飞行模拟基础教程

飞行模拟基础教程
汤新民
南京航空航天大学民航学院
第一章前言
飞行模拟就是以飞行器为研究对象，借助建模和仿真手段进行飞行理论、技术和方法探索以及飞行管制、操作等方面的模拟培训。

飞行模拟分为半实物具有反馈作用的模拟机和计算机仿真模拟软件，前者的构造需要昂贵的机电及投影设备以及飞机性能数据，而后者仅需要一台性能较好的计算机，就可以非常直观的了解飞行原理和掌握飞行技术，本文主要探讨后者在民航教学中的应用。

目前不断涌现的各种飞行模拟软件主要分为两大类：一类是游戏性软件，如微软的Flight Simulation软件等；另一类是专业的飞行训练软件，如ELITE公司开发的PCATD飞行训练软件。

飞行模拟软件用于教学实践最早出现在上个世纪80年代，其目的是降低训练成本，延长飞机寿命和提高飞行运行的收益。

Thomas R. Carretta对模拟软件的应用作了大量的调查，指出大约25种飞行任务可以很好的实现从模拟到飞行的迁移。

Gustavo A. Ortiz通过学习迁移理论分析了的基于个人电脑的飞行仿真效果，选择运行在Zenith个人电脑上的AzureSoft公司ELITE模拟软件，通过实验表明飞行仿真训练可以大量减少在飞机上的实际操作时间。

此外，John C. Duncan等人探讨了将模拟飞行软件用于飞行机组决策、团队协同以及机组资源管理中。

我国的一些民航飞行学院也正在尝试将模拟飞行软件应用于飞行原理、空中领航、仪表飞行程学等课程的教学。

一、飞行模拟实施原理教学
飞行原理教学，形成理论教学有实验环节。

飞行原理课程主要分析飞机飞行的空气动力学指示、基本操纵知识如平飞、爬升、下降等及其性能参数变化和操作的关系[5]。

由于涉及具体的操纵，属于应用型的知识，通过课堂的理论分析还不足以让学员理解实际的情况，如平飞中速度、高度等性能参数的保持及变化，操纵杆位置、配平等的变化对各参数的影响，油门和操纵杆的配合等综合应用问题。

通过分行模拟，可以使学员更加深入的理解远离知识，更加灵活的运用飞行原理的知识分析飞行和指导飞行。

以飞机的失速为例，失速是一种非常危险的现象，所涉及的知识包括飞机的大迎角空气动力学，飞机的六自由度运动等一些列运动学动力学的知识，在讲课的过程中存在学员难懂，教师难教的现象，通过飞行模拟仿真，可以通过调整飞机速度、姿态，模拟飞机失速现象和全过程，让学员了解失速产生的原因、机理和结果，教会他们改出失速的操作要领，这样可大大提高教学效果和学员的理论分析和判断能力。

空中领航及飞行仪表教学，使得教学过程变得直观。

由于飞行模拟是按照实际飞行环境建立的完整的模拟系统，和真实飞行环境非常接近。

空中领航学中的无线电领航部分的各种无线电仪表如无线电磁指示器RMI、水平状态指示器HSI的判读，电台方位判断、飞机方位判断、各种领航定位方法、飞行程序都可以在软件上进行模拟，并可以根据实际需要对显示飞行轨迹、分析飞行轨迹等，这些都是相对于实际飞行所独有的优势。

通过飞行模拟，学员能够了解实际飞行过程中需要什么样的空中领航理论知识，并很想像的分析、理解这些知识，同时知道应该如何使用这些知识。

以向台飞行为例，通过无线电磁指示器RMI的指针可以判断无方向性导航台NDB是否在飞机的正前方，如果是则通过航向判断飞机是否在预选航道上，当有侧风的情况下还需要估计偏流的大小并进行修正。

模拟飞行试验可以让学员主动判断风向、风速，从飞行效果和仪表指示参数变化判断飞机状态的偏差，并及时修正。

学员在思考中总结，可以较好的增强学员对空中领航学知识的应用能力。

二、飞行模拟实施情景意识训练
情景意识是在一定的时间和空间内对环境中所有因素的了解，对其内涵的领悟和对其在不久的将来状态的预测，是学员心里关于航空器，包括领航和地形、航空器外形和安全飞行、以及各系统健康和正常运行, 在三维运行空间里的图像。

飞行模拟可充分利用模拟软件在飞行训练上的优势进行基于情景的训练。

课程模块和练习被组成许多场景，这些场景提供了课程或练习的背景，包含专门为评估培训目标而设计的一组线索、事件和条件，可在训练中设置系统故障或失效来训练非正常程序，在场景中设置各种威胁来提高学员识别和管理威胁的能力。

情景训练能根据课程的进度，逐渐增加训练的复杂程度，使训练更接近真实运行环境，循序渐进的提高受训者的各项综合素质，符合实际的操作条件和方法。

由于飞行模拟软件的高逼真性，能够模拟某一机型飞机的全部飞行性能和状态，因此可以根据学员的程度不同，选择某些特殊的科目，如飞机失速、大侧风、剧烈颠簸、风切变、进入尾流等或人为设置某些故障，如发动机失火、发动机空中停车再启动、起落架故障下的迫降等，可以使得每个学员对上述特殊情况或故障现象、原因、危害及解决办法、处置程序有所体验，熟练的运用所掌握的程序和方法，排除故障、改出困境，提高学员的情景意识。

三、飞行模拟实施角色扮演
针对不同学习要求采用不同的实验内容及安排。

对于民航空中交通管制及签派等专业，主要着重于飞机性能的实验，如起飞、爬升、巡航、着陆等；对于飞行专业，除了对性能进行仿真模拟外，还需要增加有关飞行控制的高级实验，如无线电领航、带有侧风的飞行以及出现故障时的操作等。

同时飞行模拟软件的一种能够非常大的优势就是支持网络运行，可以构建理想的多机飞行环境，实践表明多机联网的模拟环境比单个飞行模拟能建立更加真实的训练环境。

模拟空中交通管制员的实现。

直接通过语音通讯方式在网络内进行与真实飞行环境一样的飞行管制服务，实现了在飞行模拟训练时飞行员与管制员可以进行真实的信息交流训练，空管指挥的加入使得飞行模拟按照实际飞行的组织模式进行，飞机必须考虑自身与他它飞机的垂直、水平和纵向间隔，并需要与管制员保持通话，提高陆空通话的能力。

同机多角色协调训练实现。

模拟训练设备可让两名受训者分别作为和在多人制运行环境中同时进行教学。

两名具备相似飞行经历的受训者作为机组成员担任不同的角色进行训练，有助于培养受训者的机长意识、副驾驶意识，锻炼其多人制机组运行时的决策能力、机组配合能力、机组协调能力、交流能力、团队协作能力等非技术技能。

四、飞行模拟教学的优势分析
创设良好的虚拟学习环境，实现“真实情景”下的形象化教学。

在飞机模拟器中，学员通过驾驶盘、操纵杆等传感系统来控制飞机的起飞、降落。

学员看到的是逼真的机场环境，以及各种各样的仪表和指示灯；听到的是舱环境声；感觉到的是机舱相对于跑道的运动和驾驶盘、操纵杆所具有的真实触觉。

通过视觉、听觉、触觉等感觉器官的“真实”感受，把学员带人一个“真实”的飞行环境。

彻底打破时间、空间的限制。

建构主义主张学习情境与实际情境相结合，因为实际情境领域具有生动性和丰富性，能使学员掌握高级知识。

然而有些情景在现实生活中不是时时刻刻都存在的，如飞行中
出现发动机停车。

利用飞行模拟软件实施教学，增加了学员的感性认识，弥补课堂教学中“教室里驾驶飞机”的不足，理论联系实际，显著的提高教学效果。

弥补教学条件的不足，避免危险。

利用飞行模拟技术，可以解决学校普遍存在的实验设备不足、型号落后，教学经费场地缺乏难以跟上民航发展速度等方面的不足，并将有助于解决真实实验操作所带来的各种危险问题，使学员足不出户便可以做各种各样的飞行实验，获得与真实实验一样的体会，加深对教学内容的理解。

五、教学训练要求
学完本教学训练大纲规定内容后，应该达到下列基本要求：
1、熟悉正常飞行程序，能够熟练完成飞行准备和正确实施飞行程序。

2、熟悉基本飞行机动和综合飞机操纵，掌握飞机状态的保持和飞行数据的处理，能够正确地对飞机实施所要求的飞行操纵。

3、熟悉起落航线程序和目测落地，能够实施完整的正常起落航线飞行，熟悉管制机场的无线电通讯程序。

4、熟悉常用仪表的认读、使用和导航定位，实践仪表思想和仪表技能，精密进近飞行程序及方法。

5、了解仪表飞行模拟训练与飞行实践的区别与联系。

第二章飞行原理
第一节飞机的组成及操作
模拟飞行所运用到的飞行原理和真实飞行一样，因此了解一些简单的飞行原理，可以让我们从道理上弄清飞机为什么能飞这个问题。

要了解飞机的飞行原理就必须先知道飞机的组成以及功用，飞机的升力是如何产生的等问题。

这些问题将分成几个部分简要讲解。

一、 飞机的主要组成及功用
到目前为止，除了少数特殊形式的飞机外，大多数飞机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成，如图1所示。

1. 机翼——机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。

在机翼上一般安装有副翼和襟翼，操纵副翼可使飞机滚转，放下襟翼可使升力增大。

机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。

不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。

2. 机身——机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备，将飞机的其他部件如：机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。

3. 尾翼——尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。

水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。

垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。

尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。

4.起落装置——飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成，作用是起飞、着陆滑跑，地面滑行和停放时支掌飞机。

5.动力装置——动力装置主要用来产生拉力和推力，使飞机前进。

其次还可为飞机上的其他用电设备提供电源等。

现在飞机动力装置应用较广泛的有：航空活塞式发动机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。

除了发动机本身，动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。

飞机上除了这五个主要部分外，根据飞机操作和执行任务的需要，还装有各种仪表、通讯设备、领航设备、安全设备等其他设备。

图1 飞机的主要组成
第二节飞机的运动和操作
1、升降舵：可上下偏转，使飞机绕Y轴做俯仰运动（模拟飞行中由方向键上下控制）。

2、副翼：左右联动，左副翼向下偏，右侧则向上偏，反之亦然。

可让飞机绕X轴做滚转运动（模拟飞行中由方向键左右控制）。

3、方向舵：可左右偏转，使飞机绕Z轴运动（模拟飞行中用摇杆的Z轴控制，键盘使用小键区的ENTER和0键）。

一、飞机的运动
1、俯仰运动
1、升降舵的运动。

当按下键盘下键或将摇杆向后拉时，升降舵会向上运动。

反之则向下运动。

2、升降舵运动产生的俯仰运动：
这里仅举升降舵上偏的例子。

由于升降舵上偏，使气流对升降舵产生了垂直翼面向下的力，这个力产生了向下的力矩，使机尾以Y轴向下转动，同时也是机头向上转动。

由于迎角增大升力增大，所以在一定范围内，飞机会上升。

2、滚转运动：
1、副翼的运动
当按下键盘左键或向左偏转摇杆时，左侧副翼会上偏，右侧会下偏，反之亦然。

2、副翼产生的滚转运动
仅以左转为例。

当左侧副翼上偏时，会受到气流施加的向下的力，从而使左侧机翼绕X轴向下偏转，右侧机翼向上偏转。

又由于升力是垂直于翼面的（仅指Y方向上），所以升力产生了向左的分力，使飞机向左做圆周运动，这就是飞机转弯的原理（偏航纠正以后再说，呵呵）。

需要注意的是，在转弯时没有改变升力大小却产生了分力，所以升力在竖直方向上的分力减小，飞机可能会掉高度。

3、偏航运动
1、方向舵的运动
按住小键区O键或向左扭摇杆，方向舵就会左偏。

按住小键区ENTER键或向右扭摇杆就会向右偏。

2、由方向舵产生的偏航运动。

仅以方向舵左偏为例。

当方向舵左偏时，舵面受空气施加的向右后方的压力，此压力产生力矩，使机尾绕Z轴向右旋转，同时机头也向左旋转，由于速度方向未改变，所以飞机会发生偏航（也叫侧滑）。

这个动作在风中校正航向和转弯时使消除不正常偏航时使用，需注意的是该动作不是飞机转弯的主要成因。

还要注意的一点是，该动作也会造成一定程度的滚转。

由于偏航时，左侧机翼相对气流速度减慢，右侧机翼加快，造成两侧机翼不对称，所以飞机会发生滚转。

二、飞机的起飞和着陆
飞机的每次飞行，不论飞什么课目，也不论飞多高、飞多久，总是以起飞开始以着陆结束。

起飞和着陆是每次飞行中的两个重要环节。

所以，我们首先需要掌握好起飞和着陆的技术。

1、滑行
飞机不超过规定的速度，在地面所作的直线或曲线运动叫滑行。

对滑行的基本要求是：飞机平稳地开始滑行，滑行中保持好速度和方向，并使飞机能停止在预定的位置。

飞机从静止开始移动，拉力或推力必须大于最大静摩擦力，故飞机开始滑行时应适 当加大油门。

飞机开始移动后，摩擦力减小，则应酌量减小油门，以防加速太快，保持起滑平稳。

滑行中，如果要增大滑行速度，应柔和加大油门，使拉力或推力大于摩擦力，产生加速度，使速度增大，要减小滑行速度，则应收小油门，必要时，可使用刹车。

2、起飞
飞机从开始滑跑到离开地面，并升到一定高度的运动过程，叫做起飞。

起飞一般只分三个阶段，即起滑跑、离地和上升。

（一）起飞滑跑的目的是为了增大飞机的速度，直到获得离地速度。

拉力或推力愈大，剩余拉力或剩余推力也愈大，飞机增速就愈快。

起飞中，为尽快地增速，应把油门推到最大位置。

（1）抬前轮或抬尾轮。

抬前轮的时机不宜过早或过晚。

各型飞机抬前轮的速度均有其具体规定。

前轮抬起高度应正好保持飞机离地所需的迎角，前轮抬起过低，势必使迎角和升力系数过小，离地速度增大，滑跑距离增长，前轮抬起过高，滑跑距离虽可缩短，但因飞机阻力大，起飞距离将增长，而且迎角和升力系数过大，又势必造成大迎角小速度离地，离地后，飞机的安定住差操纵性也不好。

仰角过大，
还可能造成机尾擦地。

从既要 保证安全又要缩短滑跑距离的要求出发，各型飞机前轮抬起高度都有其具体规定。

飞行员可从飞机上的俯仰指示器或从机头与天地线的关系位置来判断前轮抬起的高度是否适当。

（2） 保持滑跑方向。

对螺旋桨飞机而言，起飞滑跑中引起飞机偏转的主要原因是螺旋桨的副作用。

起飞滑跑中，螺旋桨的反作用力矩力图使飞机向螺旋桨旋转的反方向倾斜，造成两 主轮对地面的作用力不等，从而使两主轮的摩擦力不等，两主轮摩擦力之差对重心形成偏转力矩。

为减轻螺旋桨副作用的影响，加油门和推拉驾驶杆的动作应柔和适当。

滑跑前段，因舵的效用差，一般可用偏转前轮和刹车的方法来保持滑跑方向。

滑跑后段应用舵来保持滑跑方向。

随着滑跑速度的不断增大，方向舵的效用不断提高，就应当回舵，以保持滑跑方向。

喷气飞机起飞滑跑方向容易保持，其原因是；一是喷气飞机都是前三点飞机， 而前三点飞机在滑跑中具有较好的方向安定住，二是没有螺旋桨副作用的影响，所以在加油门和抬前轮时，飞机不会产主偏转。

（二） 当速度增大到一定，升力稍大于重力，飞机即可离地。

离地时作用于飞机的力。

此时升力大于重力，拉力或推力大于阻力。

离地时的操纵动作，前三点飞机和后三点是不同的。

前三点飞机是因飞行员拉杆产生上仰操纵力矩，而使飞机作两点滑跑的。

随着滑跑速度 的增大、上仰力矩增大，迎角将会增大。

虽然飞行员不断向前推杆以保持两点滑跑姿态，但 原来的俯仰力矩平衡总是随速度的增大而不断 被破坏，在到达离地速度时，迎角仍会有自动增大的趋势。

所以，前三点飞机一般都是等其自动离地。

后三点飞机则不然，飞机到达离地速度时，一般都需带杆增大迎角而后离地。

这是因为后三点飞机在两点滑跑中，飞行员是前推杆，下偏升降舵来保持的，随着速度增大，下俯操纵力矩增大，将使迎角减小，飞行员虽不断带杆以保持两点滑跑，但在到达 离地速度时，迎角仍会有减小的趋势。

所以，必须向后带杆增大迎角飞机才能离地。

后三点飞机，正确掌握离地时机是很重要的。

离地过早或过晚，都将给飞行带来不利。

机轮离地后，机轮摩擦力消失，飞机有上仰趋势，应向前迎杆制止。

对螺旋桨飞机，机轮摩擦力矩也消失，飞机有向螺旋桨旋转方向偏转的趋势，应用舵制止。

（三）一段平飞或小角度上升。

对剩余拉力比较小的活塞式螺旋桨飞机，飞机离地还尚未达到所需的上升速度，故需作一段平飞或小角度上升来积累速度。

飞机离地后在12米高度向前迎杆，减小迎角，使飞机平飞加速或作小角度上升加速。

飞机刚离地时，不宜用较大的上升角上升。

上升角过大，这会影响飞机增速，甚至危及安全。

为了减小阻力，便于增速，飞机高地后，一般不低于5米高度收起落架。

收起落架 时机不可过早或过晚。

过早，飞机离地大近，如果飞机有下俯，就可能重新接地，危及 安全；过晚，速度大大，起落架产生的阻力很大，不易增速，还可能造成起落架收下好。

在一段平飞或小角度上升中，特别要防止出现坡度，因为这时飞行高度低，飞机如有坡度，就会向下侧滑而可能使飞机撞地。

因此发现飞机有坡度应及时纠正。

（四）当速度增加到规定时，应柔和带杆使飞机转入稳定上升，上升到规定高度起飞阶段结束。

3、着陆
飞机从一定高度下滑，井降落地面滑跑直至完全停止运动的整个过程，叫着陆。

与起飞相反，着陆是飞机高度下断降低、速度不断减小的运动过程。

飞机从一定高度作着陆下降时，发动机处于慢车工作状态，即一般采用带小油门下滑的方法下降。

飞行高度降低到接近地面时，必须在一定高度上开始后拉驾驶杆，使飞机由下滑转入平飘这就是所谓“拉平”。

机拉平后，飞机速度仍然较大，不能立即接地．需
要在离地0．5～1米高度上继续减小速度，这个拉平后继续减小速度的过程，就是平飘。

在这个过程中，随着飞行速度的不断减小，飞行员不断后拉驾驶杆以保持升力等于重力。

在离地0．15～0．25米时，将飞机拉成接地所需的迎角，升力稍小于重力，飞机轻柔飘落接地飞机接地后，还需要滑跑减速直至停止，这个滑跑减速过程就是着陆滑跑。

由上可见，飞机着陆过程一般可分为五个阶段：下滑段、拉平段、平飘段、接地和着陆滑跑段。

（一）拉平
拉平是飞机由下滑转入平飘的曲线运动过程，即飞机由下滑状态转入近似平飞状态的过程。

为完成这个过程，飞行员应拉杆增加迎角：使升力大于重力第一分力， 此两力之差为向心力，促进飞机向上作曲线运动，减小下滑角。

对某些飞机，因放襟翼后，上仰力矩较大，下滑中通常是向下顶杆以保持飞机的平衡，所以开始拉平时只需松杆，后再逐渐转为拉杆。

拉杆或松杆增大迎角，阻力也同时增大，且因下滑角不断减小，重力也跟着减小，所以阻力大于重力飞行速度不断减小。

可见飞机在拉平阶段中，下滑角和下滑速度都逐渐减小，同时高度不断降低。

飞行员应根据飞机的离地和下沉接近地面的情况，掌握好拉杆的分量和快慢，使之符合客观实际，才能做到正确的拉平。

如高度高、下沉慢、俯角小，拉杆的动作应适当慢一些；反之，高度低、下沉快、俯角大，拉杆的动作应适当快一些。

（二）平飘
飞机转入平飘后，在阻力的作用下，速度逐渐减小，升力不断降低。

为了使飞机升力与飞机重力近似相等，让飞机缓慢下沉接近地面，飞行员应相应不断地拉杆增大迎角，以提高升力。

在离地约0.15--0.25米的高度上将飞机拉成接地迎角姿态，同时速度减至接地速度，是飞机轻轻接地。

在平飘过程中，飞行员应根据飞机下沉和减速的情况相应地向后拉杆。

一般来说：在平飘前段，需要的拉杆量较少。

因为此时飞机的速度较大，在速度减小，升力减小时，只需稍稍拉杆增加少量的迎角，就能保持平飘所需的升力。

如拉杆量过多，会使升力突增，飞机将会飘起。

在平飘后段，需要的拉杆量较多。

因为此时飞机的速度较小，如拉杆量与前段相同，增加同样多迎角，升力增加小，飞机将迅速下沉；此外随着迎角的增大，阻力增大，飞机减速快，也将使飞机迅速下沉，因此只有多拉杆，迎角增加多一些，才能得到所需的升力，使飞机下沉缓慢。

总之，在平飘中，拉杆的时机、分量、和快慢，由飞机的速度和下沉情况来决定。

飞机速度大，下沉慢，拉杆的动作应慢些；反之，速度小，下沉快拉杆的动作应适当加快。

此外，为了使飞机平稳地按预定方向接地，在平飘过程中，还须注意用舵保持好方向。

如有倾斜，应立即以杆舵一致的动作修正。

因此时迎角大速度小，副翼效用差，姑应利用方向舵支援副翼，即向倾斜的反方向蹬舵，帮助副翼修正飞机的倾斜。

（三）接地
飞机在接地前会出现机头自动下俯的现象。

这是因为飞机在下沉过程中，迎角要增大，迎角安定力矩使机头下俯，另外由于飞机接近地面，地面的影响增强，下洗速度减小，水平有效迎角增大，产生向上的附加升力，对重心形成的力矩使机头下俯。

故在接地前，还要继续向后带杆，飞机才能保持好所需的接地姿态。

为减小接地速度和增大滑跑中阻力，以缩短着陆滑跑距离，接地时应有较大的迎角，故前三点飞机以两主轮接地，而后三点飞机以通常以三轮同时接地。

（四）着陆滑跑。