飛機飛行過程的編程模擬

白萬峰，劉京超

（北航實驗學校中學部（北京航空航天大學附屬中學），北京市　100191）

飛機飛行過程的編程模擬

白萬峰，劉京超

（北航實驗學校中學部（北京航空航天大學附屬中學），北京市100191）

飛機的飛行安全是關系旅客生命和財產安全的重要環節。本文在闡述了飛機飛行航空理論的基礎上，對飛機起飛、平穩飛行以及降落過程進行了計算機模擬，使用的語言為面向對象語言C++。并嘗試在飛行數據量巨大的情況下，使用開源的程序，篩選輸入的飛行高度數據。

計算機科學；飛行模擬；航空理論；開源程序

本文著錄格式：白萬峰，劉京超，等. 飛機飛行過程的編程模擬[J]. 軟件，2016，37（8）：92-94

0　引言

飛行安全是民用航空及軍事飛行中至關重要的環節。飛行安全關系到旅客的生命和財產的安危，是人類航空史一直不斷研究的重要課題。隨著我國改革開放的不斷深入，我國的民航事業也在快速發展進步，飛行的安全保障水平也在不斷的提高。同時，培養航空人才一直是我們國家培養人才的重要環節[1]。保證飛機安全平穩的飛行，需要計算機控制系統和指揮系統協調配合，調度指揮。

北京航空航天大學是我國培養航空航天人才的重點大學之一，承擔了基礎科學研究與人才培養的重任。為此，北京航空航天大學與北京航空航天大學附屬中學（現北航實驗學校）于2012年9月聯合成立了北京航空航天大學附屬中學通用航空科技教育實驗班，同年開始面向北京市招收優秀的學生進入該班學習。北京航空航天大學作為北京市通用航空科技發展規劃的主要推動者，在通用航空教育方面承擔著重要的責任與使命，通用航空科技實驗班是大學與中學聯動培養創新后備人才的探索與創新。為此中國工程院院士鐘群鵬、戚發軔這兩位老一輩科學家都對此寄予了厚望，期望創新人才的培養為祖國方興未艾的航空航天事業做出貢獻。北京市政府戴衛副秘書長也指出，隨著我國航空領域的逐步開放，通用航空事業將會迎來大發展。通用航空教育作為通用航空產業的基礎，承擔著為國家培養優秀通用航空人才的重任。期望通用航空科技實驗班的學生們能夠早日成長為優秀的通用航空人才[2]。

作為培養通用航空科技人才的重要環節之一，由北京航空航天大學附屬中學與北京航空航天大學航空社共同組織，北航實驗學校高中通航班一行15人于2015年7月，組成了赴美航校夏令營，來到美國的泛亞航校進行航空知識的學習與培訓。美國泛亞航校是專門負責培養航空學員的專業培訓組織，負責培養與訓練來自包括中國在內的世界各個國家的民用航空駕駛員。北航實驗學校通航班的學生們在此學習飛行駕駛的基礎知識，體驗模擬機以及實際操控飛機駕駛的過程。地面模擬機飛行結束后，在泛亞航校專業教員的帶領和指導下，親自駕駛飛機飛行。所有通航班學員都全程完成了起飛、平穩飛行、降落的一系列動作要領，還體驗了駕駛飛機的特技動作：如失速、45度轉彎等。整個過程使學生們對飛機的飛行原理有了深度的了解，同時對飛機的飛行安全有了更深層次的理解。此行培養了同學們的科學精神，提高了科技素質。

飛機自起飛開始的3分鐘，即起飛爬升的三分鐘以及著陸前的8分鐘即近著陸的最后8分鐘，是飛行事故的高發階段。世界民航飛行事故多發生在此時間段內。因此也通常被稱為黑色11分鐘。基于此，本文對飛機的上升、平穩飛行、下降三個過程進行了簡單的模擬，在此基礎上，今后更深入地探討計算機對飛行器工作過程的控制、保證飛行安全的各項措施。

1　基本原理

飛機支持飛行主要由：機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置五個主要部分組成。

機翼的主要功能是產生向上的升力，從而保證飛機能夠在空中飛行，同時也起到一定的穩定和控制平衡的作用。機身的主要功能是運載乘客以及裝載貨物。尾翼主要有水平尾翼和垂直尾翼兩部分。尾翼的主要作用是操縱飛機俯仰和偏轉，保證飛機能夠飛行平穩。起落裝置主要由減震支柱和機輪組成，起落裝置的主要作用是控制飛機的起飛、著陸滑跑、地面滑行以及在飛機停放時支撐飛機。動力裝置的主要作用是產生作用于飛機的推力和拉力，使飛機前進，同時還可以為飛機上的其他用電設備提供電源等[3]。

飛機的飛行需要解決上升、前進和下降過程。

飛機上升是根據伯努利原理：即流體的流速越大，其壓強越小；反之流速越小，其壓強越大。飛機機翼的形狀類似鳥類的翅膀，當通過機翼下方的流速低于上方，使機翼的上下產生壓強差，即機翼下方的壓強大于上方的壓強，因此產生了升力。而升力的大小（即上述的壓強差的大小）與飛機前進的速度有關。如果飛機前進的速度越大，此壓強差越大，即升力就越大。所以飛機起飛時必須高速前進，只有這樣才能產生足夠大的升力使飛機升上天空。飛機的下降過程則相反，即減小飛機前進的速度，使升力減小，當小于飛機自身的重量時，飛機就可以下降著陸。

飛機的前進依靠的是發動機產生的動力，其帶動螺旋槳旋轉產生向前的牽引力或噴氣產生的前推力[4]。

美國泛亞航校是國際知名的培訓飛行員的學校，包括中國在內的來自世界各國的飛行員都會在此訓練飛行原理和操作技術。北航附中夏令營一行15人在美國泛亞航校首先通過課堂的學習，了解了飛行器飛行的基本原理。體驗了室內模擬機飛行，在教練的帶領下，親身操控飛機飛行，對飛機上升、下降、平穩飛行的過程以及飛行原理有了進一步的體驗和深刻的理解，對飛行器的工作原理產生了濃厚的興趣。圖1為學習飛行原理，圖2為模擬飛行器訓練圖，圖3為學生親自駕駛的飛機的駕駛艙。圖4為領取畢業證書。

圖1　學習飛行原理Fig.1　Learning principle of flight

圖2　模擬飛行器訓練Fig.2　Simulation of Aircraft training

圖3　飛機駕駛艙Fig.3　Cockpit of Aircraft

圖4　畢業證書Fig.4　Certificate of Training

2　編程模擬飛行過程

圖5　飛機上升、飛行、下降過程模擬結果Fig.5　Simulation of climbing/flight/declining of aircraft

針對飛機飛行上升、平穩飛行、下降的過程，利用C++編程語言[5]，編程模擬了上述的三個過程。采用C++語言模擬，因為C++是面向對象的編程語言，將需要的函數封裝在庫函數中，直接調用即可使用，簡單易上手。模擬過程中，設置飛行高度最高為10 000米，飛行時間1小時后完成上升過程，平穩飛行，10小時后開始下降。橫坐標代表時間，單位為分鐘，縱坐標代表飛行高度，單位為米。編程過程中，將飛行數據寫入文件中，通過調用庫函數，完成三段曲線模擬：上升、平穩飛行、下降的三個過程。模擬結果如圖5所示。

此程序只是簡單的輸入飛行的上升時間、飛行的高度和平穩飛行的時間以及下降的時間。由于實際飛行過程中，飛行數據十分巨大，考慮通過云計算的方法，篩選出需要運行的數據，這樣在輸入的過程中就可以解決手工輸入數據量巨大的問題。下面是仿照典型的開源word count程序[6]，仿寫的選擇數據的代碼，可以改善以上簡單C++程序當飛行數據輸入量巨大時遇到的手工輸入數據繁瑣的問題。

部分代碼示例：

函數會對輸入內容進行詞分割，然后輸出每個單詞和其頻次。可以設置輸出單詞分別為飛機起飛和飛行時的高度數值。這樣從輸入文件中，可以快速查找出需要的高度數據[7,8]。

3　結論

本文基于在泛亞航校的飛行體驗，編程模擬了飛機在飛行過程中，上升、平穩飛行、下降的過程。使用了面向對象的編程語言C++，調用的函數是簡單的線性庫函數，但實際飛行過程中，會有非線性的各種飛行軌跡，今后仍然需要對模擬函數進行修正。另外，基于飛行數據的復雜性，嘗試使用開源的程序對輸入數據進行篩選，今后也會將這部分與模擬程序進行整合，使輸入數據自動完成。

[1] 馬志剛. 民航飛行安全研究[D]. 成都: 西南交通大學2003.

[2] 高雪靜, 凌薇薇. 攜創新理想揚通航之帆北京航空航天大學附屬中學通用航空科技教育實驗班正式開班. 2012-09-17. http://www.bhfz.com/view/article_7_7_0.html.

[3] zhwe0003. 飛機飛行原理[OL]. 2015-3-1. http://www.doc88. com/p-741870006701.html.

[4] 王大海等. 飛行原理[M]. 西南交通大學出版社, 2004.

[5] David J.Kruglinski. Programming Visual C++[M], Beijing Hope Electronic Press, Beijing, 2001.

[6] Tom White. The Definitive Guide[M], Canada: O’REILLY, 2012.

[7] hadoop用戶手冊[S].

[8] hadoop. Apache Hadoop 2.7.2[OL]. 2016-1-26. http://hadoop. apache.org/docs/current/

Simulation of Flight Flying

BAI Wan-feng, LIU Jing-chao
(Experimental School of Beihang University (The High School Affiliated to Beihang University), Beijing100191, China)

Flight safety is very important for passenger’s life and property. This paper simulates the processes of flight takeoff, stable flight and landing. C++ programming language is used. Open-source program is trying to be used to select flight height data when mass data of flight takeoff is used.

Computer science; Flight simulation; Flight theory; Open-Source program

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.020

白萬峰(1999-），男，學生，計算機科學；劉京超(1983-），女，教師，物理。