基于飞行仿真软件的航空气象教学实验平台建设及应用

张建辉， 司海青， 汪海波， 李 杰， 高振兴， 蔡中长

（1.南京航空航天大学党政办，南京210016；2.南京航空航天大学飞行学院，南京211106）

0 引 言

2018 年9 月20 日，习近平总书记会见了四川航空“中国民航英雄机组”全体成员时指出，安全是民航业的生命线，始终把安全作为头等大事来抓，确保民航安全运行平稳可控。随着民用航空运输业的蓬勃发展，飞机数量的急剧增加，飞机性能不断优化，气象因素对民用航空安全的影响依然存在［1］。

1 航空气象课程的内容

国际民航组织数据显示，气象原因造成的飞行事故占民航总事故的10% ～15%，与天气直接或间接相关的民航飞行事故所占比例高达1／3［3-4］。根据中国民航局统计数据，由不利气象原因造成的重大飞行事故约占飞行事故总数的31%［5-6］。

气象对航空的影响正在从气象决定能否飞行变为在复杂气象条件安全飞行，这对航空气象的保障能力提出了更高的要求。作为民航系统内直接与飞行打交道的人员，必须具备相应的航空气象知识，才能充分利用有利天气，避开不利状况，预防危险，保障飞机的运行安全。航空气象是民航众多专业课程中理论与实践并重的一门代表性课程，是民航局教学大纲中飞行技术专业的主干课程之一，也是私-商-仪执照考试必考内容。图1 所示为航空气象课程框架结构。

图1 航空气象课程框架

培养有创新精神与实践能力兼备的高级专业人才是高等教育的任务之一［7］，民航业是高风险、高投入、高回报的行业，鉴于民航人才市场竞争的需要，必须加强对学生实践能力的培养。由图1 可见，航空气象在飞行技术、航空情报、空中交通管制以及签派等工作中的扮演着重要角色，也是飞行相关的教学培养方案中的专业必修课，但目前航空气象教学方面仍存在诸多问题。其中，实践环节薄弱的问题尤为突出，缺少与教学内容相匹配的实验课程，且现有实验课程课时和内容较少，不够系统，不能满足培养高素质民航人才的需要［8］。

2 飞行仿真实验平台简介

为适应国家对高素质劳动者和技能型人才的迫切需要，教育部陆续颁发了相关文件，指出要增加现代信息等技术在教学中的应用［9］。飞行仿真软件Prepar3D是一个可视化仿真平台，其主要致力于为商业组织和军方提供专业训练和评估［10-12］，可用于仿真飞行训练中的机场、跑道、飞机、天空、地形等场景，帮助实现飞行训练，完成各种飞行任务［13-14］。基于Prepar3D搭建的航空气象教学实验平台，具有仿真度高、沉浸感强等特点，如图2 所示，飞行学员可以在基于Prepar3D搭建的虚拟世界中任何地点飞行，并可以面对各类天气（例如，雨、雪、雾、大风等）对飞机性能及安全的影响，从而采取应对不良天气的措施，达到学习并训练的目的。基于Prepar3D 搭建的航空气象教学实验平台，改变了传统航空气象教学在实践环节薄弱的现状，满足了培养高素质民航人才的需要。

图2 飞行教学实验平台场景

3 飞行仿真实验平台的作用

《国务院关于促进民航业发展的若干意见》中指出专业人才的数量与质量是制约民航业可持续发展的重要原因，应加大飞行、机务、空管等专业人才的培养力度［15］。在这种情况下，加强教学内容和教学方式改革，培养高水平的民航人才迫在眉睫。基于Prepar3D可视化仿真平台，结合高性能飞行训练器搭建教学实验平台，改变了目前航空气象教学方法单一、缺少实践环节的问题，能有效提高学生在航空气象方面的专业技术水平。学生通过该实验教学平台了解航空中的基本气象要素，掌握航空气象对飞机性能和飞行安全的影响特征，以及掌握应对飞行中不良天气的方法，加强了学生理论到实践的能力，为提高实际工作能力打下良好的基础。例如，通过基于Prepar3D 的航空气象教学实验平台“实验1”中“风”模块，学生可以设置风向和风速进行模拟飞行实验（见图3），体验不同风对飞行的影响，顺风风速为8 n mile／h 时和逆风风速为8 n mile／h时的飞行分析如图4 所示，正常起飞航线和顺风起飞航线、逆风起飞航线的对比示意图如图5 所示。

图3 设置风向和风速界面

图4 不同风向时的飞行分析图

4 飞行仿真实验平台3 大模块的实验内容

结合航空气象教材，基于Prepar3D 的航空气象教学实验平台主要由3 个实验模块组成，主要包括实验1 基础航空气象教学实验模块、实验2 飞行气象教学实验模块、实验3 飞行气象报文教学实验，其中，每个模块又包含若干实验过程，如图6 所示。

针对上述教学实验平台中各实验模块，学生可以在教师的指导下在航空气象教学实验平台的实验系统中进行科目的选择，并进行实验，其中各模块对应的实验系统如图7 所示。

图5 正常起飞与不同风向起飞航线对比示意图

图6 基于Prepar3D的航空气象教学实验平台框架

图7 基于Prepar3D的航空气象教学实验平台3个模块各自的实验系统

4.1 基础航空气象课程教学实验（实验1）

为配合航空气象教学过程中基础航空气象的教学，基于该实验平台设计实验相关内容，主要涉及大气和温度、气压、风、云和降水等基本气象要素，学生通过该实验模块了解大气成分、大气结构、气温、气压、风和降水等基本元素的特点、变化规律及其变化对飞机性能、机载仪表变化的影响，掌握基本气象元素对飞行安全的影响。例如：当飞机起飞或降落时，风速越大，近地面风阵性越强，飞机受到无规律的影响越大，难以操纵；飞机顺风时，会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗；飞机侧风时，产生偏流，需要采取适当措施修正以保持航向正确。该课程主要任务的实验内容及目标如表1 所示。

表1 基础航空气象教学实验

大气和温度实验中，在飞行模拟器上设定相同的飞机、机场、跑道、动力输出、风向、风速等起飞条件，实验默认条件为CESSNA172SP 机型，南京禄口机场（ZSNJ）24 号跑道，逆风，风速8 n mile／h，外界大气温度－20 ℃，目视条件良好。通过设置不同大气温度（－20，－10，0，10，20 ℃）进行起飞过程模拟，起飞过程中观察仪表数据的变化情况并记录，模拟飞行结束后对飞行过程进行分析，根据所记录的数据对照大气温度对飞机滑跑距离影响的理论进行对应比较，分析得出大气温度对飞机起飞滑跑距离产生的影响并总结实验结论。

风实验中，在飞行模拟器上设定相同的飞机、机场、跑道、动力输出、大气温度等起飞条件，通过设置不同风向和风速进行起飞过程模拟，起飞过程中观察仪表数据的变化情况并记录，模拟结束后进行飞行分析，得出风对飞机起飞滑跑距离产生的影响并总结实验结论。

降水天气设置界面如图8 所示，在飞行模拟器上设定相同的飞机、机场、跑道、动力输出、大气温度、风向、风速等起飞条件，通过设置不同降水强度等级进行起飞过程模拟，记录起飞滑跑距离等相关数据，比较起飞爬升梯度差异，分析得出降水天气活动可能对能见度、飞机积冰、发动机熄火等造成的影响并总结实验结论。

图8 降水天气设置界面

4.2 飞行气象课程教学实验（实验2）

飞行气象主要包括气团、锋、颠簸、积冰、雷暴以及能见度等天气现象，这些气象状况对飞机的安全有着重要影响。锋通常带来阴雨、大风、风沙、雷暴等不利于飞行安全的恶劣天气；飞机在飞行中遇到扰动气流，会产生颠簸，颠簸可能会使乘客感到不适、飞机暂时失控等；积冰会使飞机的空气动力性能变差，影响飞机的稳定性和操纵性；当飞机进入雷暴活动区域，轻则造成人机损伤，重则机毁人亡；能见度是决定能否飞行、飞机气象条件简单或复杂的重要依据之一。该模块课程主要任务的实验内容及目标如表2 所示。

表2 天气现象课程实验过程

气团和锋课程实验中，学生通过观看设计的虚拟视频了解气团和锋的相关知识，例如：气团、锋、气旋、反气旋、槽线以及切变线等，积雨云和高层云的形成过程如图9 所示。

图9 积雨云和高层云的形成过程

低空风切变是导致颠簸的主要原因之一，在颠簸课程实验中，通过设置不同类型的低空风切变产生颠簸。在飞行模拟器上设定统一的飞机、机场、跑道、动力输出、风向、风速等起飞条件，分别设置低空顺风切变、低空逆风切变和低空侧风切变，设置界面如图10所示，对飞机着陆过程模拟，飞行学员操控飞机过程中观察仪表数据的变化情况并记录，模拟结束后进行飞行数据分析，总结得出低空风切变对着陆过程中空速、升力等因素的影响。

图10 低空逆风切变气象条件设置

积冰天气课程实验的设置界面如图11 所示，在飞行模拟器上设定相同的飞机、动力输出、结构等起飞条件，时间和季节不变，通过设置积冰气象条件进行飞行模拟，积冰强度分为弱、中、强、极强4 个等级，飞机成功起飞并达到一定高度后，感受飞行的能见度状况，切换视角观察飞机颠簸程度以及高度表、空速表等仪表的数据变化并作相应记录；若空速表变化异常，或者发生发动机熄火的情况，此时打开空速管加热器，稍后再观察空速表指数的变化并作相应记录。模拟飞行全部结束后对飞行过程进行分析，根据所记录的数据对照课本理论中积冰对于飞行的影响方式和影响程度进行总结，分析得出积冰可能对飞机飞行能见度造成的影响。

图11 积冰气象条件设置界面

雷暴天气课程实验的设置界面如图12 所示，设置当前气象条件为雷暴，全部设置完成后开始模拟飞行，在飞机成功起飞并达到一定高度后，感受飞行的能见度状况，切换视角观察飞机颠簸程度以及高度表、空速表的数据变化并作相应记录，分析雷暴对飞机飞行造成的影响。

图12 雷暴天气设置界面

能见度与飞行活动有密切联系，如果能见度差，目视有困难，起飞和降落就会有危险，常见的影响能见度的天气现象主要有雾、低云、霾、沙尘暴和降雨等。在能见度课程实验中，设置当前气象条件为雾、降水等，全部设置完成后开始模拟飞行，在飞机成功起飞并达到一定高度后，切换视角观察飞机能见度状况并记录空速表等仪表的数据变化，分析能见度对飞机飞行造成的影响。

4.3 飞行气象报文课程教学实验（实验3）

作为飞行员，除了了解航空气象基本理论，在飞行前需要熟悉最新的气象资料，如地面图、高空图、天气描述图、雷达综述图、天气预报等。这就需要能看懂各种天气图表，能够翻译各种天气报告和预报电报，了解气象部门提供航空气象服务的程序和方式。实验3 飞行气象报文课程教学实验分为两个部分，如表3 所示。①天气图的识读。能够熟练识读地面图、高空图、天气描述图、雷达综述图、天气预报；②天气报文的识读。能够熟练识读航空例行天气报告（METAR）格式、机场天气预报（TAF）报告格式，如图13 所示。

表3 航空气象资料课程实验过程

图13 天气报告

5 实验教学效果

基于Prepar3D搭建的航空气象教学实验平台，已在我校飞行学院飞行技术系飞行学员的实践教学中得到应用，学生反映效果较好，并纳入飞行技术专业的教学计划。该实验平台的建设可以培养飞行学生理论知识的学习能力、实际操作能力，这使飞行学院实践教学和飞行人才培养质量方面得到一定程度的提高。

（1）飞行教学实践方面。基于该实验平台，学生对航空气象的学习兴趣更加浓厚，学生对重大天气对飞行的影响有了更深刻的认识，掌握了应对不良航空天气的方法，也为进一步研究飞机颠簸、飞机积冰等危险情况的预报打下了坚实的基础。该平台丰富了教学手段，充实了教学内容，提高了教学质量和效果，加强了飞行专业特色教学体系。

（2）学校与航空公司等企业合作方面。我校与多家航空公司签署合作协议，建立校内实训基地。基于该实验平台，飞行学员的航空气象理论知识更扎实，应对不利飞行天气的能力得到提高，在复杂气象条件下飞行的技能也得到提高。基于该实验平台促进了校内实训基地的建设，吸引更多的航空公司输送飞行学员来我校培训，加强了我校与航空公司的交流合作。

6 结 语

加强实践教育环节是提高教学质量，丰富教学途径的重要举措。教师在授课过程中只进行理论的讲解，会使学生对于抽象的知识难以理解，并且学生会感觉枯燥无味，缺乏学习兴趣。基于飞行模拟软件的航空气象教学实验平台，与航空气象课程内容配套，在理论教学的基础上，注重实践教学，提高了我校飞行技术专业教学质量和飞行学生的操作能力，满足了飞行学生的未来职业需求。该实验平台兼顾教学内容和目标，以及航空公司的特色需求，充分吸取国内、外先进的实践经验，遵循教育的基本规律，旨在提高飞行学生认知能力和高素质的培养。

基于Prepar3D 的飞行原理教学实验平台是按照航行情报、飞行技术、空中交通管制和签派等行业要求和与国际接轨的航空人才要求搭建的，具有系统性、科学性和前瞻性等特点。该教学实验平台的建设始终坚持以提高教学质量和效果，加强飞行技术专业特色教学体系构建，打造国际水准的综合实验教学平台，以及培养与国际接轨的飞行人才为理念。