飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)數(shù)字化改造探索研究

摘? 要? 飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)長期依托實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)進(jìn)行，由于實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)平臺(tái)技術(shù)落后、開放性不佳，導(dǎo)致課程創(chuàng)新性、高階性教學(xué)目標(biāo)難以有效達(dá)成。因此，從現(xiàn)實(shí)情況出發(fā)，系統(tǒng)分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)數(shù)字化改造探索研究，尋求航理實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新方法與手段。

關(guān)鍵詞? 飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理；數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；數(shù)字樣機(jī)技術(shù)

中圖分類號(hào)：E251.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）20-0041-04

0? 引言

長期以來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)主要通過參觀見學(xué)各型靜態(tài)展示實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)，實(shí)習(xí)體驗(yàn)實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)的部分操控科目來開展。相對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)工程研制出來并持續(xù)更新?lián)Q代的現(xiàn)役飛機(jī)而言，現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式很難滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程的教學(xué)目標(biāo)要求，主要原因在于：

1）現(xiàn)有實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)普遍存在結(jié)構(gòu)解剖開敞區(qū)域小、飛機(jī)內(nèi)部構(gòu)造難以直觀呈現(xiàn)等不足，學(xué)員不易通過目視準(zhǔn)確觀察飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的布局情況；

2）現(xiàn)有實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)普遍機(jī)型陳舊，實(shí)習(xí)內(nèi)容與現(xiàn)役主流飛機(jī)在操控特點(diǎn)、運(yùn)行機(jī)理等方面差別較大，實(shí)踐教學(xué)價(jià)值貢獻(xiàn)低；

3）現(xiàn)有實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)無法模擬飛行條件變化對(duì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的綜合影響，難以通過實(shí)踐教學(xué)深化學(xué)員對(duì)飛機(jī)平臺(tái)知識(shí)的全面理解。

因此，本文針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)存在的現(xiàn)實(shí)矛盾，綜合分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提出開展實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)數(shù)字化改造構(gòu)想，主要從以下幾方面進(jìn)行探索研究。

1? 航理實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)要求與制約因素分析

1.1? 目標(biāo)要求

飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程主要教學(xué)目標(biāo)是：使學(xué)員了解飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制依據(jù)，理解各系統(tǒng)的功用、基本組成、基本工作原理及使用特點(diǎn)，掌握基礎(chǔ)理論和共性知識(shí)；經(jīng)過階段教學(xué)，鍛煉學(xué)員具備運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)判斷、分析和解決飛行實(shí)際問題的基本能力；最后，達(dá)成教學(xué)的高階性目標(biāo)，即通過系統(tǒng)掌握該課程教學(xué)內(nèi)容，學(xué)員能夠?yàn)楹罄m(xù)課程學(xué)習(xí)機(jī)型改裝理論、勝任職業(yè)發(fā)展、開展創(chuàng)新性理論研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。針對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)要求，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路是：從飛機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)認(rèn)知，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)部附件認(rèn)知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析，系統(tǒng)功用、組成與基本工作原理等角度出發(fā)，開展實(shí)踐教學(xué)。

1.2? 制約因素分析

就飛機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)而言，飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制條件、結(jié)構(gòu)疲勞壽命等理論知識(shí)是教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，實(shí)踐教學(xué)應(yīng)圍繞結(jié)構(gòu)布局特征、結(jié)構(gòu)承載動(dòng)態(tài)仿真、結(jié)構(gòu)疲勞載荷作用分析等進(jìn)行。目前，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)僅通過指導(dǎo)學(xué)員觀察靜態(tài)展示飛機(jī)、講解飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物部附件等方式開展，導(dǎo)致學(xué)員難以透過現(xiàn)象看本質(zhì)，不易理解結(jié)構(gòu)承載的內(nèi)在規(guī)律與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

就飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)而言，通過開展實(shí)裝飛機(jī)操控實(shí)習(xí)進(jìn)行體驗(yàn)教學(xué)是強(qiáng)化學(xué)員理解認(rèn)知平臺(tái)系統(tǒng)工作原理的有效手段。但是，由于現(xiàn)有實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)平臺(tái)與現(xiàn)役飛機(jī)平臺(tái)存在明顯代差，使得學(xué)員難以通過傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)理解先進(jìn)平臺(tái)系統(tǒng)的交聯(lián)工作模式以及系統(tǒng)內(nèi)部主要附件的工作原理，更談不上對(duì)現(xiàn)役飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)工作的深刻認(rèn)識(shí)。

當(dāng)前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)踐教學(xué)組織實(shí)施中所面臨的種種問題，雖然可以通過微慕課建設(shè)、教學(xué)員深度互動(dòng)等多種教學(xué)形式與手段盡量化解，但是，開展實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的升級(jí)改造才能夠真正契合實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)要求，才能夠切實(shí)增強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程的實(shí)踐教學(xué)效果。

2? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠把真實(shí)世界信息和虛擬世界信息有機(jī)集成到一起，整合出來的場(chǎng)景被人類感官所感知，給予人們一種超越現(xiàn)實(shí)的感受，主要包括多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。該技術(shù)具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：一是真實(shí)世界和虛擬的信息集成；二是具有實(shí)時(shí)交互性；三是在三維尺度空間增添定位虛擬物體。

中國民航大學(xué)的崔海青等[1]基于HoloLens設(shè)備開發(fā)了一套數(shù)字化飛機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)，通過HoloLens的同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）功能進(jìn)行環(huán)境建模，結(jié)合用戶操作，完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)展示。中國航空無線電電子研究所的張仟新等[2]提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型飛行視景系統(tǒng)，使飛行員既能在屏幕上看到真實(shí)的機(jī)外場(chǎng)景，也能在特定位置看到相應(yīng)的關(guān)鍵虛擬信息，最終形成虛實(shí)融合的圖像顯示在飛機(jī)顯示設(shè)備中。沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的王雪飛等[3]研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)維修保障過程中的應(yīng)用，探討開發(fā)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的穿戴式智能維修輔助設(shè)備，以達(dá)到提高保障效能、降低維修差錯(cuò)、提高故障診斷準(zhǔn)確性的目的。南京航空航天大學(xué)的張秋月等[4]系統(tǒng)闡述國內(nèi)外航空企業(yè)在飛機(jī)裝配中對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)該技術(shù)能夠減少建模工作量，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感和交互感，極大提高飛機(jī)裝配效率。

由此可見，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過“增強(qiáng)”人對(duì)信息和知識(shí)的利用能力，使一些原本難以被人體感知的信息在計(jì)算機(jī)加工后得到直觀展示，使虛擬對(duì)象與現(xiàn)實(shí)情境相結(jié)合，營造出一個(gè)具有雙向互動(dòng)特點(diǎn)的交互場(chǎng)景，能夠讓航空領(lǐng)域的復(fù)雜工程實(shí)現(xiàn)更好地被觀察和解析。

3? 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國GB/T 26100—2010《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》中對(duì)數(shù)字樣機(jī)的定義是：數(shù)字樣機(jī)是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對(duì)象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對(duì)象的功能和性能。因此，數(shù)字樣機(jī)可以被看作一種基于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品屬性的設(shè)計(jì)、分析、仿真等均利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)。該技術(shù)具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是真實(shí)性；二是面向產(chǎn)品全生命周期；三是多學(xué)科交叉性。

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的徐劍[5]總結(jié)論述數(shù)字樣機(jī)的發(fā)展歷程，分析指出數(shù)字樣機(jī)是飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的產(chǎn)物和集中體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的有效載體和手段。上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的陳裕[6]基于飛機(jī)研制的需求，梳理了數(shù)字樣機(jī)的建模與仿真在飛機(jī)研制過程中的設(shè)計(jì)流程與關(guān)鍵技術(shù)。中國航空工業(yè)集團(tuán)的崔德剛等[7]通過基于MBD的飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究與應(yīng)用，闡述了全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與制造體系構(gòu)建的重要意義。中航工業(yè)一飛院鄭黨黨等[8]結(jié)合數(shù)字樣機(jī)技術(shù)和分析仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，分析了性能樣機(jī)技術(shù)的主要特征、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景，構(gòu)建了飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)體系高階建設(shè)的總體框架。

目前，飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)不僅被用于飛機(jī)幾何特征的靜態(tài)描述，開展關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、幾何協(xié)調(diào)等，用于飛機(jī)功能特征的動(dòng)態(tài)描述，開展需求分析、功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析等，還被用于飛機(jī)性能特征的描述，開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、多體動(dòng)力學(xué)、控制等多學(xué)科性能仿真。因此，飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科綜合性技術(shù)，其內(nèi)涵和外延也隨著數(shù)字化技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用深化而不斷拓展。

4? 數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路與功能實(shí)現(xiàn)

考慮到依靠引進(jìn)先進(jìn)實(shí)裝教學(xué)飛機(jī)改善實(shí)踐教學(xué)條件所面臨的資金、渠道等多重現(xiàn)實(shí)困難，充分利用當(dāng)前科技發(fā)展優(yōu)勢(shì)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

4.1? 設(shè)計(jì)思路

數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)由實(shí)物模擬座艙、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的虛擬數(shù)字樣機(jī)等構(gòu)成：實(shí)物模擬座艙用來提供先進(jìn)飛機(jī)駕駛艙仿真操控環(huán)境，執(zhí)行開關(guān)量、模擬量等信號(hào)傳輸任務(wù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字樣機(jī)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用來在教學(xué)展示區(qū)域增添定位虛擬三維數(shù)字樣機(jī)；數(shù)字樣機(jī)技術(shù)用來呈現(xiàn)典型先進(jìn)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)構(gòu)成，與模擬座艙進(jìn)行信息交互，按操控指令運(yùn)行。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程的教學(xué)內(nèi)容要求，該教學(xué)平臺(tái)可支持開展的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與承載限制，機(jī)體結(jié)構(gòu)與受力分析，液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)、起落裝置、防冰與防火系統(tǒng)等工作原理演示。數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖1所示。

實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施流程設(shè)計(jì)為：根據(jù)實(shí)踐科目設(shè)置與任務(wù)要求，通過操控模擬座艙開展實(shí)習(xí)操作；同時(shí)，學(xué)員在教學(xué)展示區(qū)就位，全方位觀摩操控指令驅(qū)動(dòng)下的數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)運(yùn)行情況，如活動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，能源系統(tǒng)的能量生成、轉(zhuǎn)化與供給等。在實(shí)踐教學(xué)過程中，數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)布局、平臺(tái)系統(tǒng)中主要附件及管線路連接清晰可見，隨座艙操控運(yùn)動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)工作狀態(tài)一目了然。由此，學(xué)員在實(shí)時(shí)觀察飛機(jī)平臺(tái)運(yùn)行機(jī)理的同時(shí)，其所學(xué)習(xí)的航理知識(shí)也能夠即時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

4.2? 功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、任務(wù)多樣性原則進(jìn)行功能開發(fā)。針對(duì)飛機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與承載限制科目，通過預(yù)先規(guī)劃任務(wù)職能，使數(shù)字樣機(jī)具備自動(dòng)拆分及多承載模式演示功能。由此，可依據(jù)任務(wù)需求和飛機(jī)飛行性能特點(diǎn)，合理選擇加載任務(wù)并演示飛行中飛機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度狀態(tài)特征，使學(xué)員深刻理解飛機(jī)飛行性能變化、機(jī)動(dòng)飛行等對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，正確研判平臺(tái)結(jié)構(gòu)的受載特點(diǎn)，切實(shí)掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)與承載限制要求。

針對(duì)飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)工作原理科目，除了系統(tǒng)自身基本功能實(shí)現(xiàn)外，還應(yīng)該具備的功能包括：在數(shù)字樣機(jī)中展示系統(tǒng)的布局特點(diǎn)，系統(tǒng)中重要部附件的位置與基本組成，以及系統(tǒng)間工作時(shí)形成的交聯(lián)影響。例如：執(zhí)行放下起落架操作時(shí)，可由數(shù)字樣機(jī)中清晰地觀察到起落架機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，與此同時(shí)，還能夠觀察到自起落架收放手柄至收放作動(dòng)筒的機(jī)械信號(hào)—電信號(hào)—液電閥—作動(dòng)筒的機(jī)電驅(qū)動(dòng)工作原理，以及在此期間的機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)相互配合、交聯(lián)運(yùn)行的場(chǎng)景，從而使學(xué)員對(duì)起落架系統(tǒng)的工作有即視感知與體驗(yàn)，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)沉浸感。此外，開發(fā)系統(tǒng)典型特情科目功能，強(qiáng)化學(xué)員對(duì)系統(tǒng)正常與應(yīng)急狀態(tài)下工作方式的理解，還有助于提高其特情研判和故障處置的航理知識(shí)儲(chǔ)備。

5? 結(jié)束語

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程教學(xué)進(jìn)程中，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是推動(dòng)學(xué)員航理知識(shí)學(xué)習(xí)由被動(dòng)接受向主動(dòng)理解轉(zhuǎn)化的必要途徑。目前，基于傳統(tǒng)教學(xué)模式的實(shí)踐教學(xué)存在明顯不足，因此，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)為牽引，開展實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)數(shù)字化改造，將能夠有效達(dá)成課程實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)要求，并促進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)航理課程實(shí)現(xiàn)質(zhì)效提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔海青，吳曉東，魏士皓.基于HoloLens的數(shù)字化飛機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2020（5）：233-235.

[2] 張仟新，張鈺鵬.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行視景系統(tǒng)[J].航空電子技術(shù)，2016，47（1）：22-24，35.

[3] 王雪飛，劉東，史澤波.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)維修保障過程中的應(yīng)用研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2020，40（4）：7-11.

[4] 張秋月，安魯陵.虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（11）：40-45.

[5] 徐劍.數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制中的發(fā)展[J].計(jì)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2018（3）：87-91.

[6] 陳裕.民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)建模與仿真技術(shù)初步研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2018（3）：54-57.

[7] 崔德剛，劉看旺，鄭黨黨，等.基于MBD的飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（12）：3052-3060.

[8] 鄭黨黨，劉看旺，劉俊堂.飛機(jī)性能樣機(jī)技術(shù)及體系研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2015，26（3）：5-9.

作者：尹大偉，空軍航空大學(xué)，副教授，研究方向?yàn)檐娛卵b備工程（130022）。