李勇 馬震宇 韓非非 馬遙力 單晨晨

摘 ?要：重視學(xué)生的實踐教學(xué)、創(chuàng)新能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)，在航空航天工程專業(yè)的教育中有其重要的意義。文章以英國高地與島嶼大學(xué)航空工程專業(yè)與鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)作為一組對比研究對象，針對實踐教學(xué)方面兩者之間的異同，研究了航空發(fā)動機控制系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺在教學(xué)、科研中的作用，旨在解決航空動力專業(yè)相關(guān)課程實驗教學(xué)的不足，并為飛行器動力工程類本科人才培養(yǎng)提供示范和相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;虛擬仿真;實驗教學(xué)平臺;人才培養(yǎng);實踐教學(xué)

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）01-0005-04

Abstract： Attaching importance to students' practical teaching and the cultivation of innovative ability and literacy is of great significance in the education of aerospace engineering major. This study is done taking the Aeronautical Engineering major of British Highland and Island University and the Aircraft Power Engineering major of Zhengzhou University of Aeronautics as a group of comparative research objects. The paper studies the role of virtual simulation experiment teaching platform for aero-engine control system course in teaching and scientific research according to the similarities and differences between practical teaching and learning. The purpose of the study is to solve the deficiency of experimental teaching in related courses of aero-power major， and to provide demonstration and reference for undergraduate personnel training of aircraft power engineering.

Keywords： Aero-engine; virtual simulation; experimental teaching platform; talent training; practical teaching

一、問題的提出

高等教育國際化是經(jīng)濟全球化帶來的必然趨勢，中外合作辦學(xué)是我國高等教育國際化的重要途徑[1]。鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動機學(xué)院目前已經(jīng)與英國高地與島嶼大學(xué)成功開展了航空工程專業(yè)中外合作辦學(xué)項目，并已經(jīng)開始實施。作者也有幸參與了2017年鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院與國家留學(xué)基金委合作的“河南省青年骨干教師成班派出計劃”，于2017年11月至2018年2月在英國高地與島嶼大學(xué)進行了為期三個月的短期訪問學(xué)者學(xué)習(xí)。在英國期間，作者對于國外先進的教學(xué)理念和課程教學(xué)方法、教學(xué)手段感受很深，本文的研究得到了河南省高等學(xué)校重點科研項目（21A590003）與鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教育科學(xué)研究基金項目（Zhjy19-53）的支持。

當(dāng)今，以英、法、美、俄的航空航天技術(shù)最為領(lǐng)先，在這些國家航空航天工程教育在高等教育中有著非常重要的地位，航空航天工程專業(yè)幾乎已成為世界排名前列大學(xué)的必設(shè)專業(yè)[2]。英國航空航天工程教育主要反映出以下特點[3-4]：

1. 學(xué)制多樣。英國采用的是1年預(yù)科，加上3年正式的大學(xué)教育的學(xué)制，這與我國普遍采取4年制本科教育學(xué)制不同。

2. 面向工程。工程科學(xué)的許多知識和技能必須在動手的過程中才能掌握。在各種學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中強調(diào)在實踐中學(xué)習(xí)，在獨立或合作的課題研究中提高，是英國大學(xué)工程教育的一個顯著特色[5]。

3. 實踐性強。英國高等教育對課程中涉及的實驗課，授課教師一般不做講解和示范，而是由學(xué)生帶著實驗講義去實驗室，自己對著儀器摸索。相關(guān)授課教師或?qū)嶒炇业募夹g(shù)人員則在實驗室巡視，隨時回答學(xué)生提出的問題[6]。這與我國實驗課有著較大差異。

4. 產(chǎn)學(xué)合作緊密。英國開展航空專業(yè)教育的高等學(xué)校積極開展與整個歐洲范圍內(nèi)航空航天類企業(yè)的持續(xù)全面合作。相關(guān)大學(xué)的研究所或課題組已發(fā)展成歐洲航空航天研究領(lǐng)域中的一支重要的科研力量，也造就了一支科學(xué)技術(shù)研究和工程實踐兼?zhèn)涞慕處熽犖椤?/p>

目前，我國航空航天類工程教育還沿襲著過去的人才培養(yǎng)模式，存在著重學(xué)科體系、教學(xué)內(nèi)容陳舊、缺乏創(chuàng)新人才培養(yǎng)體制等現(xiàn)象，而工程教育的基本特征是“實踐性”和“綜合性”，目前國內(nèi)許多高校對此重視程度不足，課程體系建設(shè)、校企實習(xí)、產(chǎn)學(xué)研合作等還缺乏制度保障，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和意識還非常薄弱，教師教學(xué)的方式還有待與時俱進等。

為了適應(yīng)我國航空事業(yè)發(fā)展需求，以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力的綜合應(yīng)用型航空人才為目標(biāo)，堅持“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、創(chuàng)新實踐”的實驗教學(xué)理念，按照“虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，以民用航空渦扇發(fā)動機為對象，采用3D建模、原理動畫、虛擬現(xiàn)實人機交互等技術(shù)研制航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，已是相關(guān)本科類航空專業(yè)院校亟待提上日程的一項任務(wù)，以解決航空動力專業(yè)相關(guān)課程實驗教學(xué)的不足。

二、航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)必要性分析

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的商用化逐漸成熟，虛擬仿真已用于各行各業(yè)的方方面面。近年來，教育部印發(fā)《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，實施一流本科課程“雙萬計劃”，推動了建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的熱潮。

為解決綜合應(yīng)用型航空人才培養(yǎng)中的問題，實現(xiàn)國家培養(yǎng)卓越人才和創(chuàng)新人才的戰(zhàn)略目標(biāo)，有必要建設(shè)航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)拆裝和控制運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，其可以為飛行器動力工程專業(yè)提供多層次的虛擬教學(xué)實踐操作訓(xùn)練平臺。

建設(shè)航空發(fā)動機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺必要性主要有以下幾個因素：

1. 航空發(fā)動機實際工作原理難以理解。由于空氣和發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法看見，學(xué)生對發(fā)動機的組成及工作原理理解起來非常困難?？刂葡到y(tǒng)運行過程的數(shù)字信號，以及控制結(jié)果與氣動、機械的聯(lián)系均不可見，學(xué)生要了解發(fā)動機控制規(guī)律中的控制量與被控對象的關(guān)系是非常困難的。

2. 實物難以使用。航空發(fā)動機體積龐大，零部件眾多，裝配關(guān)系復(fù)雜，在講解發(fā)動機構(gòu)造時無法深入、細致、準確地對學(xué)生進行教學(xué)，而且新型航空發(fā)動機價格高昂，一般高校不具備采購條件，沒有足夠數(shù)量的實物發(fā)動機供學(xué)生使用學(xué)習(xí)。

3. 實驗成本高。開展航空發(fā)動機整機實驗所需的基礎(chǔ)設(shè)施以及相應(yīng)試車臺建設(shè)成本高，同時每次發(fā)動機試車實驗的使用費用和維護成本高昂，難以對大批量學(xué)生進行開放教學(xué)。

4. 實驗風(fēng)險大。航空發(fā)動機試車時轉(zhuǎn)速高、排氣溫度高，含有航空燃油、高壓交流電等危險因素，學(xué)生開展航空發(fā)動機地面點火試車條件難度大，危險性高。

5. 實驗難以實現(xiàn)。航空發(fā)動機的控制原理實驗需要在專業(yè)的實驗室才可點火試車，是在校園真實環(huán)境中無法開展的教學(xué)實驗。

6. 實驗設(shè)備落后于現(xiàn)役航空裝備。目前開展發(fā)動機相關(guān)試車實驗的發(fā)動機型號主要是退役的一些落后發(fā)動機，針對最新型的航空發(fā)動機，獲取實物非常困難。

綜上所述，建設(shè)航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺是學(xué)生所需，教學(xué)所用，時代必然。

三、航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺原理及功能

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包括四個模塊，航空發(fā)動機組成和航空發(fā)動機運行工作原理基本情況，航空發(fā)動機全權(quán)限數(shù)字式控制系統(tǒng)組成及原理學(xué)習(xí)，通過老師演示和學(xué)生自主學(xué)習(xí)，可進行航空發(fā)動機控制參數(shù)操作，進行航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)試車。

該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以CFM56大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機為對象，通過三維虛擬仿真方法設(shè)計航空發(fā)動機主要部件和控制系統(tǒng)軟件，構(gòu)建航空發(fā)動機虛擬仿真數(shù)字模型和控制器數(shù)字模型，當(dāng)輸入航空發(fā)動機實際工作的環(huán)境條件、飛行條件、調(diào)節(jié)控制參數(shù)變量的數(shù)據(jù)后，航空發(fā)動機仿真模型根據(jù)飛行高度、速度、環(huán)境溫度、燃油量，渦輪前燃氣溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、推力、耗油率等各物理參數(shù)，傳遞給電子控制器數(shù)字模型，電子控制器按照設(shè)定的控制規(guī)律計算出執(zhí)行機構(gòu)等指令，然后再傳遞執(zhí)行結(jié)果給發(fā)動機數(shù)字模型，從而形成發(fā)動機控制系統(tǒng)的全數(shù)字仿真閉環(huán)。

該平臺主要功能為：

1. 在知識獲取方面，增強學(xué)生理解航空發(fā)動機控制系統(tǒng)組成和工作原理，熟悉全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)零部件組成，了解發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律。理解發(fā)動機簡單工作原理，如壓氣機流量特性、燃燒室燃油燃燒、推力的產(chǎn)生和發(fā)動機在各飛行剖面的工作特性。

2. 在技能培養(yǎng)方面，增強學(xué)生理解渦扇發(fā)動機控制所需的環(huán)境參數(shù)、燃油消耗、推力的計算與各設(shè)計變量間的關(guān)系，可通過自由設(shè)定各種控制參數(shù)來改變系統(tǒng)的控制效果。

3. 在未來拓展方面，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)，為學(xué)生在未來從事航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計、使用、實驗等工作提供切身的感性認知和操作體悟。

4. 在教學(xué)效果方面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)航空發(fā)動機控制專業(yè)興趣，加深學(xué)生對課程重點、難點內(nèi)容的理解和掌握。

使用本航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺后，要求學(xué)生掌握以下知識和能力：

1. 深刻理解航空發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)組成和基本工作原理，理解大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機控制原理和工作特性。

2. 深刻理解發(fā)動機穩(wěn)態(tài)及過渡態(tài)的控制，具有對航空發(fā)動機運行包括起動、加速、減速、防喘、引氣輸出等過程的控制規(guī)律的參數(shù)設(shè)計能力。

3. 通過本教學(xué)實驗，使學(xué)生能親身體驗到發(fā)動機復(fù)雜的工作過程，掌握發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的整體概貌和機理。

4. 使學(xué)生養(yǎng)成反思解決問題的習(xí)慣，能夠讓學(xué)生對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計及故障診斷與排故等方面的能力得到提升。

在航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺中，學(xué)生通過對仿真軟件的操作，完成了對發(fā)動機控制試驗的原理、操作方法及各種問題處理方法的學(xué)習(xí)。

四、航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實驗方法與步驟

（一）實驗方法

1. 模型法

本平臺通過構(gòu)建三維模型的方法模擬發(fā)動機運行的實驗，訓(xùn)練并評價學(xué)生在模擬試車臺和環(huán)境中的操作。本平臺擬選擇民航CFM56大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機為基礎(chǔ)建設(shè)，搭建的是以真實發(fā)動機為藍本的完整建模。在第一視角下，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)航空發(fā)動機主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成、運行原理，通過鼠標(biāo)可以在實驗室進行虛擬現(xiàn)實漫游參觀學(xué)習(xí)及操作，并可對發(fā)動機進行360度全方位觀察學(xué)習(xí)。

2. 數(shù)字法

本平臺通過構(gòu)建渦扇發(fā)動機數(shù)字模型，通過輸入發(fā)動機運行參數(shù)計算輸出發(fā)動機的工作參數(shù)變化，反映發(fā)動機受外部參數(shù)改變而相應(yīng)產(chǎn)生的真實運行過程;同時也構(gòu)建了全權(quán)限數(shù)字電子航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過模擬飛行員的操作指令、發(fā)動機參數(shù)及外界參數(shù)，由模型計算后，輸出操作各附件執(zhí)行機構(gòu)動作，改變發(fā)動機模型輸入?yún)?shù)，進而控制發(fā)動機運轉(zhuǎn);最終實現(xiàn)發(fā)動機控制系統(tǒng)的全數(shù)字化仿真。學(xué)生可自由設(shè)計控制器控制規(guī)律的輸入?yún)?shù)，仿真驗證參數(shù)的改變對發(fā)動機控制系統(tǒng)的影響。

3. 情景法

本平臺可以為學(xué)生提供與航空發(fā)動機全面交互的虛擬環(huán)境。學(xué)生在虛擬的環(huán)境中，可立體、生動地感知航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)，自由調(diào)整發(fā)動機控制規(guī)律參數(shù)，自主參與航空發(fā)動機控制系統(tǒng)試車臺實驗操作。學(xué)生沉浸其中。進行實驗時，系統(tǒng)具有步驟提示與糾錯功能，允許學(xué)生不斷“試錯”;系統(tǒng)也會對學(xué)生的整個操作過程進行記錄和評分，可真實反映學(xué)生對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗的理解和掌握程度。

（二）航空發(fā)動機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實驗主要步驟

步驟1：航空發(fā)動機組成結(jié)構(gòu)認知。在軟件虛擬場景中選擇航空發(fā)動機演示，場景切換到CFM56大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，認知各部件結(jié)構(gòu)，側(cè)面顯示部件參數(shù)說明，通過鼠標(biāo)可以對整機和部件進行放大縮小及多角度深入仔細觀察。

步驟2：航空發(fā)動機控制系統(tǒng)組成認知。在軟件發(fā)動機場景中選擇發(fā)動機控制系統(tǒng)演示，通過列表選擇電子控制器、燃油、滑油、供氣及冷卻、起動與點火、排氣及反推、操縱及指示等子菜單，虛擬現(xiàn)實場景中，高亮顯示相關(guān)子附件外觀，并配以講解動畫說明附件工作原理，并有窗口顯示附件功能說明。

步驟3：航空發(fā)動機運行原理演示。虛擬仿真軟件通過流線、粒子、色差展示氣流在發(fā)動機整機和部件內(nèi)部的流動情況，刻畫氣流在發(fā)動機內(nèi)部細節(jié)，可全視角自由旋轉(zhuǎn)和縮放觀察，感性認知航空發(fā)動機各部件內(nèi)復(fù)雜流動的氣流;并通過界面控件調(diào)節(jié)可調(diào)靜子葉片改變流入發(fā)動機氣流對發(fā)動機運行的影響演示。

步驟4：航空發(fā)動機控制系統(tǒng)變量參數(shù)設(shè)計。虛擬仿真軟件打開發(fā)動機參數(shù)設(shè)計界面，可依照實驗規(guī)程，更改發(fā)動機運行環(huán)境參數(shù)和附件控制及響應(yīng)參數(shù)，然后再運行控制器進行控制驗證，學(xué)生可熟悉發(fā)動機各項輸入?yún)?shù)對其運行的影響。

步驟5：熟悉航空發(fā)動機操作系統(tǒng)。虛擬仿真軟件模擬駕駛艙頁面，提供直觀的模擬油門手柄、發(fā)動機參數(shù)指示系統(tǒng)，學(xué)生可直觀辨認及體驗操作真實飛機的發(fā)動機運轉(zhuǎn)控制過程。

步驟6：航空發(fā)動機組成與控制系統(tǒng)工作原理考核。當(dāng)學(xué)生完成航空發(fā)動機組裝和控制系統(tǒng)原理框圖查看與操作后，可以在此步驟進行控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)及設(shè)計驗證，在離開本模塊前完成理論知識點考核，測試結(jié)果通過后臺記錄，作為最終考核成績的一部分。

步驟7：航空發(fā)動機試車參數(shù)變量。在軟件中熟悉控制系統(tǒng)在虛擬飛機操作面板位置，查看各個軟件的功能及操作方法。

步驟8：航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)試車方案制定，開始實驗操作前制定實驗方案，選定預(yù)先設(shè)定實驗流程，然后學(xué)生任意選定參數(shù)，確定方案后進入實驗操作。

步驟9：起動發(fā)動機，在虛擬飛機操作面板上給發(fā)動機控制器上電，通過油門手柄起動發(fā)動機到慢車狀態(tài)，在發(fā)動機參數(shù)測量系統(tǒng)界面觀察發(fā)動機主要參數(shù)變化，若有異常給出警告，并分析故障原因。

步驟10：航空發(fā)動機參數(shù)測量，按試車規(guī)程進行試車，改變油門手柄角度，推油門至發(fā)動機額定狀態(tài)，穩(wěn)定運行2分鐘;然后收油門至發(fā)動機慢車狀態(tài)，穩(wěn)定運行2分鐘，推油門到最大位置，記錄該狀態(tài)的各項參數(shù)。觀察發(fā)動機參數(shù)變化規(guī)律，如果異常，暫停實驗，進行故障查找和排除。

步驟11：關(guān)閉航空發(fā)動機實驗，將油門手柄收到停車位置，發(fā)動機停止轉(zhuǎn)動。實驗結(jié)束后斷電，恢復(fù)實驗臺狀態(tài)。整理數(shù)據(jù)，獲得航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)試車數(shù)據(jù)曲線。

五、結(jié)論

據(jù)行業(yè)分析，航空航天類專業(yè)近三年來有大量虛擬仿真實驗室立項建設(shè)。現(xiàn)在已通過國家鑒定且發(fā)布到國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺上的相關(guān)項目有34個，其中有5個與航空發(fā)動機相關(guān)，講解航空發(fā)動機原理的有2個，并且其都是以老舊小型渦噴發(fā)動機為原型，并以發(fā)動機裝配和試車實驗為主?，F(xiàn)有航空發(fā)動機實驗室的功能單一且脫離實際，建設(shè)數(shù)量較少，無法滿足日益增長的學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

本平臺是以商用CFM56大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機為原型，學(xué)生在理解發(fā)動機部件組成的基礎(chǔ)上，以學(xué)習(xí)航空發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)字仿真為核心，驅(qū)動三維模型動畫進行原理演示，更適合航空類飛行器動力工程專業(yè)教學(xué)使用（見表1）。

通過借鑒英國高地與島嶼大學(xué)的航空工程專業(yè)教育人才培養(yǎng)模式和特色課程建設(shè)，構(gòu)建合理的課程教學(xué)體系，注重實踐教學(xué)與綜合化訓(xùn)練課程建設(shè)，提出開發(fā)有效的航空發(fā)動機控制系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)，將為鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院其他學(xué)院和相關(guān)主管部門提供借鑒和參考。

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