熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

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基于虛擬現(xiàn)實的《航空發(fā)動機(jī)試車技術(shù)》課程改革探索與實踐

熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

針對《航空發(fā)動機(jī)試車技術(shù)》課程的原理抽象難懂、教學(xué)模式理實交互性弱、組織實施難度大等問題，文章引入先進(jìn)計算機(jī)技術(shù),提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課程改革建設(shè)方法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實的發(fā)動機(jī)模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)。最后，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的“靜態(tài)誤差”的實例驗證了該發(fā)動機(jī)模擬試車平臺的可行性、正確性和實用性,也表明該方法不僅能提高課程組織實施能力，而且為學(xué)生創(chuàng)建了身臨發(fā)動機(jī)試車現(xiàn)場的逼真學(xué)習(xí)情景。

課程改革；虛擬現(xiàn)實；發(fā)動機(jī)試車；人機(jī)交互；界面

一、引言

《航空發(fā)動機(jī)試車技術(shù)》課程不僅涉及到復(fù)雜的系統(tǒng)組成、抽象的工作原理、多變的性能參數(shù)調(diào)整等理論知識，更是將所學(xué)理論知識在實際的試車過程中得到充分應(yīng)用和鞏固，培養(yǎng)學(xué)生能在規(guī)定的時間內(nèi)對航空發(fā)動機(jī)試車過程進(jìn)行正確地學(xué)習(xí)理解，達(dá)到對發(fā)動機(jī)一般性故障的分析判斷能力，相應(yīng)制定出故障排除方案，實施故障排除。該課程具有如下特點：內(nèi)容復(fù)雜抽象性、教學(xué)模式理實交互性、課程體系動態(tài)實效性。

但受制于原有體制的束縛、航空發(fā)動機(jī)試車生產(chǎn)現(xiàn)場的特殊性、實訓(xùn)基地設(shè)備的嚴(yán)重滯后不足等因素影響，目前教學(xué)過程中仍然存在空洞抽象的教學(xué)內(nèi)容、理論與實踐的割裂、脫離企業(yè)真實工作情境的教學(xué)環(huán)境等現(xiàn)象，以至于任務(wù)驅(qū)動和工學(xué)結(jié)合的教學(xué)方法難以實施，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、問題意識和創(chuàng)新意識，難以滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的實踐需求、無法保證教學(xué)質(zhì)量，也不能滿足企業(yè)對高素質(zhì)技能型人才的需求[1]。

基于以上該課程特點和目前實際教學(xué)情況，如何能夠采用最新的技術(shù)快速、高效地改進(jìn)當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀是該課程建設(shè)的重要保障。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，以實物設(shè)備為基礎(chǔ)，開發(fā)發(fā)動機(jī)模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)[2]，進(jìn)而借助所開發(fā)的發(fā)動機(jī)模擬試車平臺開展發(fā)動機(jī)試車實訓(xùn)項目：在教學(xué)前，學(xué)生可以通過軟件模擬的方式，對試車技術(shù)的步驟和難點進(jìn)行反復(fù)觀察和模擬訓(xùn)練；在教學(xué)中，學(xué)生可以通過軟件自行進(jìn)行發(fā)動機(jī)模擬試車，既可以規(guī)避試車的安全風(fēng)險和財力的消耗，又可以讓學(xué)生更快地掌握發(fā)動機(jī)試車流程和試車技術(shù)，更能滿足高職院校對學(xué)生的職業(yè)技能、職業(yè)素養(yǎng)和質(zhì)量意識的培養(yǎng)[3]。

二、模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊建立基本原則

在進(jìn)行模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊建立時，必須要全面考慮將發(fā)動機(jī)真實試車的場景在教學(xué)課堂上呈現(xiàn)，創(chuàng)建基本符合企業(yè)真實工作情境的教學(xué)環(huán)境[4]，對每一個性能參數(shù)（轉(zhuǎn)速、推力和壓力等）、開關(guān)的轉(zhuǎn)換、信號燈指示、功能檢查等變化規(guī)律，基本符合發(fā)動機(jī)真實試車各性能參數(shù)的變化規(guī)律和邏輯關(guān)系，達(dá)到逼真的視覺感受；同時，將發(fā)動機(jī)工作時的轟鳴聲交融到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化中去，增添試車時的聽覺感受，加強模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的沉浸感，使發(fā)動機(jī)模擬試車的視聽效果逼真。模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊[5]，如圖1所示，不僅可以逼真模擬試車過程，而且可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)各種故障的模擬，實現(xiàn)對學(xué)生綜合、有效性考核，因此，在模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊建立過程中需要遵守以下原則[6]：

圖1 模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊

1.真實的視覺效果

發(fā)動機(jī)試車程序有許多功能檢查，實現(xiàn)每一個功能檢查需要一個建模，每個模塊在運行當(dāng)中有許多參數(shù)在發(fā)生變化（如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、推力、耗油率、時間等參數(shù)）。在操作發(fā)動機(jī)試車時，所有發(fā)動機(jī)的參數(shù)都會隨油門操縱手柄的移動而實時地變化，相關(guān)的信號燈也隨不同的協(xié)動轉(zhuǎn)速的變化而點亮或熄滅，這些參數(shù)、信號燈的變化都是符合邏輯關(guān)系有規(guī)律地變化。只有這樣，才能符合真實的試車場景，加強模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的視覺感受。

2.擬合發(fā)動機(jī)試車現(xiàn)場的聽覺感受

發(fā)動機(jī)工作時，會發(fā)出強烈震撼的聲音，而且會隨著發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、狀態(tài)的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，在模擬試車時，操縱發(fā)動機(jī)油門手柄而改變發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，需配置發(fā)動機(jī)試車時的轟鳴聲并隨轉(zhuǎn)速的變化交融在一起的功能，讓學(xué)生猶如身臨真實感受發(fā)動機(jī)試車現(xiàn)場的震撼感覺。

3.發(fā)動機(jī)參數(shù)調(diào)整

設(shè)置發(fā)動機(jī)的調(diào)整內(nèi)容、調(diào)整量、調(diào)整參數(shù)的變化值，讓學(xué)生了解掌握發(fā)動機(jī)的基本調(diào)整內(nèi)容、調(diào)整位置、調(diào)整事項的技術(shù)要求等，讓學(xué)生親身感受到經(jīng)自己調(diào)整后，發(fā)動機(jī)參數(shù)變化的情況，能夠更好地了解發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)原理。

4.發(fā)動機(jī)試車告警設(shè)置

在進(jìn)行模擬試車時，由設(shè)定的發(fā)動機(jī)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度、壓力、加減速等）告警提示后，學(xué)生能否及時發(fā)現(xiàn)并處理操控發(fā)動機(jī)及時停車，是培養(yǎng)學(xué)生遇到各種異常情況下的處理問題的應(yīng)變能力和一個良好心理素質(zhì)。因此，在發(fā)動機(jī)試車參數(shù)告警建模時，需考慮學(xué)生操控簡潔、方便可行。

5.發(fā)動機(jī)試車故障設(shè)置

對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度、壓力、加減速時間等約30多個故障進(jìn)行設(shè)定，在模擬試車過程中，由老師通過筆記本電腦操控發(fā)動機(jī)試車時參數(shù)的變化，故障的設(shè)置遵循由淺入深、循行漸進(jìn)原則，主要依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、試車技術(shù)掌握情況，進(jìn)行不同類型的故障設(shè)置。當(dāng)故障信號提示后，學(xué)生能否及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，并對故障進(jìn)行分析，提出排除故障的處理辦法和意見，這不僅實現(xiàn)對學(xué)生對所學(xué)發(fā)動機(jī)原理、發(fā)動機(jī)構(gòu)造、發(fā)動機(jī)控制等有關(guān)試車技術(shù)方面知識的一個綜合、有效性檢驗和考核[7]，更是將所學(xué)理論知識在實際的試車過程中得到充分應(yīng)用和鞏固。

6.發(fā)動機(jī)參數(shù)的變化及邏輯關(guān)系

所有性能參數(shù)邏輯關(guān)系、變化次序和變化規(guī)律、信號燈指示都必須符合真實發(fā)動機(jī)試車程序。因此，在建模時，需仔細(xì)、反復(fù)地進(jìn)行檢查、驗證、修改。

三、模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的界面具有清晰、簡潔、色調(diào)協(xié)調(diào)、一致、易懂、明確反饋的特點，能為系統(tǒng)各個模塊的功能實現(xiàn)提供友好的人機(jī)交互橋梁，不僅高效地實現(xiàn)了應(yīng)用程序的功能，而且增加了學(xué)生對應(yīng)用系統(tǒng)的喜愛，強化系統(tǒng)的普遍實用性。本系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別是發(fā)動機(jī)模擬試車1號、2號和3號等界面。

圖2 人機(jī)交互界面結(jié)構(gòu)

在1號界面設(shè)計中，界面要素主要包括發(fā)動機(jī)起動按鈕、各功能選擇轉(zhuǎn)換控制開關(guān)；點火信號、各凸輪協(xié)動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)換信號燈；噴口、燃油延遲、等效電源選擇開關(guān)。在2號界面設(shè)計中，界面要素主要包括控制轉(zhuǎn)換開關(guān)、加力控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，調(diào)節(jié)開關(guān)；信號燈、推力性能曲線、耗油率曲線；總電源、起動、控制電源開關(guān)、空中起動按鈕。在3號界面設(shè)計中，界面要素主要包括發(fā)動機(jī)動態(tài)參數(shù)曲線歷程圖，其中動態(tài)參數(shù)為：N1、N2轉(zhuǎn)速、油門角度、推力、排氣溫度等。在4號界面設(shè)計中，界面要素主要包括發(fā)動機(jī)推力、耗油率、T3*溫度、轉(zhuǎn)差率；發(fā)動機(jī)起動態(tài)參數(shù)：滑油出現(xiàn)時間、TQ、QD協(xié)動轉(zhuǎn)數(shù)、放氣活門關(guān)閉轉(zhuǎn)數(shù)、排氣溫度、起動時間；凸輪協(xié)動：DK、XK、XB、JL轉(zhuǎn)速；加減速性：時間t、轉(zhuǎn)速N1急增、排氣溫度t4急增；加力接通：時間t、轉(zhuǎn)速N1急增、排氣溫度t4急增、T4下降、P4下降。在5號界面設(shè)計中，界面要素主要包括發(fā)動機(jī)主要參數(shù)模擬儀表；發(fā)動機(jī)主要工作參數(shù)及性能；發(fā)動機(jī)起動功能性、穩(wěn)態(tài)性能、加減速性、遭遇加速性、高空加速性、轉(zhuǎn)速差、最小穩(wěn)定性及燃燒室熄火等。

在故障設(shè)置界面設(shè)計中，界面要素主要包括轉(zhuǎn)速、排氣溫度和振動等故障設(shè)置。在告警設(shè)置界面設(shè)計中，界面要素主要包括轉(zhuǎn)速、壓力、排氣溫度和振動等告警設(shè)置。在性能設(shè)置界面設(shè)計中，界面要素主要包括起動、轉(zhuǎn)速、推力、壓力、排氣溫度和流量等調(diào)整。

四、應(yīng)用實例及效果

該模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能主要有穩(wěn)態(tài)模擬、過渡態(tài)模擬和功能性檢查等[8]，其中某型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用之一是：當(dāng)飛行及外界大氣條件發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)供油量，保持發(fā)動機(jī)給定低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1不變，從而保證發(fā)動機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定的工作[9]。其調(diào)節(jié)器工作原理、工作過程及靜態(tài)誤差既是《航空發(fā)動機(jī)試車技術(shù)》課程的重點，更是難點，常規(guī)的理論教學(xué)只能使學(xué)生抽象地了解其工作原理和工作過程，不能形象直觀地掌握轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外界條件發(fā)生變化時，如何調(diào)節(jié)保證發(fā)動機(jī)N1轉(zhuǎn)速為恒定、相關(guān)參數(shù)如何變化以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的靜態(tài)誤差。

基于此，借助本文開發(fā)的發(fā)動機(jī)模擬試車平臺，進(jìn)行模擬教學(xué)。本文以檢查轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的“靜態(tài)誤差”為實例，進(jìn)行模擬試車。在實踐模擬教學(xué)中，依托創(chuàng)建的“模擬試車操縱平臺”，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)調(diào)節(jié)后各性能參數(shù)（耗油量、轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度）按調(diào)節(jié)規(guī)律實時的變化著，且變化情況在界面儀表上直觀顯示出來，學(xué)生能直觀地觀察到各參數(shù)的變化規(guī)律及變化量，加深對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作過程及調(diào)節(jié)原理的學(xué)習(xí)理解。同時，通過將噴口直徑由最小位置放大到最大位置來模擬飛行高度及外界條件發(fā)生變化時，檢查轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器保持N1轉(zhuǎn)速不變的調(diào)節(jié)情況：噴口直徑在兩個不同的工作位置（最小和最大）所得到的N1轉(zhuǎn)速差，即是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的靜態(tài)誤差，相關(guān)參數(shù)N2轉(zhuǎn)速、T4溫度、推力等的變化情況，如圖3所示。

通過結(jié)果數(shù)據(jù)對比，得知靜態(tài)誤差△N1轉(zhuǎn)速差等于0.2%，在允許誤差范圍內(nèi)（規(guī)定不大于0.5%），符合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的技術(shù)規(guī)定，表明該發(fā)動機(jī)模擬試車平臺的可行性、正確性和實用性。

五、結(jié)論

本文創(chuàng)新應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，改進(jìn)教學(xué)方法，通過一比一的試車操作臺面、工作界面、油門操縱手柄、利用鼠標(biāo)選擇試車程序中的所有功能檢查、開關(guān)轉(zhuǎn)換、配置發(fā)動機(jī)試車時發(fā)出的轟鳴聲的模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，解決了該課程傳統(tǒng)教學(xué)過程的局限性，不再需要高大的試車廠房、試車臺架、試車設(shè)備及系統(tǒng)，無需油料的消耗，有效減少教學(xué)成本，更沒有安全隱患的存在，就可以直接創(chuàng)建與企業(yè)真實工作情境相一致的教學(xué)環(huán)境，大大提高了課程組織實施、課堂效率、視聽效果，讓學(xué)生感受到猶如身臨發(fā)動機(jī)試車的真實場景。

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Exploration and Practice of the Curriculum Reform of Aero-engine Test Technology based on Virtual Reality

XIONG Chun，SHU Yi，DING Zhemin，LIU Wenjuan

（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha, Hunan 410124, Chian）

Because the Aero-engine Test Technology course has abstract theories, poor practice-theory interaction and difficult implement, this paper introduces the advanced computer technology and proposes a reform method based on virtual reality technology and develops an engine simulation training system. Moreover, it uses the experiment of the "static error" of the rotor-speed regulator to verify the feasibility, correctness and practicability of the engine simulation test platform, which proves that this method can not only improve the implement of the course but also create a real learning situation for students to test the engine.

curriculum reform; virtual reality; engine Test; human-computer interaction; interface

2018—08—08

熊純（1973—），湖南雙峰人，長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授。

G712

A

1008—6129（2018）04—0009—005