基于VR的渦噴六航空發動機維修教學平臺的設計與模擬排故應用

石承玉　邱峰　施新宇　施浩

摘要：本論文主要介紹一款設計及利用VR的虛擬維修教學平臺來對渦噴六發動機進行拆裝和排故，設計研發出針對渦噴六航空發動機的拆裝實驗虛擬維修教學平臺。通過對渦噴六航空發動機進行精確測繪后，建立三維模型，利用unity3D實現使用VR設備對發動機進行專業、規范的模擬排故維修教學。以航空發動機維修手冊為參考，制作輔助教學軟件以及模擬實際飛機發動機故障的發生、排故分析進行維修教學的拆裝步驟，保證了教學維修過程中的每個步驟都符合規范、符合維修手冊的要求。

關鍵詞：VR;渦噴六發動機;故障排除;authorware;AutoCAD;3ds Max;unity3D;C#;教學軟件;開發編程;虛擬仿真;虛擬現實

中圖分類號： TP18? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0013-02

目前機務維修人員的培訓教學主要依賴學習紙質機務維修手冊和教員的親身實例教學，然而兩種傳統的教學方式都有各有不足之處：紙質的維修手冊內容復雜抽象[1]，人工教學費時費力，對場地和設備有很高的需求[2]。鑒于機務維修多數是對損壞和老化的零部件進行更換，對拆卸與安裝的順序要求嚴苛。于是制作一套基于虛擬現實技術（Virtual Reality）的機務維修教學軟件，并使用其進行模擬故障排故教學與練習，成為當前迫切需要的解決方案。

1 設計過程及實現方法

1.1 測繪及繪制圖紙

使用螺旋測微器測量出所有按照規范流程從渦噴六航空發動機上拆解下來的各個細小零部件，測繪完成后利用AutoCAD繪制零件三視圖并將之前測繪所得的數據準確地記錄在三視圖中，測繪以及繪制圖紙步驟到此完成。

1.2 建立三維模型并渲染

3ds Max是利用計算機技術建立三維物體模型的軟件，不僅可以按照需要的尺寸精確地建立三維模型，還可以將平面三視圖轉換為三維物體模型[3]。利用3ds Max軟件將繪制好圖紙轉換成各零部件的三維立體模型，再將其在3ds Max中組裝成完整的發動機。之后對模型添加符合原零件本來顏色的材質球，以及改變模型的金屬材質。使模型更加仿真，以達到虛擬現實的效果。

1.3 編程及建立引導報錯系統

本虛擬維修教學平臺涉及使用頭戴顯示器以及操作手柄，需要對操作手柄上的各個按鍵功能進行自定義。利用Unity3D的編程語言——C#語言（C#語言在Unity3D中屬于強類型語言[4]，沒有C#語言的使用能力將在Unity3D中寸步難行）編寫可執行動畫與交互腳本，使模型各零件模型可拾取、可放置。此外當學員的虛擬手掌移動到各模型上方時可彈出零件名稱、相關功能介紹以及引導文字。引導文字可以使學員按照正確的順序拆裝航空發動機模型上的各個零件。如學員未按照程序編寫的順序拆裝，系統會提示學員操作有誤，并且阻止學員進行錯誤拆裝，以規范學員的維修操作。

1.4 修訂實訓指導書以及使用手冊

編寫了與系統配套的紙質實訓排故指導書，方便本教學平臺的實際排故實訓使用。幫助教員督促學員進行完整的渦噴六發動機排故過程，幫助學員理解航空發動機的工作原理。學員還可通過使用authorware軟件編寫的使用手冊學習各處零部件的工作過程，軟件中還有文字和語音其對工作原理的介紹與解釋，方便學員找出發動機故障。

1.5 模擬實際飛機發動機故障發生以及排故分析

案例：

某航空公司飛機落地轉機，準備起飛。在啟動飛機發動機后，升降舵感覺壓差燈亮起，為確保安全飛機從跑道滑回，然后經過系統復位后升降舵感覺壓差燈恢復正常，飛機準備再次起飛，在跑道上啟動發動機后升降舵感覺壓差燈再次亮起，由于無法確保飛機可以安全飛行，于是派出地勤機修人員去排除飛機故障，機修人員更換了感力計算機，飛機起飛時檢查正常，于是飛機放行。航線結束之后，對飛機進行排故分析。

排故分析：

飛機的升降舵感覺壓差燈亮起的故障原因有很多，主要原因有：氣路故障、油路故障、電路故障和計算機故障等。上述的一些故障在排故手冊以及authorware制作的航空發動機使用手冊中，均可以找到針對各種故障的排故解決方案。這些排故解決方案主要是針對系統中的液力系統相關零部件：比如更換油箱壓力油濾，或是更換皮托管，感覺壓差燈，升降舵感覺計算機等零部件。

學員結合了排故手冊以及authorware制作的航空發動機使用手冊分析后得出結論：導致本次故障發生的原因是感覺計算機故障或者是由于系統相關零部件過臟，導致系統油箱壓力油濾、液力供油組件油濾堵塞引起的。同時還有可能是由于感覺計算機的靜壓管、皮托管因為天氣原因（天氣過于寒冷導致管路內結冰、下雨時雨水進入管路）發生管路阻塞或是其他原因，比如昆蟲誤入管路發生阻塞。由于上述故障在本次的排故分析模擬中，避免考慮維修教學平臺以外的因素，所以學員考慮更換感覺計算機，更換液力系統油箱壓力油濾以及液力供油組件油濾。這里僅用更換油箱壓力油濾為例，做模擬實際飛機發動機故障發生以及排故分析。

經過對照排故手冊以及參考通過authorware制作的航空發動機使用手冊，學員拆裝了感力計算機，更換了液壓系統油濾以及油箱壓力油濾，同時學員還依據實訓排故指導書吹洗了升降舵管道，并對升降舵系統進行放氣并進行相關系統測試。測試完成后，飛機恢復正常。

2 結論

本文中的教學系統利用虛擬現實技術實現機務維修教學與模擬排故培訓，使用虛擬現實技術顛覆了傳統的教學方式，在教學方面有著傳統教學無法比擬的優勢[5]：學員對教學內容的理解更加直觀，教員在教學過程中更加省時省力。學員使用虛擬現實技術的教學平臺，通過佩戴頭戴顯示器還可減少外界信息的干擾[6]，與傳統的教學方式相比，還會因為虛擬現實技術的沉浸感以及直觀的學習方式，使其在學習過程中更加投入，學習效率也將會大大提高。通過模擬排故培訓可以使學員得到專業的機務排故訓練，并且規范了學員的維修操作。日后如將本虛擬維修技術推廣到各大航空院校中，對機務維修人員的航空器維修學習將會是極大的幫助。

參考文獻：

[1] 張佳琪，曹殿波.“電子教材”對新型立體教材開發的啟示[J].中國教育信息化，2019（9）：39-42.

[2] 柯紅紅.VR技術在虛擬實驗實訓教學設計中的應用[J].信息記錄材料，2019，20（6）：141-142.

[3] 黃思.3Dsmax真實場景效果制作與應用性的分析[J].科技風，2018（19）：95，97.

[4] 江紅偉，吳兆明.Unity腳本執行周期算法與時間體系[J].電腦知識與技術，2018，14（32）：230-232.

[5] 于文東.虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用分析[J].汽車實用技術，2019（14）：231-232.

[6] 甘甜.VR技術在教育應用過程中的功用、實踐維度與教師角色的轉向[J].赤峰學院學報（自然科學版），2019，35（7）：160-162.

【通聯編輯：唐一東】