飞行操纵理论与技术课程设计和教学方法探讨

摘  要：飞行技术专业是一个综合性、跨学科的高技术应用型专业，其主要任务是为航空运输业培养飞行员。对于飞行技术专业学员来说飞行原理2一直没有一个明确的课名，导致该课程教授的内容边界模糊，同等院校的培养方案各异，进而导致该课程的授课目的不明确，取得的效果也不同。该文提出将飞行原理2命名为飞行操纵理论与技术课程的提议，将课程的重点从飞机飞行原理转变到飞行操纵理论上，从飞机飞行力学基础到飞行操纵技术理论，形成连贯的飞行技能知识体系，直接对接航校实际飞行训练，为实际航校飞行训练提供前期理论指导。该文依据飞行学员在理论学习阶段的实际需求，研究该课程建设的整体思路和模块设计，并给出预期结果。

关键词：飞行原理;飞行操纵;理论与技术;课程设计;教学方法

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）03-0047-05

Abstract： Flight technology major is a comprehensive and interdisciplinary high-tech application oriented major， with the main task of cultivating pilots for the aviation transportation industry. For flight technology students， "Flight Principles 2" has not had a clear course name， resulting in the blurring of the boundaries of the content taught by the course， and the training programs of the same colleges are different. This paper gives the proposal to name "Flight Principle 2" as "Flight Control Theory and Technology"， the course main content is transferring from flight principle to flight manipulation theory， forming a coherent flight skill knowledge system， which directly docking with the actual flight training of aviation schools， and suitable for flight students to use in the theoretical learning stage， then provide preliminary theoretical guidance for the actual aviation school flight training. According to the actual needs of the flight students， the paper studies the overall idea of the course construction and module design examples， and gives the expected results.

Keywords： flight principle; flight manipulation; theory and technology; course design; teaching methods

目前我国民航飞行员的来源主要有两种渠道：一是高考直接录用的飞行技术专业本科学生;二是社会招聘的非飞行技术专业的本科毕业生，进入航校学习的学员。通常飞行学员的培养分为四个阶段：理论学习阶段、航校飞行训练阶段、换照考试阶段及岗前培训阶段。飞行原理[1-2]课程是飞行技术专业一门很重要的专业基础课，课程通常分为飞行原理1和飞行原理2两个模块，飞行原理1课程模块研究内容明确，就是围绕空气动力学基础教学，我国“三航”院校（南京航空航天大学、北京航空航天大学和西北工业大学）也开设该方面课程，称为空气动力学课程;而飞行原理2课程模块通常包括飞机飞行性能、飞机的稳定性和操纵性，以及飞机在常规和特殊条件下的操纵技术。该课程内容对应在“三航”院校的开课名为飞行力学，或者分为两部分飞行性能和飞行品质[3-4]。然而针对于飞行性能部分，飞行技术专业学生不涉及过多的理论计算分析;对于飞行品质部分，飞行技术专业不考虑飞机的动力学分析部分。对于飞行技术专业同学来说，飞行原理2一直没有一个明确的课名，导致该课程教授内容的边界模糊和同等院校的培养方案各异[5-7]，各院校的学生到同一试飞场地训练时的知识储备是不同的，降低航校飞行培训的效率，拖延了训练时间。

同时，为了满足现代飞行员的培养需求，飞行技术专业需要添加和更新一些知识模块，例如“飞机气动、动力和起落架布局的新知识”[8]“飞机自动驾驶仪的权限分析”[9-11]和“近期飞行空中失控案例分析”[12-15]等。虽然飞机气动、动力和起落架布局部分在大一的飞机系统课程里面有涉及，但该课程以初步认知为目的，课堂上不涉及原理分析，不足以作为飞行操纵理论与技术课程的理论基础;“飞机自动驾驶仪的权限分析”该模块目前没有理论课程涉及，甚至飞行员的飞行手册上对该部分的原理讲解得也不多，人机操纵的矛盾、人机对抗冲突是否解决是目前飞行事故的主要原因;“飞行空中失控案例分析模块”该部分内容会有教师进行事故分析，然而飞行案例范围宽泛，这里更应该强调的是与飞行员操纵和自动驾驶飞行相关的专题案例。基于此，本文提出将飞行技术专业基础课飞行原理2命名为飞行操纵理论与技术[16]的设想，并就后续课程建设给出思考。

一  飞行操纵理论与技术课程的建设内容

飞行操纵理论与技术基础课程应该以学生需求为中心，根据学生需求和教学要求，将主要内容分为：基本飞行原理知识、飞机的稳定性和操纵性、飞行的基本原理与操纵技巧、自动飞行控制系统模块与空中飞行失控案例分析五个部分。每部分又分成若干知识点，知识点在各个模块之间是串联的。

（一）  典型模块建设

飞行操纵理论与技术是在基本空气动力学基础上，分析了飞机的飞行性能、稳定性和操纵性，进而阐述了飞行操纵理论与技术相关的各方面知识。其四部分细化的模块包括飞行环境和飞机布局;飞机稳态飞行、机动飞行、起飞和着陆的性能;飞机纵向、横向和航向的稳定性和操纵性;飞机在常规和特殊条件下的操纵技术特征;飞机自动配平、自动驾驶仪和包线保护功能;飞行空中失控案例分析。整体模块规划如图1所示。

与传统的飞行原理2课程相比，本课程主要添加的模块为基本飞行原理知识模块、自动飞行控制系统模块、飞行控制失控案例分析模块，如图1所示。基本飞行原理模块从大气环境、气动布局、起落架布局、外力和状态描述几部分，给学员奠定飞机的整体概念和理论分析基础;自动化的飞机有效地避免了如飞机相撞、失控等事故。但飞行管理计算机的使用带来了新的工作方式，引入了新的人机关系和人机界面，因此添加了自动飞行控制系统和相关案例分析章节，提升学生对人工操纵与自动驾驶之间的权限意识;通过实际飞行操纵引起的空中失控案例进行分析，提高飞行学员的安全意识，增强对飞行操纵知识的融合贯通能力，培养学生的社会责任感。

（二）  关键知识点串联

课程讲述了与飞机飞行操纵相关的普遍规律，并给出理论分析过程，由于没有实际上机过程，许多术语比较抽象，需要通过图表展示，让课程知识点连贯一致，由浅入深，呈递进关系，有助于学生的理解和运用。另外，可以采用纵向对比和横向对比的方法加深知识点的理解。

例如本课程在大的层次方面同步对比分析了大型喷气式飞机和小型螺旋桨飞机的动力特性、飞行性能，以及操纵特点，使概念分类清晰，结论所属明确;同时课程对于不同飞机类型、不同飞行条件、不同飞行阶段给予细化，将概念理解贯穿于整个飞行性能、稳定性和操纵性的理论分析过程中，并在飞行操纵技术阶段得以验证。教学案例如下：图2给出了不同类型飞机的动力特性的区别;图3给出稳态飞行不同阶段的性能参数的比较;图4给出了横侧向交叉力矩产生的原因和分析。图3、图4中：在每一个平飞速度点，发动机所能提供的推力TA与平飞所需推力TR之间存在最大推力差，称为最大剩余推力ΔT。发动机所能提供的功率PA与平飞所需功率PR之间存在最大功率差，称为最大剩余功率ΔPmax。对于喷气式飞机，最大剩余推力ΔTmax所对应的速度取在平飞最小阻力点C的速度VminD，最大剩余功率ΔPmax 所对应的速度要大于平飞最小阻力点速度;对于螺旋桨飞机，最大剩余推力所对应的速度近似地取在平飞最小功率点B的速度VminP，最大剩余功率所对应的速度点取在平飞最小阻力点速度VminD。对应各高度上的可用推力TA曲线和平飞所需推力TR曲线在右方交点的速度为推力约束下的最大平飞速度Vmax1;可用功率曲线和平飞所需功率曲线在右方交点的速度为功率约束下的最大平飞速度Vmax2，两者取最小值即为飞机的最大平飞速度Vmax=min{Vmax1，Vmax2}。平飞推力曲线上还可以找到在最大可用升力系数下，满足升重平衡的最小平飞速度Vmin。

通过图2至图4可见，重要的知识点都是耦合多因素的，可以纵观整个课程给予细化分析，并成为线索：例如风对起飞、爬升、巡航、下滑和着陆的影响;飞行操纵理论与技术中哪些地方强调迎角、侧滑角和速度及其原因;机翼和尾翼作用的两面性;表征状态的各个角度变量之间的关系;不同运动模态的相互关联;课程哪些地方把特性曲线近似呈直线等等，任何一个围绕知识点的总结都会串联整个课程，让学生重新复习一次，并加深对新知识点的理解。

（三）  课内实验科目建设

飞行操纵理论与技术课内实验不同于后期的模拟飞行试验和飞行训练，需要在该阶段对飞机重要的特性有更深刻的认识，是整个课程的升华。因此选择该课程的最难点——飞机的动稳定性和飞行模态进行研究，运动稳定性是飞机本身的属性，了解运动稳定性对飞行员操纵飞机有很重要的意义。课内实验采用计算机语言Matlab编程的方式实现，如图5所示。通过简单、易懂的计算机语言编程，能够培养学生的参数分析能力，获得飞机稳定性的数值模拟，如图6和图7所示，通过飞机参数改变和飞行条件改变，直观地获得飞机的纵向长、短周期模态和横侧向螺旋不稳定和荷兰滚模态，增强学员对飞机物理特性的深刻理解，为后续螺旋改出和荷兰滚抑制操纵提供理论依据。图6、图7中，u为飞机的纵向速度，w为飞机的速度，θ、ϕ和ψ分别为飞机的俯仰角、滚转角（坡度）和偏航角，β为飞机的侧滑角。

（四）  课程思政建设体系的形成

在教学思政方面，无论在问题引入，知识讲解，实际应用，还是答疑环节，飞行力学基础课程都润物细无声地恰当地融入了航空报国的元素，更是引用习近平总书记考察西藏林芝机场、C919终试飞的新闻凸显了航空产业的重要性，将学生对专业课的学习跟关键技术的解决与民族产业的振兴紧密地联系起来，培养了学生的家国情怀，增强了航空人的责任感和自信心。

课程思政教学不仅仅局限于课堂理论的讲授，更要针对理论联系实际的问题进行解决。课程考核的重要部分并不是书后的计算题，而是考核每个人在理解飞行力学知识点时所掌握的分析问题、解决问题的能力。

飞行操纵理论与技术课程要让每个学生都可以上讲台讲解他们对知识点的课堂理解和进一步认知，如图8所示。学生上课分享的内容既是专业课，又是必备的职业技能。学习本课程的最终目的是掌握飞行各阶段的基本操纵方法，具备应对突发情况的处理能力。