飛機發(fā)動機一體化設(shè)計課程的研究型教學模式探索

蘇緯儀 孫斐

摘? 要：我國航空發(fā)動機技術(shù)與歐美等航空強國尚存在較大差距，培養(yǎng)高質(zhì)量專業(yè)隊伍是縮小差距的重要途徑。飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計要在飛行器總體性能最優(yōu)前提下進行飛機和動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計，兼具基礎(chǔ)性和前沿性兩大特點，非常適合開展研究型教學模式。為此，該文在國內(nèi)幾大航空院校課程體系調(diào)研的基礎(chǔ)上，重點闡述了飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計課程研究型教學模式的重要性、必要性和迫切性，并進行了研究型教學模式的初步探索嘗試。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機? 飛機? 飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計? 研究型教學

Abstract： There is a big difference of the aero engine technology between China and the developed countries such as American and the United Kingdom. It is a good approach to reduce the gap by cultivate high quality professional engineers in this field. The Aircraft/Engine integration design requires that the aircraft and aero engines should be designed under the condition that the airplane has maximum total performance， which is fundamental and advanced， and very suitable for research based teaching. Based on the investigation of the curriculum system of several major domestic aviation colleges， the importance， necessity and urgency of the research based teaching for the course of Aircraft/Engine integration design is depicted in detail and conducts a preliminary exploration of the research-based teaching model.

Key Words： Aero engine; Aircraft; Aircraft/Engine integration; Research based teaching

1916年，著名教育家約翰·杜威（John Dewey）[1]從理論上證實了科學研究的必要性，并創(chuàng)建了問題教學法。20世紀五六十年代，美國教育家布魯納（Jerome Seymour Bruner）[2]提出了重視科學的知識結(jié)構(gòu)、發(fā)展學生智力、培養(yǎng)學生學習能力的認知理論結(jié)構(gòu)和“發(fā)現(xiàn)法”教育觀。在此基礎(chǔ)上，施瓦布（Joseph.J.Schwab）[3-5]進一步提出了探究式教學方法[6-7]。此后，探究式教學模式備受諸多高等院校青睞，甚至一些中學也在極力推崇這種教育理念。

不同于中學階段，本科階段的學習本身具有較強的專業(yè)性和前沿性。隨著學生知識能力的提高，在本科和研究生教學過程中，貫徹知行合一理念、把學習過程和研究過程辯證統(tǒng)一起來進行教育教學是現(xiàn)代高等教育發(fā)展的重要趨勢之一。同時，將科學研究、社會服務(wù)和培養(yǎng)人才幾大功能耦合起來開展教育教學是對現(xiàn)代高水平研究型大學職能的升華。另一方面，高等教育階段不僅是研究型教學的溫床，同時也是提升國家創(chuàng)新能力的重要途徑。世界一流的大學不僅僅要傳授知識，也要“生產(chǎn)”知識，在培養(yǎng)人才的過程中為人類文明做出貢獻。因此，研究型教學具有重要意義。

航空工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，而航空發(fā)動機是這個皇冠上的明珠。目前，全球能自主研發(fā)軍用航空發(fā)動機的國家寥寥無幾，而能研發(fā)民用航空發(fā)動機的國家進一步減少[8]。現(xiàn)階段我國和西方國家在軍用和民用航空發(fā)動機領(lǐng)域均存在較大差距。“十三五”期間開始，我國已經(jīng)從國家層面推出了兩機專項戰(zhàn)略，希望從科學技術(shù)上突破航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)。然而，從高等教育層面如何提升我國航空發(fā)動機人才培養(yǎng)？這方面的教學研究還不多。不言而喻，從大學教育層面提升未來航空發(fā)動機研發(fā)人員的專業(yè)素養(yǎng)對于我國航空發(fā)動機的發(fā)展來說是一個戰(zhàn)略性的問題，不僅可以為我國航空發(fā)動機行業(yè)培養(yǎng)源源不斷的、高質(zhì)量的科研人員，同時，科教融合也能對航空發(fā)動機生產(chǎn)研制產(chǎn)生積極的反哺作用。

航空發(fā)動機是飛機的動力部件，但航空發(fā)動機又包含若干子系統(tǒng)。航空發(fā)動機的設(shè)計非常復(fù)雜，涉及了流動、燃燒、結(jié)構(gòu)、材料、加工、多學科優(yōu)化、計算流體力學等諸多學科，具有高度專業(yè)化的特點。過去教學過程中我們發(fā)現(xiàn)，單調(diào)地傳授知識往往調(diào)動不起學生的積極性，學生在教學過程中的參與度不高，很大程度上影響了教學效果。

長期以來，我國航空院校課程體系中，航空發(fā)動機課程更多是基于部件進行設(shè)置，如進排氣系統(tǒng)、燃燒室、葉輪機原理等，而缺乏一門從飛機總體性能層面進行飛機/發(fā)動機一體化匹配設(shè)計的綜合性課程[9-11]。該文主要從飛/發(fā)一體化課程的特點出發(fā)，闡述該課程研究型教學的必要性。同時，對如何開展研究型教學給出了相關(guān)建議。

1? 開展飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計課程的必要性

1.1 航空工業(yè)的發(fā)展使得飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計越來越重要

航空發(fā)動機推力和進排氣流量增大使得飛機/發(fā)動機相互影響加劇。早期噴氣發(fā)動機推力200～300 kg，2000年已達54 620 kg[12]。這就意味著流過發(fā)動機進氣道的空氣流量和噴管排除的燃氣大幅度增加。進氣道吸入和噴管排出氣體流量的增加使得發(fā)動機周圍機體流場的壓力和速度發(fā)生顯著變化，嚴重影響了飛機升力、阻力和俯仰力矩等參數(shù)，因而發(fā)動機工作特性對飛機氣動特性的影響不可忽略。另一方面，飛機升阻和俯仰特性變化又反過來影響發(fā)動機的工作狀態(tài)及推力特性，導(dǎo)致飛機機體和推進系統(tǒng)之間產(chǎn)生強烈的相互干擾、相互影響機制。機體和推進系統(tǒng)之間強烈的相互作用、相互耦合是飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計的內(nèi)在需求。

飛機性能的優(yōu)劣，發(fā)動機起決定性作用，而發(fā)動機的選型和設(shè)計又離不開飛機總體性能以及飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計的約束和限制。發(fā)動機單項性能指標再高，如果和飛機總體不匹配，飛機總體性能達不到最優(yōu)，而且還會導(dǎo)致飛機成本的浪費。飛機/發(fā)動機一體化是協(xié)調(diào)總體/部件矛盾的學科，是任何飛行器型號研制必須考慮和深入研究的課題（見圖1），同時，也是解決如何協(xié)調(diào)部件參數(shù)從而使得飛機總體性能最佳的一門課程。

隨著飛行器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，以往基于經(jīng)驗的設(shè)計逐漸被自動化精細化設(shè)計所替代，尤其是計算機科學的發(fā)展，給飛機發(fā)動機一體化優(yōu)化設(shè)計帶來新的契機，非常有必要給未來從事航空發(fā)動機或飛機設(shè)計的本科生進行此方面的專業(yè)教育。

1.2 非安裝性能和安裝性能的巨大差異是飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計的另一內(nèi)在需求

發(fā)動機屬于飛機的一個子系統(tǒng)，因而國內(nèi)航空發(fā)動機課程更多側(cè)重航空發(fā)動機各個部件與熱力循環(huán)以及部件特性的講授，而關(guān)于飛機總體和發(fā)動機一體化設(shè)計的專業(yè)課程以及相關(guān)配套教材卻比較缺乏。

在現(xiàn)有研發(fā)體系下，發(fā)動機通常會進一步被分解成若干部件給各個研究室，總體部門通常會把部件尺寸、重量以及性能參數(shù)等約束提供給研究室，通過各部件設(shè)計、加工、裝配之后，形成發(fā)動機子系統(tǒng)。最終發(fā)動機和進排氣系統(tǒng)裝配到飛機上。然而，地面試驗測試的發(fā)動機推力和裝配到飛機上之后的推力存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機安裝到飛機上后，排氣系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機推力損失可達10%～15%，非設(shè)計狀態(tài)下，推力損失可達25%～30%[13]，非設(shè)計狀態(tài)偏離得越遠，非安裝推力和安裝推力直接的差異越大。

因此，發(fā)動機子部件性能最佳不等于發(fā)動機總體性能最佳，發(fā)動機性能最佳不等于飛機總體性能最佳，飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計正是從飛行器總體最佳的角度開展飛機和發(fā)動機一體化設(shè)計的一門專業(yè)課程。毋庸置疑，在未來航空發(fā)動機和飛機設(shè)計教育體系中，飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計占據(jù)舉足輕重的位置。國際方面，美國為了研制一種比F-22性能更先進、價格更低廉的空對空戰(zhàn)斗機（Air-to-Air Fighter： AAF），專門組織了一批專家編撰了專著《Aircraft Engine design》，其出發(fā)點也是為了培養(yǎng)更多的航空發(fā)動機和飛機設(shè)計專業(yè)人才[8]。因此，從航空發(fā)動機研制的國家戰(zhàn)略層面考慮，國家不僅要從科研層面進行兩機專項的立項支持，也需要從教育層面考慮，如何培養(yǎng)為了具有競爭力的航空發(fā)動機設(shè)計工程師。

1.3 吸氣式高超聲速組合動力的發(fā)展使得飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計成為必然

未來，以航空發(fā)動機為基礎(chǔ)的組合動力是全球空天推進研究的趨勢，例如渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（TBCC）、預(yù)冷組合發(fā)動機等。

目前，航空發(fā)動機研制過程中，各部件采用分工、獨立設(shè)計，但對于裝配吸氣式動力裝置的高超聲速飛行器而言，飛行器機體與推進系統(tǒng)以及推進系統(tǒng)各部件之間存在強烈的相互干擾，且機體和推進系統(tǒng)之間甚至很難找到明顯的分界線。

以吸氣式超燃沖壓發(fā)動機為例，其飛行器前體不僅承擔了機體產(chǎn)生升力的功能，同時，前體也承擔了參與捕獲、壓縮空氣的功能。另外，進氣道和燃燒室之間也存在強烈的相互作用，一方面，進氣道-隔離段出口流場影響燃燒室燃燒的組織和釋熱，同時，燃燒室釋熱變化又會以反壓形式通過邊界層和激波串來影響進氣道-隔離段的流動。

因此，超燃沖壓發(fā)動機及飛行器研制過程中，必須從機體/推進系統(tǒng)、進氣道-隔離段/燃燒室、燃燒室/尾噴管/后體之間的一體化角度出發(fā)，兼顧飛行器和發(fā)動機整體性能，各部件不能獨立設(shè)計。針對未來空天動力的發(fā)展趨勢，應(yīng)對高速化和高超聲速化動力系統(tǒng)的發(fā)展機遇，必須加強航空發(fā)動機專業(yè)本科生的學術(shù)視野，加強飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計相關(guān)的研究工作。

綜上，開展飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計研究型教學是航空動力發(fā)展到一定歷史階段的必然需求。

2? 研究型教學模式的實施方案

飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計是最適合開展研究型教學模式探索的課程，下面我們將結(jié)合這門課的內(nèi)容，闡述如何開展研究型教學。

2.1 通過激發(fā)學生的主觀能動性開展研究型教學模式探索

飛機/發(fā)動機一體化課程包括了航空航天概論、飛機性能、吸氣式噴氣推進原理、發(fā)動機性能模型、優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)力學等多學科交叉內(nèi)容。在教學過程中，要充分調(diào)動學生的主動參與意識、避免被動接受知識，尤其是要重點培養(yǎng)學生檢索文獻資料的能力和科技論文規(guī)范撰寫的書面表達能力。

在講授飛機性能之前，可以要求學生對國內(nèi)外幾種典型戰(zhàn)機性能數(shù)據(jù)就行檢索、整理，獲得各代典型戰(zhàn)機的主要性能指標，建立數(shù)量級意識;講授飛機性能內(nèi)容之后，培養(yǎng)學生根據(jù)文獻檢索獲得的主要參數(shù)估算戰(zhàn)機性能的能力，增強學生對知識的應(yīng)用能力。這樣，學生主動采用飛機性能分析方法對文獻檢索結(jié)果進行整理、分析、計算，并最終按照科技論文的格式撰寫成報告。不僅可以提高學生的積極性，還能培養(yǎng)其主動檢索信息、分析計算和科學規(guī)范的書面表達能力。

這里需要注意的是，教師要充分考慮到本科生時間和精力。一般專業(yè)選修課被安排在大三或大四，學生通常會面臨找工作、考研以及其他課程的學習，如果任課教師不實事求是考慮學生的精力，有可能導(dǎo)致學生敷衍，甚至抄襲等行為，從而違反了開展研究型教學的初衷，因此，這樣的活動要求少而精，不宜過多。學院在安排研究型教學的時候，最好通盤考慮，從宏觀上規(guī)劃學生的課程群。

2.2 通過過程考核方式來開展研究型教學模式探索

研究型教學模式的考核與傳統(tǒng)考核模式不同，傳統(tǒng)考核模式更注重期末考試，任課教師通常采用出期末考試試卷的形式，來考查學生對教學大綱內(nèi)容的掌握程度，并以考試成績的形式對學生學習情況做出鑒定，這種考察方式更多體現(xiàn)在對結(jié)果的考核。研究型教學模式需要增加學生學習過程的考核，既要像傳統(tǒng)授課模式那樣完全達到教學大綱的要求，又要考核學生學習過程的主動性、積極性。如果對學習過程沒有考核，或者考核力度不夠，則不利于研究型教學模式的開展。

因此，研究型教學模式開展，要從教學大綱層面統(tǒng)籌規(guī)劃，設(shè)置階段性過程學習的分值比例，并嚴格設(shè)立考核標準。既要從激發(fā)學生主觀能動性方面提高學生學習的自主性和積極性，還必須設(shè)立嚴格的考核標準督促學生參與研究型教學過程的學習。

2.3 通過強化應(yīng)用來開展研究型教學模式探索

從教學內(nèi)容上，飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計包含了飛機性能、推進系統(tǒng)性能、發(fā)動機性能模型、優(yōu)化設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)力學和飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計應(yīng)用案例幾部分內(nèi)容。涉及的學科多、知識面廣，如果采取傳統(tǒng)教學模式，學生很大程度上會孤立地接受各部分的教學內(nèi)容，而采用研究型教學模式，有望能使學生理解各部分知識體系之間的相互聯(lián)系、加強其對知識的掌握應(yīng)用。

對飛機發(fā)動機/一體化設(shè)計課程而言，引導(dǎo)學生綜合應(yīng)用飛機性能和推進系統(tǒng)性能各部分的知識體系，建立飛機/發(fā)動機一體化性能分析模型，并采用所學的優(yōu)化方法對飛機性能進行一體化優(yōu)化設(shè)計，并安排一定學時的程序編制和上機實驗，不僅可以強化學生對知識的全面掌握和靈活應(yīng)用，避免以應(yīng)試為目的死記硬背方式，還能使學生深刻感受到飛機、發(fā)動機設(shè)計參數(shù)與性能指標的取值范圍和量級概念，使得課堂教學更加貼近實際。

3? 結(jié)語

綜上所述，飛機/發(fā)動機一體化設(shè)計課程是培養(yǎng)未來從事飛機或發(fā)動機研發(fā)人員的重要課程，改變傳統(tǒng)教學方式、進行研究型教學模式改革是飛行器設(shè)計和發(fā)動機研究發(fā)展的必然要求，也是為了配合我國“兩機專項”國家計劃為我國航空發(fā)動機培養(yǎng)合格人才的教育舉措。對我國航空發(fā)動機乃至整個航空航天領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

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