行中的任意一边，并偏于航道的一侧或上方，进行灵活的风场强度和位置的设置，实现纵向或横侧风切变改出训练。

图5 风切变特情飞行仿真设置

设置完成后，进入特情飞行驾驶舱场景，如图6 所示。飞行学员可以通过观察驾驶舱仪表了解飞行状态，特别是结合空速和飞行高度变化对风切变情况做进一步判断和处置。根据在操作界面提供操作原理（操作指导）和操作检查单（特情操作）提示，在右下角显示当前飞机瞬时受力情况。

图6 风切变特情飞行场景

2.4 客观考核模块

实现风切变特情飞行处置的自动客观考核，帮助学员检查在特情处置中存在的不足，并进行反复试错式的学习训练。考核分为按章操作、反应能力、飞行技术误差、特情处置力、特情判断力5 个部分，给出客观打分，如图7 所示。

图7 特情处置的客观考核

在客观考核得分的基础上，学员可进一步查看个人在具体某项操作环节的得分情况，如图8 所示。前面提到，能量高度E、F因子和气动安全包线是改出操作安全性的重要评价，在考核模块中也显示了相关指标，向学员提供定量的技术参考，以及进一步的改进方向。

图8 考核评价分析

2.5 教学效果分析

通过风切变特情飞行虚拟仿真实验平台的开发，为学员上好特情飞行第1 课。帮助学员在理论学习阶段系统掌握风切变飞行原理的同时，锻炼飞行员必备的两种品质与能力：

（1）遵章守纪的品质。民航飞行员在飞行过程中要严格执行各类检查单，包括正常检查单和遇特情时的快速检查单等。通过循序渐进、逐层分解的风切变特情飞行理论学习和训练，使学员在校学习期间就能认识到遵守飞行规章、严格执行检查单的重要性，强化职务执行力。

（2）特情处置的能力。特情飞行时的处置决断能力是飞行员技术水准的综合体现。通过风切变特情飞行训练，理解掌握遇风切变后的飞行状态变化，并作出正确果断的飞行处置。帮助学员在理论学习阶段掌握特情飞行原理、树立特情飞行意识、培养特情处置能力。

3 结语

本文介绍了风切变特情飞行虚拟仿真实验平台。提出风切变特情飞行虚拟仿真实验的设想，系统建立特情飞行动力学模型，分析风切变改出飞行操作方法。在此基础上，设计风切变特情飞行仿真实验平台，实现风切变影响机理的认知学习和改出风切变的处置判断和训练操作。给出学员操作水平的客观评价。

本文的研究为国内院校开展风切变特情飞行提供了线上虚拟仿真教学的手段，帮助处于理论学习阶段的学员树立遵章守纪意识，培养特情处置能力。经过两届学员的特情飞行虚拟仿真训练，取得了良好的效果。随着教师教学科研工作的积累，将不断完善该虚拟仿真实验平台，为飞行学员提供更好的特情飞行理论学习与实验训练的手段。