基于虛擬現(xiàn)實(shí)的《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車技術(shù)》課程改革探索與實(shí)踐

熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)的《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車技術(shù)》課程改革探索與實(shí)踐

熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124）

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

課程改革；虛擬現(xiàn)實(shí)；發(fā)動(dòng)機(jī)試車；人機(jī)交互；界面

一、引言

《航空發(fā)動(dòng)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(shí)，更是將所學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際的試車過(guò)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(shí)間內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程進(jìn)行正確地學(xué)習(xí)理解，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)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(shí)施故障排除。該課程具有如下特點(diǎn)：內(nèi)容復(fù)雜抽象性、教學(xué)模式理實(shí)交互性、課程體系動(dòng)態(tài)實(shí)效性。

但受制于原有體制的束縛、航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的特殊性、實(shí)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(guò)程中仍然存在空洞抽象的教學(xué)內(nèi)容、理論與實(shí)踐的割裂、脫離企業(yè)真實(shí)工作情境的教學(xué)環(huán)境等現(xiàn)象，以至于任務(wù)驅(qū)動(dòng)和工學(xué)結(jié)合的教學(xué)方法難以實(shí)施，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、問(wèn)題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，難以滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)踐需求、無(wú)法保證教學(xué)質(zhì)量，也不能滿足企業(yè)對(duì)高素質(zhì)技能型人才的需求[1]。

基于以上該課程特點(diǎn)和目前實(shí)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(shí)技術(shù)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，以實(shí)物設(shè)備為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)[2]，進(jìn)而借助所開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試車平臺(tái)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)試車實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：在教學(xué)前，學(xué)生可以通過(guò)軟件模擬的方式，對(duì)試車技術(shù)的步驟和難點(diǎn)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(guò)軟件自行進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試車，既可以規(guī)避試車的安全風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)力的消耗，又可以讓學(xué)生更快地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)試車流程和試車技術(shù)，更能滿足高職院校對(duì)學(xué)生的職業(yè)技能、職業(yè)素養(yǎng)和質(zhì)量意識(shí)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(shí)，必須要全面考慮將發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)試車的場(chǎng)景在教學(xué)課堂上呈現(xiàn)，創(chuàng)建基本符合企業(yè)真實(shí)工作情境的教學(xué)環(huán)境[4]，對(duì)每一個(gè)性能參數(shù)（轉(zhuǎn)速、推力和壓力等）、開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)燈指示、功能檢查等變化規(guī)律，基本符合發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)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(jué)感受；同時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轟鳴聲交融到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化中去，增添試車時(shí)的聽(tīng)覺(jué)感受，加強(qiáng)模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的沉浸感，使發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試車的視聽(tīng)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(guò)程，而且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各種故障的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(shí)的視覺(jué)效果

發(fā)動(dòng)機(jī)試車程序有許多功能檢查，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能檢查需要一個(gè)建模，每個(gè)模塊在運(yùn)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(shí)間等參數(shù)）。在操作發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，所有發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)都會(huì)隨油門操縱手柄的移動(dòng)而實(shí)時(shí)地變化，相關(guān)的信號(hào)燈也隨不同的協(xié)動(dòng)轉(zhuǎn)速的變化而點(diǎn)亮或熄滅，這些參數(shù)、信號(hào)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(shí)的試車場(chǎng)景，加強(qiáng)模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)的視覺(jué)感受。

2.擬合發(fā)動(dòng)機(jī)試車現(xiàn)場(chǎng)的聽(tīng)覺(jué)感受

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈震撼的聲音，而且會(huì)隨著發(fā)動(dòng)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(shí)，操縱發(fā)動(dòng)機(jī)油門手柄而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，需配置發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)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(shí)感受發(fā)動(dòng)機(jī)試車現(xiàn)場(chǎng)的震撼感覺(jué)。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)調(diào)整

設(shè)置發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的基本調(diào)整內(nèi)容、調(diào)整位置、調(diào)整事項(xiàng)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(dòng)機(jī)參數(shù)變化的情況，能夠更好地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)原理。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)試車告警設(shè)置

在進(jìn)行模擬試車時(shí)，由設(shè)定的發(fā)動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)并處理操控發(fā)動(dòng)機(jī)及時(shí)停車，是培養(yǎng)學(xué)生遇到各種異常情況下的處理問(wèn)題的應(yīng)變能力和一個(gè)良好心理素質(zhì)。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車參數(shù)告警建模時(shí)，需考慮學(xué)生操控簡(jiǎn)潔、方便可行。

5.發(fā)動(dòng)機(jī)試車故障設(shè)置

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度、壓力、加減速時(shí)間等約30多個(gè)故障進(jìn)行設(shè)定，在模擬試車過(guò)程中，由老師通過(guò)筆記本電腦操控發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)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(hào)提示后，學(xué)生能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，并對(duì)故障進(jìn)行分析，提出排除故障的處理辦法和意見(jiàn)，這不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生對(duì)所學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)原理、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等有關(guān)試車技術(shù)方面知識(shí)的一個(gè)綜合、有效性檢驗(yàn)和考核[7]，更是將所學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際的試車過(guò)程中得到充分應(yīng)用和鞏固。

6.發(fā)動(dòng)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(hào)燈指示都必須符合真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車程序。因此，在建模時(shí)，需仔細(xì)、反復(fù)地進(jìn)行檢查、驗(yàn)證、修改。

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

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面具有清晰、簡(jiǎn)潔、色調(diào)協(xié)調(diào)、一致、易懂、明確反饋的特點(diǎn)，能為系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)提供友好的人機(jī)交互橋梁，不僅高效地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的功能，而且增加了學(xué)生對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的喜愛(ài)，強(qiáng)化系統(tǒng)的普遍實(shí)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(dòng)機(jī)模擬試車1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)等界面。

圖2 人機(jī)交互界面結(jié)構(gòu)

在1號(hào)界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕、各功能選擇轉(zhuǎn)換控制開(kāi)關(guān)；點(diǎn)火信號(hào)、各凸輪協(xié)動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)換信號(hào)燈；噴口、燃油延遲、等效電源選擇開(kāi)關(guān)。在2號(hào)界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、加力控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)；信號(hào)燈、推力性能曲線、耗油率曲線；總電源、起動(dòng)、控制電源開(kāi)關(guān)、空中起動(dòng)按鈕。在3號(hào)界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線歷程圖，其中動(dòng)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(hào)界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率、T3*溫度、轉(zhuǎn)差率；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)態(tài)參數(shù)：滑油出現(xiàn)時(shí)間、TQ、QD協(xié)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)、放氣活門關(guān)閉轉(zhuǎn)數(shù)、排氣溫度、起動(dòng)時(shí)間；凸輪協(xié)動(dòng)：DK、XK、XB、JL轉(zhuǎn)速；加減速性：時(shí)間t、轉(zhuǎn)速N1急增、排氣溫度t4急增；加力接通：時(shí)間t、轉(zhuǎn)速N1急增、排氣溫度t4急增、T4下降、P4下降。在5號(hào)界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)模擬儀表；發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)及性能；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(jì)中，界面要素主要包括轉(zhuǎn)速、排氣溫度和振動(dòng)等故障設(shè)置。在告警設(shè)置界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括轉(zhuǎn)速、壓力、排氣溫度和振動(dòng)等告警設(shè)置。在性能設(shè)置界面設(shè)計(jì)中，界面要素主要包括起動(dòng)、轉(zhuǎn)速、推力、壓力、排氣溫度和流量等調(diào)整。

四、應(yīng)用實(shí)例及效果

該模擬試車訓(xùn)練系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能主要有穩(wěn)態(tài)模擬、過(guò)渡態(tài)模擬和功能性檢查等[8]，其中某型發(fā)動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)供油量，保持發(fā)動(dòng)機(jī)給定低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1不變，從而保證發(fā)動(dòng)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(guò)程及靜態(tài)誤差既是《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車技術(shù)》課程的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)，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(guò)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(shí)，如何調(diào)節(jié)保證發(fā)動(dòng)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(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試車平臺(tái)，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(shí)例，進(jìn)行模擬試車。在實(shí)踐模擬教學(xué)中，依托創(chuàng)建的“模擬試車操縱平臺(tái)”，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(shí)時(shí)的變化著，且變化情況在界面儀表上直觀顯示出來(lái)，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(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作過(guò)程及調(diào)節(jié)原理的學(xué)習(xí)理解。同時(shí)，通過(guò)將噴口直徑由最小位置放大到最大位置來(lái)模擬飛行高度及外界條件發(fā)生變化時(shí)，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(gè)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(guò)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)機(jī)模擬試車平臺(tái)的可行性、正確性和實(shí)用性。

五、結(jié)論

本文創(chuàng)新應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，改進(jìn)教學(xué)方法，通過(guò)一比一的試車操作臺(tái)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換、配置發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)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(guò)程的局限性，不再需要高大的試車廠房、試車臺(tái)架、試車設(shè)備及系統(tǒng)，無(wú)需油料的消耗，有效減少教學(xué)成本，更沒(méi)有安全隱患的存在，就可以直接創(chuàng)建與企業(yè)真實(shí)工作情境相一致的教學(xué)環(huán)境，大大提高了課程組織實(shí)施、課堂效率、視聽(tīng)效果，讓學(xué)生感受到猶如身臨發(fā)動(dòng)機(jī)試車的真實(shí)場(chǎng)景。

[1]王蘭芬，劉治安.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在高職院校課堂教學(xué)的應(yīng)用研究[J].職教論壇，2013（17）：18-20．

[2]苗淼，張亮，雷勇等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車模擬操縱系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013（02）：448-450．

[3]程書強(qiáng).工商管理專業(yè)群虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)踐[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2013（02）：77-79．

[4]劉景峰.高職電力類專業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2012（05）：28-31．

[5]王維山，雷勇，楊訓(xùn).航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用試車軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2011（09）：90-82．

[6]劉亞豐，蘇莉，吳元喜等.虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)原則與標(biāo)準(zhǔn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017（05）：8-10．

[7]顧至欣，金麗嬌.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在導(dǎo)游實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用效果研究[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2016（14）：85-91．

[8]楊訓(xùn)，雷勇，陳桂英等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005（09）：900-902．

[9]樊思齊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制（上、下冊(cè)）[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

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(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授。

G712

A

1008—6129（2018）04—0009—005