基于新工科的《直升機結構監測技術》實驗課程開發

陳 晨，孫 鵬

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢618307）

0 引言

隨著我國通航產業的迅速發展，直升機等通用航空器的相關需求也日益擴大，飛行員、機務、空管等從業人員數量逐年增加（圖1）[1]。但隨著技術更新，新機型引進等原因，很多機務人員不能適應這種變化，造成排故不暢甚至維修事故，這都為飛行安全埋下隱患，嚴重制約我國通航發展。為適應科技進步，保障我國通航產業持續穩步發展，首先要保障機務維修人才的數量和質量。為此，本文基于新工科理念[2-3]，開發一門新型教學演示實驗課程——《直升機結構監測技術》，以提高機務維修人才的理論素養和動手能力。

圖1 直升機駕駛員執照數量統計圖

1 課程建設的思路

近年來，作為提高通航飛行安全及可靠性的新技術，狀態與使用監控系統（Healthy and Usage Monitoring Systems，HUMS）在直升機上得到了大力發展及廣泛應用，并大有替代傳統檢測維修方式的趨勢[4]。HUMS可對直升機實現實時在線監控，提取結構特征參數，識別結構完好程度和故障信息，從而實現對結構狀態評估。自1991年美國西科斯基在S-61上安裝并成功獲得CAA的適航認證以來，HUMS產品已經累計使用了80萬飛行小時，并按每星期1 600飛行小時的速度繼續累計，且成為很多公司的標配。目前，我國也引進了越來越多裝有HUMS的通航直升機。

通航產業具有發展迅速、技術更新快的特點，而傳統教學往往跟不上時代步伐，依舊停留在老舊的技術方法中，使學生畢業后與不能適應當代新技術發展。為培養出適應時代發展的高端直升機維修機務人才，我校積極采取相應的教學改革措施，摒棄老舊技術，及時跟進當代新技術，基于新工科理念，用新理論、新知識、新技術更新教學內容，保障高質量人才輸出。在此背景下建設《直升機結構監測技術》教學演示實驗課程，將HUMS這項新技術引入到相關專業教學中，讓學生在校時就學習并理解先進監測技術的工作原理與使用維護方法，以提高學生畢業后的適應能力并提高通航從業人員整體水平與素質，使其成為緊跟新時代、新通航發展的優秀機務人員。

2 課程建設的內容

2.1 教學理念

機務是一個既要求動手能力強，又要求理論基礎扎實的工作，為培養高素質機務人員，必須在校期間就開始培養其相關能力，而樹立正確的教學理念是其前提。在《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》中，明確了高校創新教育改革的新方向，即在傳統工科基礎上結合未來技術和經濟發展的新要求，構建具有行業特色的人才培養模式。培養新型復合式人才，具備終身學習的素質才是正確的培養方向。基于以上理念，調整直升機機務人才培養的培養方案，確保其有足夠的實踐、動手和思考課時，結合本門新增課程，提高素質，達到完善教學體系，提高教學質量的目的。

2.2 平臺搭建

HUMS是一個集航空電子設備、地面支持設備及機載計算機監視診斷產品于一體的復雜系統。它包含一系列的傳感器，并通過各種算法監控發動機、傳動系統、旋翼系統、滑油碎屑和機架的狀態[5]。由于HUMS集成度高、已嵌入了聲發射監測系統、壓電傳感監測系統、智能涂層監測系統以及基于應力應變的損傷監測系統等模塊，若直接購買帶有HUMS的直升機進行教學對于學生來說過于復雜，在開發課程時，僅針對其關鍵部分——振動傳感系統進行演示，搭建監測平臺，開發實驗課程。該平臺主要包括振動傳感器與數據采集系統，通過振動傳感器獲取機體振動數據，并由數據采集系統采集記錄，最終通過頻域分析或智能算法獲取振源位置。

2.3 教學條件

我校是機務培養的主力院校之一，具有雄厚的師資力量和優異的教學條件。該課程實施的場地選為新津分院。新津分院為我校培養直升機飛行員和機務人才的主力分院，擁有多種型號的直升機、飛行教員、成熟機務和相關場地建設等硬件條件。本課程平臺擬選擇R44直升機作為研究對象和實驗目標，在R44機體上安裝（不破壞機體結構）振動傳感器并搭建測試實驗平臺。在外場空地上展開課程實驗，并在實驗前準備好防火設置。實驗全程有相關機型的成熟機務人員陪同監控，以確保安全和實驗順利進行。

2.4 教學方法及過程

根據新工科的培養目標，學生應在掌握專業理論的基礎上，加強實踐環節。首先調整培養計劃。該課程屬于新增課程，選擇合適的時機開展，才能達到更好的教學效果。安排開展本課程之前，學生已學習過《直升機結構與系統》或《直升機振動與平衡》課程，確保其理解和掌握機械振動基本原理及椎體平衡基礎知識，為本門課程打下良好基礎。

開展課程教學的基本流程如圖2所示，首先，對學生做好安全教育，防止實驗過程中出現意外。

圖2 課程開展流程圖

閱讀實驗手冊，對振動原理及直升機振源、直升機旋翼尾槳平衡方法進行簡單復習，并循序漸進，溫故知新地引出HUMS系統的工作原理。展開介紹HUMS系統主要是由機體振動數據判斷故障的，根據振動的頻率、位置、振型等要素，定位振源部件[6]。通過交流互動的方式讓學生參與討論，并提出振源假設及其振動特性，以及表現形式，梳理整個理論脈絡，促進學生積極思考，主動交流。

在此基礎上反推振動傳感器的布局方式以及布局位置，引入實驗流程，介紹傳感器布置，數據線連接以及數據采集設備的使用方法。重點介紹數據采集系統的數據提取和數據處理方式。根據振動波形的頻域分布圖，監測各旋轉部件工作狀態，從而定位故障位置并推測可能的故障原因，最終根據推測，依次實踐排故流程，直到排除故障（此故障在實驗前預先設定，但并未告知學生）。作為課后拓展與提高，安排學生自學智能算法的基本原理，并套用已有的成熟算法，處理實驗時獲取的振動數據，定位故障部件，以達到提高綜合素質的目的。

綜上，該課程是一門基于新工科理念開發的實驗課程，摒棄傳統填鴨式教學，通過與學生交流、互動、探討的方式引導學生思考，參與課堂討論，激發學生的積極性與熱情，在提高理論素養的同時提高分析和解決問題的能力，達到教學要求。

3 總結

基于新工科理念開發教學演示實驗課程《直升機結構監測技術》，搭建了直升機振動監測的教學演示平臺，將復雜的HUMS系統簡化為單純的振動監測系統，既保留了其核心技術，又使學生容易理解和掌握。并通過交流探討、互動式教學激發學生的熱情與積極性，通過課后作業引導學生獨立學習和思考，達到提高直升機維修人才專業素養和動手能力的目的，為我國通航發展提供堅實的后盾和人才保障。