王 輝， 魏志民， 郭 慶， 趙洪利

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300)

0 引言

對航線維護學(xué)員培訓(xùn)過程中，如果采用實裝對學(xué)員進行訓(xùn)練，不僅對裝備的損傷程度大，維修成本高，耗時長，而且在有限的裝備上進行訓(xùn)練還存在著許多困難，不能滿足大量人員的訓(xùn)練［1-2］。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，通過仿真工具軟件制作交互性的飛機座艙儀表模擬顯示系統(tǒng)是提高航線維修人員訓(xùn)練效率，增強訓(xùn)練效果的有效方法［3-4］。

目前，用于仿真的虛擬航空儀表生成工具很多，如加拿大VPZ(Virtual Prototypes)公司的VAPS儀表生成工具，美國GMS(Global Majic Software)研制的可運行于Win95或NT環(huán)境的航空儀表控件，美國Centric軟件公司的視景仿真軟件Coryphaeus的 DWB(Designer’s Workbench)模塊具有制作帶紋理的三維儀表和HUD，并實現(xiàn)驅(qū)動的能力。以上的虛擬航空儀表生成工具使用起來都比較方便，而且逼真度較好，缺點是軟件的用戶接口不佳，如VAPS不遵循Windows用戶習(xí)慣，而有些則需要在SGI工作站的環(huán)境下才能運行［5］。傳統(tǒng)所采用的以 Visua1 C++6.0為開發(fā)平臺，調(diào)用三維圖形庫openGL實現(xiàn)虛擬儀表顯示和驅(qū)動的方法，雖然開發(fā)成本低且移植性較強，但開發(fā)難度大，開發(fā)周期長。本文采用NI公司虛擬儀器軟件LabVIEW作為虛擬儀表開發(fā)平臺［6］。利用LabVIEW強大的控件擴展功能及直觀、高效的程序編寫功能，實現(xiàn)了對B737NG飛機發(fā)動機啟動點火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。

1 啟動點火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)功能模塊概述

系統(tǒng)功能主要包括B737NG飛機發(fā)動機啟動點火裝置虛擬仿真模塊及故障模擬模塊。啟動點火裝置虛擬仿真模塊又可分為發(fā)動機顯示系統(tǒng)構(gòu)建、啟動點火控制系統(tǒng)構(gòu)建及QAR數(shù)據(jù)處理等部分。

1.2 啟動點火裝置虛擬仿真模塊

1.2.1 CFM56-7B發(fā)動機啟動點火過程概述

首先，將座艙P5前頂板上的啟動控制電門置于“GRD”位，CDS/DEU(公共顯示系統(tǒng)/顯示電子組件)控制SAV(啟動空氣活門)電磁閥通電，導(dǎo)入氣體壓力將SAV打開。來自于氣源系統(tǒng)壓力空氣將通過SAV送到啟動機。啟動機轉(zhuǎn)動進而驅(qū)動發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)子(N2轉(zhuǎn)子)加速。當(dāng)觀察到 N2轉(zhuǎn)速上升到25%以上，或N2轉(zhuǎn)速到達其最大冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(指 N2在5 s之內(nèi)的上升小于5%)時，將發(fā)動機的啟動手柄上提至慢車位。EEC將控制點火電嘴點火，并向燃燒室供油。當(dāng)燃燒室點火成功以后，渦輪發(fā)出功率將與啟動機一起帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達到55%時，啟動機與發(fā)動機自動脫開，CDS/DEU控制 SAV電磁閥斷電，SAV關(guān)閉，啟動機慢慢停轉(zhuǎn)。自此以后，發(fā)動機轉(zhuǎn)子的加速僅是由于渦輪產(chǎn)生的功率大于壓氣機所消耗的功率，它將帶動發(fā)動機的轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直到發(fā)動機穩(wěn)定工作在慢車轉(zhuǎn)速［7-8］。

1.2.2 發(fā)動機顯示系統(tǒng)構(gòu)建

發(fā)動機儀表顯示系統(tǒng)開發(fā)工作主要集中在虛擬儀表的外觀指針，滾動顯示數(shù)據(jù)條，警告等設(shè)計與制作，通訊接口的開發(fā)以及驅(qū)動三方面，虛擬儀表界面是虛擬儀表制作的主要工作，其界面的逼真度是影響虛擬儀表系統(tǒng)真實感的主要因素［9］。CFM56-7B發(fā)動機顯示系統(tǒng)包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)，機載振動監(jiān)控指示系統(tǒng)等［10］。利用LabVIEW自身帶有的控件庫，通過修改控件相關(guān)屬性實現(xiàn)對低壓轉(zhuǎn)子(N1)轉(zhuǎn)速指示儀表及滑油壓力(QIL P)指示儀表的制作，如圖1、2所示。

圖1 N1轉(zhuǎn)速指示儀表

圖2 QIL P指示儀表

參照真實B737NG飛機發(fā)動機儀表顯示系統(tǒng)，并對其他儀表采用類似方法進行制作，完成后得到直觀、逼真的虛擬儀表顯示系統(tǒng)。

1.2.3 發(fā)動機啟動點火控制系統(tǒng)構(gòu)建

雖然LabVIEW提供了功能豐富的控件庫，但由于發(fā)動機控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度很高，LabVIEW自身所帶有的控件依然很難滿足要求。然而LabVIEW強大的控件擴展功能讓這一問題得以解決。LabVIEW可作為ActiveX客戶端，訪問與其他ActiveX應(yīng)用程序相關(guān)的對象、屬性、方法和事件;也可以作為ActiveX服務(wù)器，因此其它應(yīng)用程序可以訪問LabVIEW對象、屬性和方法［11］。LabVIEW自身帶有ActiveX控件庫，用戶可以調(diào)用庫中的ActiveX控件，如果庫中的控件依然無法滿足要求，用戶則可以通過利用VC或VB制作滿足設(shè)計要求的 ActiveX控件，編譯完成后注冊到LabVIEW控件庫中再進行調(diào)用。本控制系統(tǒng)中所需的點火選擇電門及啟動控制電門均需重新設(shè)計開發(fā)。

筆者采用VC++6.0中的MFC類對ActiveX開關(guān)控件進行設(shè)計開發(fā)。MFC在VC++環(huán)境中增加了自動生成對話框和自動代碼發(fā)生器，使ActiveX編程變得更簡單、更便捷［12］。以啟動控制電門(switch)為例，設(shè)計過程如圖3所示［13］。

圖3 VC開發(fā)ActiveX開關(guān)控件過程

將設(shè)計完成的點火選擇電門及啟動控制電門ActiveX控件注冊到計算機后，可在 LabVIEW的ActiveX庫中找到，通過編程即可進行調(diào)用。

1.2.4 QAR 數(shù)據(jù)處理及加載

QAR(Quick Access Recorder)是目前國內(nèi)外航空公司應(yīng)用最廣泛的快速存取記錄裝置，QAR數(shù)據(jù)記錄的種類繁多，已經(jīng)涵蓋了民航飛行的方方面面。本文中的仿真數(shù)據(jù)取自B737NG飛機發(fā)動機啟動點火過程的QAR數(shù)據(jù)。由于QAR數(shù)據(jù)不支持直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析，所以在應(yīng)用時需要對其進行譯碼，經(jīng)過譯碼后的QAR數(shù)據(jù)主要存儲形式為CSV(Comma Separated Variables)文件。CSV是一種用于存儲數(shù)據(jù)的純文本文件格式，可利用記事本或 EXCEL打開［14-15］。本文中獲取的發(fā)動機啟動點火過程QAR數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼、優(yōu)化處理后以 Excel表格形式存儲。圖4為利用LabVIEW編程實現(xiàn)對低壓轉(zhuǎn)子N1及高壓轉(zhuǎn)子N2轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的加載。

圖4 N1/N2轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)讀取程序框圖

1.2.5 啟動手柄的仿真制作

為實現(xiàn)對發(fā)動機啟動手柄的仿真，首先要通過對真實飛機上的啟動手柄進行拍照以獲取紋理，并把紋理處理成LabVIEW所支持的格式。使用圖形編輯軟件對紋理圖片進行處理后導(dǎo)入LabVIEW備用。發(fā)動機啟動點火過程中，當(dāng)N2達到25%時，需要上提啟動手柄到IDLE位，以達到正常啟動目的。為了實現(xiàn)此動作需要對LabVIEW基本控件進行定義，通過修改相關(guān)屬性結(jié)合界面修飾技巧，最終實現(xiàn)啟動手柄的制作。

1.3 故障模擬模塊示例

航線維護人員在對發(fā)動機進行試車過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)動機不能正常啟動的現(xiàn)象，如啟動懸掛、熱啟動、啟動自動切除等。這些現(xiàn)象的形成可能因為發(fā)動機內(nèi)部故障造成，也可能是由于維護人員操作不當(dāng)造成，那么將可能給航空公司帶來不必要的經(jīng)濟損失。本文以由于人為錯誤操作導(dǎo)致的發(fā)動機啟動懸掛為例，通過編程實現(xiàn)故障模擬并給出正確的操作規(guī)范，從而達到強化學(xué)員訓(xùn)練的目的。主要程序框圖如圖5所示。

圖5 啟動懸掛故障模擬程序框圖

主要模擬過程為，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速未達到25%或最大冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時上提啟動手柄，導(dǎo)致發(fā)動機啟動點火以后，轉(zhuǎn)速上升緩慢(對 CFM56-7B發(fā)動機來講，從 SAV打開到發(fā)動機穩(wěn)定工作在慢車的正常時間應(yīng)小于 2 min)，最后停滯在低于慢車的轉(zhuǎn)速［16］。故障模擬結(jié)束時給出了正確的操作規(guī)范。

2 CFM56-7B發(fā)動機啟動點火裝置仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

構(gòu)建完成的CFM56-7B發(fā)動機啟動點火裝置訓(xùn)練系統(tǒng)界面如圖6所示。

通過對系統(tǒng)的實際應(yīng)用可以提高航線維護學(xué)員的訓(xùn)練效率，減少由于人為操作失誤而導(dǎo)致的航班延誤及其他不利后果。

圖6 發(fā)動機啟動點火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)界面

3 結(jié)語

實踐表明，基于LabVIEW來實現(xiàn)某些航空裝置的虛擬仿真切實可行，其強大的外部設(shè)備接口及對ActiveX的良好支持，使設(shè)計完成的系統(tǒng)具有優(yōu)越的擴展性。相信通過實際的應(yīng)用和對程序的優(yōu)化擴展，系統(tǒng)將在未來的航空人員培訓(xùn)中產(chǎn)生更大的作用。

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