基于飛行仿真軟件的航空氣象教學實驗平臺建設及應用

張建輝， 司海青， 汪海波， 李 杰， 高振興， 蔡中長

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

0 引 言

2018 年9 月20 日，習近平總書記會見了四川航空“中國民航英雄機組”全體成員時指出，安全是民航業的生命線，始終把安全作為頭等大事來抓，確保民航安全運行平穩可控。隨著民用航空運輸業的蓬勃發展，飛機數量的急劇增加，飛機性能不斷優化，氣象因素對民用航空安全的影響依然存在［1］。

1 航空氣象課程的內容

國際民航組織數據顯示，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的民航飛行事故所占比例高達1／3［3-4］。根據中國民航局統計數據，由不利氣象原因造成的重大飛行事故約占飛行事故總數的31%［5-6］。

氣象對航空的影響正在從氣象決定能否飛行變為在復雜氣象條件安全飛行，這對航空氣象的保障能力提出了更高的要求。作為民航系統內直接與飛行打交道的人員，必須具備相應的航空氣象知識，才能充分利用有利天氣，避開不利狀況，預防危險，保障飛機的運行安全。航空氣象是民航眾多專業課程中理論與實踐并重的一門代表性課程，是民航局教學大綱中飛行技術專業的主干課程之一，也是私-商-儀執照考試必考內容。圖1 所示為航空氣象課程框架結構。

圖1 航空氣象課程框架

培養有創新精神與實踐能力兼備的高級專業人才是高等教育的任務之一［7］，民航業是高風險、高投入、高回報的行業，鑒于民航人才市場競爭的需要，必須加強對學生實踐能力的培養。由圖1 可見，航空氣象在飛行技術、航空情報、空中交通管制以及簽派等工作中的扮演著重要角色，也是飛行相關的教學培養方案中的專業必修課，但目前航空氣象教學方面仍存在諸多問題。其中，實踐環節薄弱的問題尤為突出，缺少與教學內容相匹配的實驗課程，且現有實驗課程課時和內容較少，不夠系統，不能滿足培養高素質民航人才的需要［8］。

2 飛行仿真實驗平臺簡介

為適應國家對高素質勞動者和技能型人才的迫切需要，教育部陸續頒發了相關文件，指出要增加現代信息等技術在教學中的應用［9］。飛行仿真軟件Prepar3D是一個可視化仿真平臺，其主要致力于為商業組織和軍方提供專業訓練和評估［10-12］，可用于仿真飛行訓練中的機場、跑道、飛機、天空、地形等場景，幫助實現飛行訓練，完成各種飛行任務［13-14］。基于Prepar3D搭建的航空氣象教學實驗平臺，具有仿真度高、沉浸感強等特點，如圖2 所示，飛行學員可以在基于Prepar3D搭建的虛擬世界中任何地點飛行，并可以面對各類天氣（例如，雨、雪、霧、大風等）對飛機性能及安全的影響，從而采取應對不良天氣的措施，達到學習并訓練的目的。基于Prepar3D 搭建的航空氣象教學實驗平臺，改變了傳統航空氣象教學在實踐環節薄弱的現狀，滿足了培養高素質民航人才的需要。

圖2 飛行教學實驗平臺場景

3 飛行仿真實驗平臺的作用

《國務院關于促進民航業發展的若干意見》中指出專業人才的數量與質量是制約民航業可持續發展的重要原因，應加大飛行、機務、空管等專業人才的培養力度［15］。在這種情況下，加強教學內容和教學方式改革，培養高水平的民航人才迫在眉睫。基于Prepar3D可視化仿真平臺，結合高性能飛行訓練器搭建教學實驗平臺，改變了目前航空氣象教學方法單一、缺少實踐環節的問題，能有效提高學生在航空氣象方面的專業技術水平。學生通過該實驗教學平臺了解航空中的基本氣象要素，掌握航空氣象對飛機性能和飛行安全的影響特征，以及掌握應對飛行中不良天氣的方法，加強了學生理論到實踐的能力，為提高實際工作能力打下良好的基礎。例如，通過基于Prepar3D 的航空氣象教學實驗平臺“實驗1”中“風”模塊，學生可以設置風向和風速進行模擬飛行實驗（見圖3），體驗不同風對飛行的影響，順風風速為8 n mile／h 時和逆風風速為8 n mile／h時的飛行分析如圖4 所示，正常起飛航線和順風起飛航線、逆風起飛航線的對比示意圖如圖5 所示。

圖3 設置風向和風速界面

圖4 不同風向時的飛行分析圖

4 飛行仿真實驗平臺3 大模塊的實驗內容

結合航空氣象教材，基于Prepar3D 的航空氣象教學實驗平臺主要由3 個實驗模塊組成，主要包括實驗1 基礎航空氣象教學實驗模塊、實驗2 飛行氣象教學實驗模塊、實驗3 飛行氣象報文教學實驗，其中，每個模塊又包含若干實驗過程，如圖6 所示。

針對上述教學實驗平臺中各實驗模塊，學生可以在教師的指導下在航空氣象教學實驗平臺的實驗系統中進行科目的選擇，并進行實驗，其中各模塊對應的實驗系統如圖7 所示。

圖5 正常起飛與不同風向起飛航線對比示意圖

圖6 基于Prepar3D的航空氣象教學實驗平臺框架

圖7 基于Prepar3D的航空氣象教學實驗平臺3個模塊各自的實驗系統

4.1 基礎航空氣象課程教學實驗（實驗1）

為配合航空氣象教學過程中基礎航空氣象的教學，基于該實驗平臺設計實驗相關內容，主要涉及大氣和溫度、氣壓、風、云和降水等基本氣象要素，學生通過該實驗模塊了解大氣成分、大氣結構、氣溫、氣壓、風和降水等基本元素的特點、變化規律及其變化對飛機性能、機載儀表變化的影響，掌握基本氣象元素對飛行安全的影響。例如：當飛機起飛或降落時，風速越大，近地面風陣性越強，飛機受到無規律的影響越大，難以操縱；飛機順風時，會增大地速、縮短飛行時間、減少燃油消耗；飛機側風時，產生偏流，需要采取適當措施修正以保持航向正確。該課程主要任務的實驗內容及目標如表1 所示。

表1 基礎航空氣象教學實驗

大氣和溫度實驗中，在飛行模擬器上設定相同的飛機、機場、跑道、動力輸出、風向、風速等起飛條件，實驗默認條件為CESSNA172SP 機型，南京祿口機場（ZSNJ）24 號跑道，逆風，風速8 n mile／h，外界大氣溫度－20 ℃，目視條件良好。通過設置不同大氣溫度（－20，－10，0，10，20 ℃）進行起飛過程模擬，起飛過程中觀察儀表數據的變化情況并記錄，模擬飛行結束后對飛行過程進行分析，根據所記錄的數據對照大氣溫度對飛機滑跑距離影響的理論進行對應比較，分析得出大氣溫度對飛機起飛滑跑距離產生的影響并總結實驗結論。

風實驗中，在飛行模擬器上設定相同的飛機、機場、跑道、動力輸出、大氣溫度等起飛條件，通過設置不同風向和風速進行起飛過程模擬，起飛過程中觀察儀表數據的變化情況并記錄，模擬結束后進行飛行分析，得出風對飛機起飛滑跑距離產生的影響并總結實驗結論。

降水天氣設置界面如圖8 所示，在飛行模擬器上設定相同的飛機、機場、跑道、動力輸出、大氣溫度、風向、風速等起飛條件，通過設置不同降水強度等級進行起飛過程模擬，記錄起飛滑跑距離等相關數據，比較起飛爬升梯度差異，分析得出降水天氣活動可能對能見度、飛機積冰、發動機熄火等造成的影響并總結實驗結論。

圖8 降水天氣設置界面

4.2 飛行氣象課程教學實驗（實驗2）

飛行氣象主要包括氣團、鋒、顛簸、積冰、雷暴以及能見度等天氣現象，這些氣象狀況對飛機的安全有著重要影響。鋒通常帶來陰雨、大風、風沙、雷暴等不利于飛行安全的惡劣天氣；飛機在飛行中遇到擾動氣流，會產生顛簸，顛簸可能會使乘客感到不適、飛機暫時失控等；積冰會使飛機的空氣動力性能變差，影響飛機的穩定性和操縱性；當飛機進入雷暴活動區域，輕則造成人機損傷，重則機毀人亡；能見度是決定能否飛行、飛機氣象條件簡單或復雜的重要依據之一。該模塊課程主要任務的實驗內容及目標如表2 所示。

表2 天氣現象課程實驗過程

氣團和鋒課程實驗中，學生通過觀看設計的虛擬視頻了解氣團和鋒的相關知識，例如：氣團、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

低空風切變是導致顛簸的主要原因之一，在顛簸課程實驗中，通過設置不同類型的低空風切變產生顛簸。在飛行模擬器上設定統一的飛機、機場、跑道、動力輸出、風向、風速等起飛條件，分別設置低空順風切變、低空逆風切變和低空側風切變，設置界面如圖10所示，對飛機著陸過程模擬，飛行學員操控飛機過程中觀察儀表數據的變化情況并記錄，模擬結束后進行飛行數據分析，總結得出低空風切變對著陸過程中空速、升力等因素的影響。

圖10 低空逆風切變氣象條件設置

積冰天氣課程實驗的設置界面如圖11 所示，在飛行模擬器上設定相同的飛機、動力輸出、結構等起飛條件，時間和季節不變，通過設置積冰氣象條件進行飛行模擬，積冰強度分為弱、中、強、極強4 個等級，飛機成功起飛并達到一定高度后，感受飛行的能見度狀況，切換視角觀察飛機顛簸程度以及高度表、空速表等儀表的數據變化并作相應記錄；若空速表變化異常，或者發生發動機熄火的情況，此時打開空速管加熱器，稍后再觀察空速表指數的變化并作相應記錄。模擬飛行全部結束后對飛行過程進行分析，根據所記錄的數據對照課本理論中積冰對于飛行的影響方式和影響程度進行總結，分析得出積冰可能對飛機飛行能見度造成的影響。

圖11 積冰氣象條件設置界面

雷暴天氣課程實驗的設置界面如圖12 所示，設置當前氣象條件為雷暴，全部設置完成后開始模擬飛行，在飛機成功起飛并達到一定高度后，感受飛行的能見度狀況，切換視角觀察飛機顛簸程度以及高度表、空速表的數據變化并作相應記錄，分析雷暴對飛機飛行造成的影響。

圖12 雷暴天氣設置界面

能見度與飛行活動有密切聯系，如果能見度差，目視有困難，起飛和降落就會有危險，常見的影響能見度的天氣現象主要有霧、低云、霾、沙塵暴和降雨等。在能見度課程實驗中，設置當前氣象條件為霧、降水等，全部設置完成后開始模擬飛行，在飛機成功起飛并達到一定高度后，切換視角觀察飛機能見度狀況并記錄空速表等儀表的數據變化，分析能見度對飛機飛行造成的影響。

4.3 飛行氣象報文課程教學實驗（實驗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、高空圖、天氣描述圖、雷達綜述圖、天氣預報等。這就需要能看懂各種天氣圖表，能夠翻譯各種天氣報告和預報電報，了解氣象部門提供航空氣象服務的程序和方式。實驗3 飛行氣象報文課程教學實驗分為兩個部分，如表3 所示。①天氣圖的識讀。能夠熟練識讀地面圖、高空圖、天氣描述圖、雷達綜述圖、天氣預報；②天氣報文的識讀。能夠熟練識讀航空例行天氣報告（METAR）格式、機場天氣預報（TAF）報告格式，如圖13 所示。

表3 航空氣象資料課程實驗過程

圖13 天氣報告

5 實驗教學效果

基于Prepar3D搭建的航空氣象教學實驗平臺，已在我校飛行學院飛行技術系飛行學員的實踐教學中得到應用，學生反映效果較好，并納入飛行技術專業的教學計劃。該實驗平臺的建設可以培養飛行學生理論知識的學習能力、實際操作能力，這使飛行學院實踐教學和飛行人才培養質量方面得到一定程度的提高。

（1）飛行教學實踐方面。基于該實驗平臺，學生對航空氣象的學習興趣更加濃厚，學生對重大天氣對飛行的影響有了更深刻的認識，掌握了應對不良航空天氣的方法，也為進一步研究飛機顛簸、飛機積冰等危險情況的預報打下了堅實的基礎。該平臺豐富了教學手段，充實了教學內容，提高了教學質量和效果，加強了飛行專業特色教學體系。

（2）學校與航空公司等企業合作方面。我校與多家航空公司簽署合作協議，建立校內實訓基地。基于該實驗平臺，飛行學員的航空氣象理論知識更扎實，應對不利飛行天氣的能力得到提高，在復雜氣象條件下飛行的技能也得到提高。基于該實驗平臺促進了校內實訓基地的建設，吸引更多的航空公司輸送飛行學員來我校培訓，加強了我校與航空公司的交流合作。

6 結 語

加強實踐教育環節是提高教學質量，豐富教學途徑的重要舉措。教師在授課過程中只進行理論的講解，會使學生對于抽象的知識難以理解，并且學生會感覺枯燥無味，缺乏學習興趣。基于飛行模擬軟件的航空氣象教學實驗平臺，與航空氣象課程內容配套，在理論教學的基礎上，注重實踐教學，提高了我校飛行技術專業教學質量和飛行學生的操作能力，滿足了飛行學生的未來職業需求。該實驗平臺兼顧教學內容和目標，以及航空公司的特色需求，充分吸取國內、外先進的實踐經驗，遵循教育的基本規律，旨在提高飛行學生認知能力和高素質的培養。

基于Prepar3D 的飛行原理教學實驗平臺是按照航行情報、飛行技術、空中交通管制和簽派等行業要求和與國際接軌的航空人才要求搭建的，具有系統性、科學性和前瞻性等特點。該教學實驗平臺的建設始終堅持以提高教學質量和效果，加強飛行技術專業特色教學體系構建，打造國際水準的綜合實驗教學平臺，以及培養與國際接軌的飛行人才為理念。