飛機供電系統虛擬仿真實驗教學模式探索

于 立， 張卓然， 王 莉， 楊善水， 魏佳丹

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

大飛機工程是增強國家核心競爭力的重大戰略決策，是國家意志的體現。多電飛機技術推進了大飛機電氣化發展，采用電能替代傳統飛機中的液壓能和氣壓能，簡化了飛機二次能源系統，提升了能量管理效率，降低了污染物排放[1]。多電飛機技術是引領智能航空、綠色航空發展的重要方向，已成為歐美各國競相追逐的新的航空科技革命，對我國飛機電氣系統創新型人才培養提出了迫切需求[2]。

多電飛機供電系統是高度復雜的機載系統，安全可靠性與穩定性要求很高。機載設備、線纜工作在振動大、密閉不通風的惡劣飛行環境下，容易發生短路、斷路、電弧等電氣故障，需及時定位與排除并對飛機供電系統進行重構，以防故障蔓延導致飛機災難發生。因此，多電飛機供電管理和故障重構技術對保障飛機安全可靠飛行有至關重要的作用[3]，相關實驗教學是提升學生實踐能力的重要環節。然而，開展多電飛機供電管理與故障重構實物實驗教學存在以下難點：①大型飛機電氣系統復雜，實驗難度高；②飛機專用電氣設備多，實驗總成本高；③大功率電氣系統對專業操作水平要求高；④故障設備具有高危險性和不可逆性；⑤高空飛行環境等特殊條件在實驗室難以真實模擬；⑥傳統實驗模式無法滿足探究性開放式實驗要求。

可見，多電飛機供電管理與故障重構實物實驗教學難度高、成本高、危險性高以及現實不可及，嚴重影響航空電氣類專業技術人才工程實踐能力和創新能力的培養。本文提出將“虛擬現實+互聯網”技術融入大型多電飛機供電系統實驗教學，借助虛擬仿真手段，構建虛擬仿真實驗教學系統，解決多電飛機供電管理和故障重構實物實驗存在的突出問題[4,5]。通過虛擬仿真實驗能夠提高學生及相關技術人員對飛機供電系統的認知和實踐水平，培養其對飛機供電系統及其控制策略的設計能力。

1 實驗總體設計

根據航空電氣類專業培養方案，同時結合實際科研與工程實踐數據，本實驗共需4學時，設置4個環節：①電氣系統認知環節，突出基礎認知的系統性；②供電系統設計環節，強調實驗體系的創新性；③系統動態測試環節，注重供電管理策略的人機交互性；④系統故障重構環節，重點提升對故障定位與重構的綜合分析與實踐能力。分為“典型認知”-“綜合訓練”-“系統探索”三個層次，深入淺出，注重基礎與探索研究并重。

圖1 實驗環節總體規劃

本實驗以多電飛機供電管理與故障重構技術為核心，由多電飛機供電系統基本知識、供電系統設計、供電管理以及供電系統故障重構四方面展開，共涉及14個知識點，包括飛機供電系統的組成、作用與特點，飛機多通道供電系統的電網結構，飛機供電系統的余度、容錯和不中斷供電的設計要求以及系統各部件故障特征和故障定位、隔離方法等。

每個環節均需要提交環節報告，并給出得分，最終自動生成實驗報告與成績并提交。

2 實驗項目原理與設計

2.1 實驗準備階段

在瀏覽器中輸入本實驗網址，遠程打開本實驗。進入實驗大廳，如圖2所示，學生先依照菜單引導熟悉實驗界面功能，包括實驗簡介，實驗環節菜單欄以及幫助菜單欄。點擊實驗簡介，了解實驗背景和目的等。本實驗構建有航空供電知識補給站(即知識角)，如圖3所示，作為實驗前的準備環節，提供與知識點相關的文字、圖片與視頻資料，幫助學生自主學習，快速掌握多電飛機供電系統方面的必要預備知識。實驗過程中，學生遇到困難可以隨時打開步驟提示并與課程顧問教師聯系。

圖2 實驗大廳界面

圖3 內容豐富的知識角

2.2 電氣系統認知環節

在第一個實驗電氣系統認知環節中，圖4為大型多電飛機虛擬場景，可移動視角，逐個點擊高亮顯示的地面電源、機翼電作動機構、以及艙內配電裝置、變壓整流器等，出現彈窗注釋，學生觀察并理解飛機重要電氣系統裝置的位置與功能。點擊機身可隱藏飛機外殼，可觀察到發動機內部的大功率起動發電機，點擊起動發電機后出現爆炸展示與各子部件功能注釋框，使學生能夠更深入觀察學習起動發電機結構與原理，如圖5所示。

圖4 多電飛機電氣系統認知虛擬場景

圖5 起動發電機爆炸圖展示

2.3 供電系統設計環節

第二個實驗環節供電系統設計如圖6所示，界面左側為模型庫，包含有發電機、變壓整流器、蓄電池等。從模型庫中拖動相應的部件置于電網系統中并控制閉合相關接觸器。系統架構搭建完成后，計算并輸入各個部件的參數，點擊右側電網結構輸出，則可自動完成對所設計系統的主要指標計算，完成系統靜態評估。學生參考系統計算得出的電網各項指標值，可繼續對系統拓撲以及輸入參數進行優化。經多次探索迭代后，點擊優化設計評估按鈕，重要評估參數對比結果將以雷達圖形式給出，如圖7。學生根據對比結果進行多次設計優化，系統可顯示多次優化效果，使學生獲得探索性設計結果的直觀對比，幫助其更好的掌握供電系統優化設計規律。

圖6 電網結構搭建設計

圖7 雷達圖形式呈現電網指標評估結果

2.4 系統動態測試環節

第三個實驗環節為系統動態測試。在駕駛艙面板上，按下紅色按鈕后飛機進入準備階段，輸入并完成起動過程參數設置，飛起正常起飛，如圖8所示。并網發電后，在不同飛行階段出現結冰、氣流、以及起落架收放要求等事件，學生根據提示，控制多電化電氣負載的接通/斷開，如圖9所示，觀察界面右上角負載功率變化以及右下角實時顯示的電壓電流波形，掌握飛行過程中電網動態特性，并驗證環節二設計的電網滿足不同飛行階段要求。

圖8 飛行階段電網動態情況

圖9 遭遇氣流后控制機翼擾流板電作動機構

2.5 系統故障重構環節

第四個實驗環節是系統故障重構。環節開始時，系統按照雙發電通道電網結構正常運行。在從準備、滑行、起飛一直到停止的全飛行階段，系統隨機、突發不重復地生成短路、斷路、電弧等某類故障，如圖10所示。故障發生后，進入機艙內，切換不同視角，尋找并點擊艙內電氣部件，依據電壓電流波形初步確定故障位置。進一步定位并切除故障點。同時，學生需創造性設計不同供電路徑并閉合相關接觸器，進行系統重構，保證所有應急匯流條不中斷供電，如圖11。當在一定時間內沒有找到故障或者沒有正確進行故障重構，則設備將引發爆燃，造成飛機失事等嚴重事故。

圖10 爬升階段電網遭遇突發故障

圖11 定位故障后隔離故障匯流條

3 特色與創新

本虛擬仿真實驗教學系統在圍繞國家戰略需求、科技前沿、“兩性一度”金課標準[6]、以及仿真度方面特色鮮明：

(1)國家戰略：瞄準國家大飛機戰略需求，以系統培養航空電氣特色專業學生創新實踐能力為目標，具有突出的大飛機專業特色。

(2)科技前沿：多電飛機技術能夠降低油耗與污染排放，提升系統效率，是踐行綠色航空的重要舉措，是航空科技發展方向與前沿技術。

(3)“兩性一度”：在實驗技術方案、互動教學方法、教學形式、實驗方法、虛擬現實技術應用方面具有較強的創新性。包含自由設計、探索尋優式設計、開放式任務以及隨機性題目，挑戰度高，激發學生求知與創新學習的欲望。

(4)仿真度：飛機供電系統部件、供電系統電網結構以及底層數據等核心要素，均來源于團隊在航空電源系統方面長期研究與實踐的數據，電弧故障和其它部件故障的波形數據來源于科研實驗結果，仿真度很高。

4 結語

當前，圍繞立德樹人、實踐育人根本任務，教育部積極推動現代信息技術與實驗教學項目的深度融合。多電飛機供電管理與故障重構虛擬仿真實驗以打造金課為目標，能夠拓展實驗教學內容廣度和深度、提升實驗教學質量和水平，服務航空航天供電系統課程體系，具有如下優勢：

(1)有效解決大型飛機供電系統實物實驗教學成本高、危險性大等難題。

(2)通過人機交互式虛擬場景，加速學生對大型飛機供電系統基礎知識的理解和深化。

(3)通過探究式綜合訓練，顯著提高學生對飛機供電系統優化設計與故障重構策略的自主設計與創新能力。

(4)利用互聯網的開放特點，面向行業和社會資源共享，踐行服務社會宗旨，能夠取得很好的社會效益。