基于虛擬現實的《航空發動機試車技術》課程改革探索與實踐

熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

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基于虛擬現實的《航空發動機試車技術》課程改革探索與實踐

熊 純，舒 毅，丁哲民，劉文娟

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124）

針對《航空發動機試車技術》課程的原理抽象難懂、教學模式理實交互性弱、組織實施難度大等問題，文章引入先進計算機技術,提出了一種基于虛擬現實技術的課程改革建設方法，并在此基礎上開發了基于虛擬現實的發動機模擬試車訓練系統。最后，通過轉速調節器的“靜態誤差”的實例驗證了該發動機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，而且為學生創建了身臨發動機試車現場的逼真學習情景。

課程改革；虛擬現實；發動機試車；人機交互；界面

一、引言

《航空發動機試車技術》課程不僅涉及到復雜的系統組成、抽象的工作原理、多變的性能參數調整等理論知識，更是將所學理論知識在實際的試車過程中得到充分應用和鞏固，培養學生能在規定的時間內對航空發動機試車過程進行正確地學習理解，達到對發動機一般性故障的分析判斷能力，相應制定出故障排除方案，實施故障排除。該課程具有如下特點：內容復雜抽象性、教學模式理實交互性、課程體系動態實效性。

但受制于原有體制的束縛、航空發動機試車生產現場的特殊性、實訓基地設備的嚴重滯后不足等因素影響，目前教學過程中仍然存在空洞抽象的教學內容、理論與實踐的割裂、脫離企業真實工作情境的教學環境等現象，以至于任務驅動和工學結合的教學方法難以實施，不能激發學生的學習興趣、問題意識和創新意識，難以滿足學生在學習過程中的實踐需求、無法保證教學質量，也不能滿足企業對高素質技能型人才的需求[1]。

基于以上該課程特點和目前實際教學情況，如何能夠采用最新的技術快速、高效地改進當前的教學現狀是該課程建設的重要保障。采用虛擬現實技術，利用先進的計算機技術，以實物設備為基礎，開發發動機模擬試車訓練系統[2]，進而借助所開發的發動機模擬試車平臺開展發動機試車實訓項目：在教學前，學生可以通過軟件模擬的方式，對試車技術的步驟和難點進行反復觀察和模擬訓練；在教學中，學生可以通過軟件自行進行發動機模擬試車，既可以規避試車的安全風險和財力的消耗，又可以讓學生更快地掌握發動機試車流程和試車技術，更能滿足高職院校對學生的職業技能、職業素養和質量意識的培養[3]。

二、模擬試車訓練系統的功能模塊建立基本原則

在進行模擬試車訓練系統的功能模塊建立時，必須要全面考慮將發動機真實試車的場景在教學課堂上呈現，創建基本符合企業真實工作情境的教學環境[4]，對每一個性能參數（轉速、推力和壓力等）、開關的轉換、信號燈指示、功能檢查等變化規律，基本符合發動機真實試車各性能參數的變化規律和邏輯關系，達到逼真的視覺感受；同時，將發動機工作時的轟鳴聲交融到發動機轉速變化中去，增添試車時的聽覺感受，加強模擬試車訓練系統的沉浸感，使發動機模擬試車的視聽效果逼真。模擬試車訓練系統的功能模塊[5]，如圖1所示，不僅可以逼真模擬試車過程，而且可以實現發動機各種故障的模擬，實現對學生綜合、有效性考核，因此，在模擬試車訓練系統的功能模塊建立過程中需要遵守以下原則[6]：

圖1 模擬試車訓練系統的功能模塊

1.真實的視覺效果

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

2.擬合發動機試車現場的聽覺感受

發動機工作時，會發出強烈震撼的聲音，而且會隨著發動機的轉速、狀態的變化發生相應的變化，在模擬試車時，操縱發動機油門手柄而改變發動機的工作狀態，需配置發動機試車時的轟鳴聲并隨轉速的變化交融在一起的功能，讓學生猶如身臨真實感受發動機試車現場的震撼感覺。

3.發動機參數調整

設置發動機的調整內容、調整量、調整參數的變化值，讓學生了解掌握發動機的基本調整內容、調整位置、調整事項的技術要求等，讓學生親身感受到經自己調整后，發動機參數變化的情況，能夠更好地了解發動機的調節規律和調節原理。

4.發動機試車告警設置

在進行模擬試車時，由設定的發動機參數（轉速、推力、排氣溫度、壓力、加減速等）告警提示后，學生能否及時發現并處理操控發動機及時停車，是培養學生遇到各種異常情況下的處理問題的應變能力和一個良好心理素質。因此，在發動機試車參數告警建模時，需考慮學生操控簡潔、方便可行。

5.發動機試車故障設置

對發動機轉速、推力、排氣溫度、壓力、加減速時間等約30多個故障進行設定，在模擬試車過程中，由老師通過筆記本電腦操控發動機試車時參數的變化，故障的設置遵循由淺入深、循行漸進原則，主要依據學生的學習進度、試車技術掌握情況，進行不同類型的故障設置。當故障信號提示后，學生能否及時發現并采取相應措施，并對故障進行分析，提出排除故障的處理辦法和意見，這不僅實現對學生對所學發動機原理、發動機構造、發動機控制等有關試車技術方面知識的一個綜合、有效性檢驗和考核[7]，更是將所學理論知識在實際的試車過程中得到充分應用和鞏固。

6.發動機參數的變化及邏輯關系

所有性能參數邏輯關系、變化次序和變化規律、信號燈指示都必須符合真實發動機試車程序。因此，在建模時，需仔細、反復地進行檢查、驗證、修改。

三、模擬試車訓練系統人機交互界面設計

本系統設計的界面具有清晰、簡潔、色調協調、一致、易懂、明確反饋的特點，能為系統各個模塊的功能實現提供友好的人機交互橋梁，不僅高效地實現了應用程序的功能，而且增加了學生對應用系統的喜愛，強化系統的普遍實用性。本系統人機交互界面主要結構如圖2所示，分別是發動機模擬試車1號、2號和3號等界面。

圖2 人機交互界面結構

在1號界面設計中，界面要素主要包括發動機起動按鈕、各功能選擇轉換控制開關；點火信號、各凸輪協動轉速、轉換信號燈；噴口、燃油延遲、等效電源選擇開關。在2號界面設計中，界面要素主要包括控制轉換開關、加力控制轉換開關，調節開關；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、空中起動按鈕。在3號界面設計中，界面要素主要包括發動機動態參數曲線歷程圖，其中動態參數為：N1、N2轉速、油門角度、推力、排氣溫度等。在4號界面設計中，界面要素主要包括發動機推力、耗油率、T3*溫度、轉差率；發動機起動態參數：滑油出現時間、TQ、QD協動轉數、放氣活門關閉轉數、排氣溫度、起動時間；凸輪協動：DK、XK、XB、JL轉速；加減速性：時間t、轉速N1急增、排氣溫度t4急增；加力接通：時間t、轉速N1急增、排氣溫度t4急增、T4下降、P4下降。在5號界面設計中，界面要素主要包括發動機主要參數模擬儀表；發動機主要工作參數及性能；發動機起動功能性、穩態性能、加減速性、遭遇加速性、高空加速性、轉速差、最小穩定性及燃燒室熄火等。

在故障設置界面設計中，界面要素主要包括轉速、排氣溫度和振動等故障設置。在告警設置界面設計中，界面要素主要包括轉速、壓力、排氣溫度和振動等告警設置。在性能設置界面設計中，界面要素主要包括起動、轉速、推力、壓力、排氣溫度和流量等調整。

四、應用實例及效果

該模擬試車訓練系統可以實現的功能主要有穩態模擬、過渡態模擬和功能性檢查等[8]，其中某型發動機轉速調節器的作用之一是：當飛行及外界大氣條件發生變化時，轉速調節器自動調節供油量，保持發動機給定低壓轉子轉速N1不變，從而保證發動機安全、可靠、穩定的工作[9]。其調節器工作原理、工作過程及靜態誤差既是《航空發動機試車技術》課程的重點，更是難點，常規的理論教學只能使學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速調節器在外界條件發生變化時，如何調節保證發動機N1轉速為恒定、相關參數如何變化以及轉速調節器的靜態誤差。

基于此，借助本文開發的發動機模擬試車平臺，進行模擬教學。本文以檢查轉速調節器的“靜態誤差”為實例，進行模擬試車。在實踐模擬教學中，依托創建的“模擬試車操縱平臺”，轉速調節器經調節后各性能參數（耗油量、轉速、推力、排氣溫度）按調節規律實時的變化著，且變化情況在界面儀表上直觀顯示出來，學生能直觀地觀察到各參數的變化規律及變化量，加深對轉速調節器的工作過程及調節原理的學習理解。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生變化時，檢查轉速調節器保持N1轉速不變的調節情況：噴口直徑在兩個不同的工作位置（最小和最大）所得到的N1轉速差，即是轉速調節器的靜態誤差，相關參數N2轉速、T4溫度、推力等的變化情況，如圖3所示。

通過結果數據對比，得知靜態誤差△N1轉速差等于0.2%，在允許誤差范圍內（規定不大于0.5%），符合轉速調節器的技術規定，表明該發動機模擬試車平臺的可行性、正確性和實用性。

五、結論

本文創新應用虛擬現實技術，改進教學方法，通過一比一的試車操作臺面、工作界面、油門操縱手柄、利用鼠標選擇試車程序中的所有功能檢查、開關轉換、配置發動機試車時發出的轟鳴聲的模擬試車訓練系統進行教學，解決了該課程傳統教學過程的局限性，不再需要高大的試車廠房、試車臺架、試車設備及系統，無需油料的消耗，有效減少教學成本，更沒有安全隱患的存在，就可以直接創建與企業真實工作情境相一致的教學環境，大大提高了課程組織實施、課堂效率、視聽效果，讓學生感受到猶如身臨發動機試車的真實場景。

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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，長沙航空職業技術學院，副教授。

G712

A

1008—6129（2018）04—0009—005