發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

王 輝， 魏志民， 郭 慶， 趙洪利

(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300)

0 引言

對(duì)航線維護(hù)學(xué)員培訓(xùn)過程中，如果采用實(shí)裝對(duì)學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練，不僅對(duì)裝備的損傷程度大，維修成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，而且在有限的裝備上進(jìn)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(shí)技術(shù)的成熟，通過仿真工具軟件制作交互性的飛機(jī)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(qiáng)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(guó)GMS(Global Majic Software)研制的可運(yùn)行于Win95或NT環(huán)境的航空儀表控件，美國(guó)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(yùn)行［5］。傳統(tǒng)所采用的以 Visua1 C++6.0為開發(fā)平臺(tái)，調(diào)用三維圖形庫(kù)openGL實(shí)現(xiàn)虛擬儀表顯示和驅(qū)動(dòng)的方法，雖然開發(fā)成本低且移植性較強(qiáng)，但開發(fā)難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)。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(tái)［6］。利用LabVIEW強(qiáng)大的控件擴(kuò)展功能及直觀、高效的程序編寫功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)B737NG飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。

1 啟動(dòng)點(diǎn)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置虛擬仿真模塊及故障模擬模塊。啟動(dòng)點(diǎn)火裝置虛擬仿真模塊又可分為發(fā)動(dòng)機(jī)顯示系統(tǒng)構(gòu)建、啟動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)構(gòu)建及QAR數(shù)據(jù)處理等部分。

1.2 啟動(dòng)點(diǎn)火裝置虛擬仿真模塊

1.2.1 CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火過程概述

首先，將座艙P(yáng)5前頂板上的啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。啟動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)其最大冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(指 N2在5 s之內(nèi)的上升小于5%)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)手柄上提至慢車位。EEC將控制點(diǎn)火電嘴點(diǎn)火，并向燃燒室供油。當(dāng)燃燒室點(diǎn)火成功以后，渦輪發(fā)出功率將與啟動(dòng)機(jī)一起帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到55%時(shí)，啟動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)脫開，CDS/DEU控制 SAV電磁閥斷電，SAV關(guān)閉，啟動(dòng)機(jī)慢慢停轉(zhuǎn)。自此以后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加速僅是由于渦輪產(chǎn)生的功率大于壓氣機(jī)所消耗的功率，它將帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在慢車轉(zhuǎn)速［7-8］。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)顯示系統(tǒng)構(gòu)建

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)顯示數(shù)據(jù)條，警告等設(shè)計(jì)與制作，通訊接口的開發(fā)以及驅(qū)動(dòng)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(shí)感的主要因素［9］。CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)顯示系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)，機(jī)載振動(dòng)監(jiān)控指示系統(tǒng)等［10］。利用LabVIEW自身帶有的控件庫(kù)，通過修改控件相關(guān)屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)B737NG飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)儀表顯示系統(tǒng)，并對(duì)其他儀表采用類似方法進(jìn)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)構(gòu)建

雖然LabVIEW提供了功能豐富的控件庫(kù)，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)大的控件擴(kuò)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(duì)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(duì)象、屬性和方法［11］。LabVIEW自身帶有ActiveX控件庫(kù)，用戶可以調(diào)用庫(kù)中的ActiveX控件，如果庫(kù)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(jì)要求的 ActiveX控件，編譯完成后注冊(cè)到LabVIEW控件庫(kù)中再進(jìn)行調(diào)用。本控制系統(tǒng)中所需的點(diǎn)火選擇電門及啟動(dòng)控制電門均需重新設(shè)計(jì)開發(fā)。

筆者采用VC++6.0中的MFC類對(duì)ActiveX開關(guān)控件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。MFC在VC++環(huán)境中增加了自動(dòng)生成對(duì)話框和自動(dòng)代碼發(fā)生器，使ActiveX編程變得更簡(jiǎn)單、更便捷［12］。以啟動(dòng)控制電門(switch)為例，設(shè)計(jì)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(jì)完成的點(diǎn)火選擇電門及啟動(dòng)控制電門ActiveX控件注冊(cè)到計(jì)算機(jī)后，可在 LabVIEW的ActiveX庫(kù)中找到，通過編程即可進(jìn)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(guó)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)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(shí)需要對(duì)其進(jìn)行譯碼，經(jīng)過譯碼后的QAR數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)形式為CSV(Comma Separated Variables)文件。CSV是一種用于存儲(chǔ)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)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(chǔ)。圖4為利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)手柄的仿真制作

為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)手柄的仿真，首先要通過對(duì)真實(shí)飛機(jī)上的啟動(dòng)手柄進(jìn)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(duì)紋理圖片進(jìn)行處理后導(dǎo)入LabVIEW備用。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火過程中，當(dāng)N2達(dá)到25%時(shí)，需要上提啟動(dòng)手柄到IDLE位，以達(dá)到正常啟動(dòng)目的。為了實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作需要對(duì)LabVIEW基本控件進(jìn)行定義，通過修改相關(guān)屬性結(jié)合界面修飾技巧，最終實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)手柄的制作。

1.3 故障模擬模塊示例

航線維護(hù)人員在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)的現(xiàn)象，如啟動(dòng)懸掛、熱啟動(dòng)、啟動(dòng)自動(dòng)切除等。這些現(xiàn)象的形成可能因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障造成，也可能是由于維護(hù)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(jì)損失。本文以由于人為錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)懸掛為例，通過編程實(shí)現(xiàn)故障模擬并給出正確的操作規(guī)范，從而達(dá)到強(qiáng)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(dòng)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(dá)到25%或最大冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)上提啟動(dòng)手柄，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火以后，轉(zhuǎn)速上升緩慢(對(duì) CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)來講，從 SAV打開到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在慢車的正常時(shí)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(shí)給出了正確的操作規(guī)范。

2 CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

構(gòu)建完成的CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置訓(xùn)練系統(tǒng)界面如圖6所示。

通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用可以提高航線維護(hù)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火裝置仿真訓(xùn)練系統(tǒng)界面

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，基于LabVIEW來實(shí)現(xiàn)某些航空裝置的虛擬仿真切實(shí)可行，其強(qiáng)大的外部設(shè)備接口及對(duì)ActiveX的良好支持，使設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)具有優(yōu)越的擴(kuò)展性。相信通過實(shí)際的應(yīng)用和對(duì)程序的優(yōu)化擴(kuò)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。

［1］ 張 錚，李 立.虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000(5):64-66.

［2］ 肖 騫，高 偉，徐煜兵.控制系統(tǒng)仿真及虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的研究與開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000(4):65-70+81.

［3］ 時(shí)秋蘭，趙 偉，侯國(guó)屏.引入虛擬儀器儀表 提高電工實(shí)驗(yàn)水平［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002(4):48-50.

［4］ 郭 慶，彭志廣.CAD/CAE在金工實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007(1):106-108.

［5］ 孫吉貴，王 娟.飛行仿真中虛擬航空儀表顯示系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005.

［6］ 洪煥鳳，林明星.基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005(12):84-86.

［7］ 李書明，林兆福.民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與系統(tǒng)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2005:268-280.

［8］ 趙廷渝.航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2004:151-163.

［9］ 王 鶴，邱云飛.飛行仿真中虛擬航空儀表顯示系統(tǒng)的開發(fā)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011(5):180-181，176.

［10］ 唐慶如，敖良忠，夏存江，等.CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)航線維護(hù)教程.成都:四川大學(xué)出版社，2003:196-203.

［11］ 阮奇楨.我和LabVIEW［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:166-172.

［12］ Nathan Wallance.Learn Active X Development Using Visual C++6.0［M］.Texas:Wordware Publishing ，Inc，2003:37-52.

［13］ 張衛(wèi)華，劉 征，趙志剛.舉一反三—Visual C++程序設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練［M］.北京:人民郵電出版社，2004:73-128.

［14］ 曹慧玲，周百政.QAR數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.天津:中國(guó)民航大學(xué)，2009.

［15］ 曹惠玲，林達(dá)錦，曾學(xué)鋒.CFM56-7B型發(fā)動(dòng)機(jī)衰退模型建立與研究［J］.中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(4):9-12.

［16］ 譚 燕.CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)的熱啟動(dòng)及啟動(dòng)懸掛［J］.中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(4):24-26，29.