《飞行性能与计划》课程教学中学生理解及分析能力培养研究.pdf

2023 年 02 月 第 04 期 辽宁青年教育教学118飞行性能与计划课程教学中学生理解及分析能力培养研究陈昌荣党淑雯上海工程技术大学航空运输学院（飞行学院）上海 201620摘要：基于飞行技术专业人才培养特点及国际航线工作岗位需求，提高学生对知识的理解及分析能力极为重要。本文根据 飞行性能与计划课程教学特点，围绕如何有效提高飞行技术学生的基本概念理解能力和分析问题能力，结合教学案例总结了方法及举措。关键词：飞行技术专业，飞行性能，理解及分析能力引言飞行性能与计划是介绍飞机在起飞、爬升、巡航、下降、着陆等重要飞行阶段主要性能描述、影响因素、量化分析的一门面向飞行技术等航空类专业的基础课。课程根据人才培养特点，在教学内容的设计及教学实施过程中，结合飞行过程中的实际问题，注重学生理解与分析、以及应用实践能力的培养及提升。在能力培养方面的教学目标设定为：通过课程学习，使学生能够掌握飞机在不同飞行阶段描述、评价、分析飞行性能并制定相关飞行程序能力；具备结合飞行规章、原理、操纵、航行技术以及运行管理等专业知识解决飞行中的实际问题的能力。该课程采用中英文相结合的教学方式，主要参考教材包括不同机型手册及性能手册1-4。课程内容可归纳为基础知识、飞行性能、装载与配平、飞行计划四部分组成。基础知识教学内容由民航飞机空气动力学特性、涡扇发动机推力特性、民航飞机飞行高度范围内的大气特性组成；飞行性能教学内容由民航飞机的起飞性能、爬升性能、巡航性能、下降性能、进近着陆性能组成；装载与配平教学内容介绍填写波音737-800 飞机装载单和配平图表所需基础知识；飞行计划教学内容介绍制作飞行计划的基本方法。教学过程中，主要以三条主线开展，一是飞行各阶段的飞行性能定义、基本概念、民航规章相关规定；二是运用运动学和力学方法分析飞行各阶段的性能；三是结合飞机性能手册的图表确定飞行各阶段的性能。本课程内容与交通运输专业的飞机性能工程课程相近，区别在于飞机性能工程课程面向培养签派员、性能工程师、管制员 5,6，而飞行性能与计划课程面向培养民航飞行员，在理论公式的推演及具体分析要求虽不高，但要求学生具备理解、分析并解决问题的能力以应对解决实际工程问题。飞行性能与计划课程既要使学生掌握飞行性能相关基础知识，例如，用飞机性能手册图表确定最大起飞重量、最大着陆重量以及起飞操作速度 V1、VR、V2 等，还要使学生理解具体原理，故此，教学过程中，培养学生思维能力对于掌握专业知识、提高飞行技术有积极作用7。本文将以案例形式讨论如何在飞行性能与计划课程教学中提高学生的基本概念理解能力和分析问题能力，有关课程教学过程中对数学思维能力的培养讨论作者另有论述。1 基于知识理解能力培养下面以高度、声速的基本概念为例，阐述理论教学过程中如何引导学生积极查找相关知识，进而提高理解基本概念的能力。案例 1：高度的定义高度的定义在很多课程中，如：飞机系统、飞行原理、航空气象、及飞行性能与计划等课程中都涉及到。然而，学生对高度的理解存在许多错误。绝对高度、相对高度、真实高度、海拔高度、机场标高等等常令学生困惑。英文中高度可表达为 altitude、elevation、height，但实际应用中，他们含义不同，为了帮助学生理解高度的不同含义，教学过程中以问题为导向，从不安全飞行案例着手，引导学生通过查阅资料了解民航领域中不同高度的具体含义及用途，其中：航空英语表达中，“Altitude”本质上是某个平面与基准面之间的气压之差。这时的高度是指根据航空器所处位置与基准面之间气压差参照标准大气条件下换算出的高度值。当基准面取为标准海平面时，此时高度为标准气压高度；当基准面取为平均海平面时，高度为修正海压高度。“Elevation”这类高度是指航空器与平均海平面之间的几何距离，与气压、辽宁青年 2023 年 02 月 第 04 期 教育教学119温度、密度无关，用于表达山峰、城市、障碍物的高度，与海拔高度相对应。“Height”这类高度是指航空器与下方障碍物顶点或上表面之间的几何距离，即为飞机上无线电高度表所测量的高度。案例 2：影响声速的大气参数在教学内容导入过程中，对于这样的问题，如：“在民航飞机飞行高度范围内，三个大气参数（温度、气压、密度）中，哪一个参数影响空气中的声速？”学生普遍倾向于“密度”这一选项。并认定声速应随着空气密度的增大而增大，学生们通常认为：首先真空中的声速为零，所以声速必定与密度有关，应随着空气密度的增大而增大；其次，空气中的声速小于水中的声速，水中的声速小于金属中的声速，而空气、水、金属密度依次增大，所以声速随介质密度的增大而增大。此时，教师可以用声速作为案例，引导学生正确理解声速的概念。案例 3：有关国际标准大气条件 ISA 的理解鉴于大气参数（温度、密度、压力等）并不是稳定的，随季节和维度而不断变化，而飞机的飞行与大气数据有着密切关系，飞机的性能随大气的参数变化而改变。因此，必须有一个公共的标准，作为衡量比较飞机性能的依据，这就是国际标准大气（ISA）。在航空和流体动力学中，国际标准大气条件是指地球大气的压力、温度、密度以及粘度等流体参数随高度的标准变化的模型，它基于国际民用航空组织(ICAO)确定的中纬度地区的平均条件。一般规定，国际标准大气条件下，标准大气压为 1013.2hPa(29.92inHg,760mmHg)，气 温 为 15C，空 气 密 度为 0.125kgs2/m4，空 气 常 数 为 29.27m/C，对流层顶高为 11Km，大气温度垂直递减率为 0.65C/100m。而在实际飞行过程中，大气环境往往处于非 ISA条件下，大气属性（温度、压力、湿度、风向、风速等）对飞机飞行性能和飞行航迹也会产生不同程度的影响，所以在飞行性能分析过程中，要参照飞行性能手册对实际性能进行具体分析。案例 4：有关成本指数 CI 的理解成本指数（CI）是指飞机运营时的时间相关联成本与燃油消耗成本的比值，它的作用是反映出时间成本和燃油成本在航班中的相对重要性，并通过平衡这两者的关系选择最合适的飞行速度，成本指数的单位为“千克小时”。若飞行成本指数别较大，飞行速度会加快，但飞行时间减少，从而降低飞行时间成本。然而，由于燃油消耗增加，燃油费用也会增加，总成本不会最小化。反之，若成本指数偏小，则飞行速度减缓，燃油消耗下降，燃料费用减少，但飞行时间延长，增加飞行时间成本，总成本也无法最低化。故此，只有恰当选择成本指数，才能使飞行成本最小，提高商用飞机的经济性。2 分析问题能力培养什么是分析能力，分析能力是指把一件事情、一种现象、一个概念分成较简单的组成部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系单独进行剖析、分辨、观察和研究的一种能力。课程教学过程中，对于与实际应用关联度高的问题，更应注重互动式的教学氛围，引导学生一起分析问题，从而提高学生分析解决问题的能力。下面以波音737-800飞机防止起飞失速措施这一知识点为案例，探讨基于“问题为导向”，如何培养学生分析解决问题的能力。案例 5：起飞襟翼放出量由 5 增大到 10 时，场地长度限制的最大起飞重量为什么出现异常？波音 737-800 飞机起飞襟翼放出量由小到大有 5级：1、5、10、15、25。按正常规律，随着襟翼放出量的增大，场地长度限制的最大起飞重量逐渐增大、爬升梯度限制的最大起飞重量逐渐减小，从襟翼 1 到5、从襟翼 10 到 25 都遵从这一规律。然而，襟翼放出量由 5 增大到 10 出现异常，襟翼 10 对应的场地长度限制的最大起飞重量不但没增大，反而略微变小8。这说明在襟翼放出量由 5 增大到 10 过程中，除了后缘襟翼放出量增大之外，机翼构型还发生了其它变化。通过拓展对波音 737NG 飞机增升装置的讲述，学生掌握到在襟翼放出量由 5 增大到 10 过程中，前缘缝翼的状态改变了。且明确了襟翼放出量由 5 增大到 10 时，场地长度限制的最大起飞重量出现异常现象的原因是前缘缝翼由不开缝状态变成了开缝状态，前缘缝翼开缝降低了机翼升力，导致场地长度限制的最大起飞重量减小。襟翼放出量由 10 增大到 15 和 25 时，前缘襟翼和前缘缝翼的状态不变，后缘襟翼放出量的增大使机翼面积和弯度增大，升力和阻力变大、升阻比变小，所以场地长度限制的最大起飞重量增大，爬升梯度限制的最大起飞重量减小。案例 6：波音 737 为什么比其它波音机型和空客飞机易失速？2023 年 02 月 第 04 期 辽宁青年教育教学120该部分知识的讲授过程中，可先设定问题：波音737 飞机机翼存在什么设计缺陷导致其比其它机型易失速？事实上，与空客飞机和波音其它机型的机翼相比，波音 737 飞机机翼的一个明显特点是后缘襟翼复杂，但这不是波音 737 飞机易失速的原因，其主要原因则是起落架过短，这严重限制了发动机直径的增大，间接导致该机型易失速。早期的波音 737 飞机采用尽量短的起落架使机身距离地面较近，在条件较差的机场便于乘客上下飞机和装卸货物。波音 737 的涡喷发动机被涡扇发动机取代后，起落架短就由优点变成了缺点。为保证波音737 的发动机底部与地面之间的距离满足规定，一方面削平发动机底部，另一方面尽量向上抬高发动机，导致发动机顶部与机翼前缘持平。在迎角较大时，发动机顶部会干扰机翼上表面气流，带来失速隐患，这时就需要前缘缝翼开缝以防止失速的发生。通过上述分析，学生掌握了波音 737 飞机起飞时比其他机型易失速的原因：发动机顶部过高，根源是主起落架过短。案例 7：为什么不增加波音 737-800 飞机起落架长度？只要增加起落架长度，就可使波音 737-800 飞机的发动机顶部低于机翼前缘。请学生考虑问题：波音公司为什么不增加波音 737-800 的起落架长度？增加波音 737 飞机前起落架长度容易，困难在于主起落架的长度增加后会引起主起落架收起问题。波音 737 飞机主起落架的特点之一是主起落架舱没有舱门，主起落架收起后的状态与其他机型不同，主轮以水平状态维持机身下表面的流线型。若加长主起落架而又保证主轮能收入起落架舱，需要把主起落架沿翼展向外移动，而这需要重新设计机翼，在经济上不合适。通过上述分析，学生掌握了波音 737-800 飞机不能增加主起落架长度的原因是左右主起落架之间距离过小，起落架收起后的左右主轮之间的距离不允许增加主起落架长度。案例 8：如何在保证主轮能收起的前提下增加主起落架长度？当波音 737MAX 飞机连续两次发生起飞爬升时坠机事故后，根据事故分析结果可知波音 737MAX 飞机由于使用了比波音 737-800 飞机更大尺寸的发动机，不得不向前移动发动机并进一步抬高发动机，发动机上表面对机翼气流的影响更大，导致波音 737MAX 的失速隐患比波音 737-800 更大9-11。得知新型的波音737MAX10 飞机主起落架长度可伸缩 20 厘米，就让学生思考问题：如何增加主起落架长度而又确保主轮能收入起落架舱？让学生思考后再上网找答案，学生上网后给出答案：波音 B737MAX10 采用了可伸缩的主起落架，主起落架放下时伸长、收起时缩短，这样既可以保证飞机在地面时发动机与地面之间的距离满足要求，又可以保证起飞后主轮能收入起落架舱。4 总结本文主要围绕飞行性能与计划课程，阐述分析了如何坚持问题为导向，提高学生思维能力，主要是基本概念理解能力及分析解决问题能力的具体案例。一方面以高度、声速、国际标准大气条件、成本指数等概念为案例，讨论了如何让学生思维拓展来提高基本概念理解能力；另一方面通过波音 737-800 飞机预防起飞失速措施等案例的分析过程，讨论了如何以问题为导向，有效提高学生分析问题能力的措施及过程。参考文献1 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