論虛擬仿真實驗在航空發動機教學中的重要性

俞凱凱　徐驚雷　葛建輝

摘? 要：航空發動機事關國家政治、國防以及經濟等，是一個國家綜合國力的體現。由于我國航空事業起步晚，盡管經過多年的發展，我國的航空發動機技術仍落后于歐美國家，其中航空發動機人才培養是制約著航空發動機技術發展的重要瓶頸之一。由于航空發動機實驗成本高、難度大、污染高等原因，高校針對航空發動機專業的教學仍局限于理論課本教學，無法讓學生切身掌握航空發動機的工作原理，極大地影響了專業人才培養的質量。虛擬仿真技術是教育部2018年提出的教育建設工程，可以有效地解決航空發動機整機實驗中遇到的各類難點。文章以南京航空航天大學航空發動機原理仿真實驗平臺為例，闡述了虛擬仿真的必要性和組成結構，論述了虛擬仿真技術在航空發動機教學的重要性。虛擬仿真技術可以進一步促進我國航空發動機人才的培養，助力我國航空工業發展。

關鍵詞：航空發動機原理;實驗;教學;虛擬仿真

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）16-0083-05

Abstract： Aeroengines affects the development of the nation politics， defense and economy， which represent the comprehensive national strength. After years of development， the aeroengines technology in China is lagging far behind that in the developed countries due to the late start of the aviation industry in China， which is mainly caused by the personnel training in aeroengine. Because of the high cost， serious pollution and great difficulty， the aeroengine education in high school still focuses on the theorical book teaching instead of the aeroengine experiments. Thus， the students cannot fully understand the working principle of the aeroengine， which will affect the quality of the professional training of aeroengine. Virtual simulation technology is an educational construction project proposed by the Ministry of education in 2018， which can effectively solve the difficulties in the aerogene experiment educations. Based on the virtual simulation experimental platform for Aeroengine principle established in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， the paper presents the necessity and composition， demonstrating the importance of the virtual simulation to the education. In a word， the visual simulation can improve the education quality of the aerogene and boost the development of the aviation industry in China.

Keywords： Aeroengine principle; experiments; education; virtual simulation

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，是飛行器的主要動力形式，被譽為現代工業的皇冠。由于其涉及到現代科學的各個方面，氣動熱力、材料、結構、強度、熱防護以及加工等諸多領域，能夠制造出高性能、高可靠性的航空發動機已經成為一個國家科技發展、工業基礎和經濟水平的重要標志。航空發動機除了技術本身難度大，還需要大量的資金投入，國際上著名航空發動機研制商如GE、PW、RR等每年投入經費達10億美金。更為重要的是，航空發動機的研制周期十分長，如著名的F119發動機研制周期長達23年，而且還存在失敗風險。因此，航空發動機研制的高難度、高投入、長周期、高風險等特點造成航空發動機工業的入門難度巨大。目前，能夠獨立研制航空發動機的國家僅僅只有美國、英國、法國、俄羅斯以及中國五個國家[1-2]。由于中國航空發動機研制起步晚，工業基礎相對薄弱，所以遠落后于其他四個國家。因此，國家在2015年開始實施航空發動機和燃氣輪機“兩機”專項，并列為百項重大工程之首[3]，可以看出高素質的航空發動機專業人才培養已經迫在眉睫[4-5]。航空發動機剖面圖，如1圖所示。

一、航空發動機教學的困點

從目前的教學現狀來看，航空發動機的教學仍局限于課本理論教育，缺乏必要的實驗教育，特別是在航空發動機整機特性實驗方面，這不利于培養全方位的航空發動機專業人才。因此，作為“三航”院校，如何培養高素質的航空發動機人才已經成為“三航”院校的難題。目前，航空發動機的教學受制于各類原因局限在課本教育，培養的人才缺乏對航空發動機的總體認知，實踐能力不夠，遠達不到航空發動機工業對專業人才的需求。無法進行航空發動機的整機實驗主要是由如下幾個原因造成的：

（一）航空發動機內部流動不可見

流動的可視化一直是流體力學教學的主要難點，將不可見/不可感受的速度、壓力、密度以及流場結構，利用相關方法進行流場可見是流場測量的難點。一般來說，主要有以下幾種流場顯示方法，如油流/油膜法、紋影法、示蹤粒子法等等，這在簡化的實驗室環境下得到了大量運用。但航空發動機其本身結構精密，具有旋轉速度快、流道模型復雜等特點，無法使用傳統的流場顯示法將流場進行顯示，限制了學生對航空發動機內部流場結構的認識。

（二）航空發動機的性能參數不可摸

航空發動機性能參數種類繁多，如總壓恢復系數、速度三角形、推力系數、燃油消耗率、穩定性裕度、共同工作點、進氣畸變等，這些參數的理論教學抽象，學生無法充分理解這些性能參數對于航空發動機的影響規律，亦不能認識到這些性能參數在航空發動機設計中的重要性。學生僅僅從書本上獲取參數的定義無法建立具體的航空發動機的工作過程。

（三）航空發動機真實實驗成本高昂

普通軍用航空發動機壽命在幾千小時，而價格高達幾千萬左右，每小時運行成本十分昂貴，單次實驗成本在幾十萬左右，普通高校在進行本科教學時根本無力承擔如此高昂的費用，所以在教學過程進行航空發動機原理的整機實驗是不可行的。而僅僅進行理論上的航空發動機教學實驗，終究是紙上談兵，不利于學生全面認識航空發動機原理的相關知識。

（四）航空發動機原理實驗難度大

航空發動機燃燒室、渦輪以及噴管內部溫度最高達1600K以上。在進行實驗時，航空發動機現場實驗安全存在較多隱患，一不注意會給學生帶來非常嚴重的傷害。此外，航空發動機在非正常運行情況下，存在著失速、喘振等極端現象，且很難精確復現，這些現象對于航空發動機是極其致命的，操作不當會直接報廢航空發動機，造成不可估量的損失，因此一般不會做這種風險極大的實驗，因此加大了學生對于這些典型流動特征的理解難度。

（五）航空發動機實驗污染嚴重

利用實物發動機進行實驗教學勢必會消耗大量燃油，產生大量尾氣，進而造成對環境的污染，此外噪聲大也會對周圍環境產生一定的影響，所以在學校，特別是在人員聚集的地方無法進行航空發動機實驗。

二、航空發動機原理仿真教學實驗項目

（一）項目簡介

我國航空發動機研制長期落后于西方國家，很大一部分原因在于航空發動機人才培養中實驗教育的不足。盡管近年來國家對于航空發動機人才培養越發重視，但目前航空發動機的教學仍然局限于課堂教育。被譽為工業皇冠的航空發動機僅僅以課堂教學無法給學生建立系統性的航空發動機知識理論體系，更無從談起培養高層次全方位的航空發動機專業人才。雖然各航空專業高校在國家資金以及各航空發動機主機所硬件的支持下都配備幾臺航空發動機樣機，但這些航空發動機樣機大多數都是使用壽命到頭的淘汰機，或者僅僅是模型樣機，基本無法開展整機原理試驗。即使少數幾臺能進行部分實驗，也無法滿足每學期眾多學生的實驗需求。加之前文所述的五大局限，在高校中進行航空發動機原理整機特性實驗的難度可想而知，幾乎是不可能實現的。

2018年5月30日，為學習貫徹黨的十九大精神，教育部發布了《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》。通知指出“國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。”[6]虛擬仿真實驗教學項目的落實，將信息技術融入到了傳統教學方法中，改變課堂教學的單一知識獲取方式，讓學生能更好地融入到學習中，身臨其境探索課本上無法切身體會的知識點，有效提升實驗教學質量。虛擬仿真的出現可有效解決上述航空發動機實驗教學的困點和難點，可以極大促進航空發動機的教學，可以讓學生們將理論與實際相結合，進一步加深學生對航空發動機原理的認識[7]。

航空發動機原理是飛行器動力工程人才培養方案中一門非常關鍵的專業課，系統性地讓學生建立了航空發動機的總體概念，為培養航空發動機人才起到承前啟后的核心作用[8]。因此，本課程理論與實驗教學的質量直接關乎航空發動機人才的科研素質，對于培養一流人才起著舉足輕重的作用。此外，從我校飛行器動力工程專業的人才培養方案中可以看出，該課程還服務于飛行器動力工程的4門核心主干課和2門專業導論課，包括航空發動機原理、航空發動機葉輪機原理、航空發動機燃燒室原理、航空發動機總體性能設計、航空航天概論、飛機發動機一體化引論等。可以看出，航空發動機原理課程除了本身對人才培養非常重要外，還與其他課程有著緊密聯系。因此，航空發動機原理的理論與實驗教學是非常關鍵的，直接關乎學生的綜合科研素養，必須加大在該課程上的教學投入力度，特別是在實驗教學方面。

據此南京航空航天大學能源與動力學院徐驚雷教授團隊用時多年，結合多位長期在一線從事航空發動機教學教師的經驗，基于恒點虛擬仿真平臺打造了航空發動機原理虛擬仿真實驗平臺。項目總共設計了四個環節：航空發動機航空推進原理認知，航空發動機部件特性剖析，航空發動機關鍵部件的集成匹配探索以及航空發動機整機特性實驗。圖2是四個模塊的邏輯關系圖，以“自我認知、富于探索”為主旨、航空發動機推進原理認知為核心，展開對航空發動機部件特性的剖析認知。部件特性剖析模塊包含了進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管五大航空發動機主要部件，可以便于學生在一次實驗中完成五個子實驗，了解各部件的工作原理和特性。在充分了解航空發動機部件工作特性的基礎之上，學生可進行關鍵部件的集成探索，對關鍵部件進行匹配集成，進一步加深學生對航空發動機部件的認識，助力學生建立對航空發動機總體的認知。最后模塊為航空發動機整機特性實驗，讓學生充分認識航空發動機整體工作特性，培養學生對航空發動機的整體觀。

（二）項目特點

航空發動機虛擬仿真項目主要包括航空發動機各主要部件工作特性以及總體工作原理，具有基礎知識面廣、工程實踐性強、內容結構復雜、知識體系深而廣的特點。為了充分發揮航空發動機虛擬仿真教學的優勢，本實驗主要利用了講授法、問題探究法、任務驅動法、自主學習法、演示法等教學方法將各專業的知識點分解并融入航空發動機“推進原理認知、部件特性剖析、關鍵部件的集成匹配探索、整機特性實驗”四個環節內，服務于學生“基本原理學習、綜合能力訓練和創新能力培養”的實踐學習過程，體現了“分層次、交互式、重探索、多樣性”的特征，著重培養航空發動機專業學生的自我認知與探索能力，助力航空發動機專業人才的培養。

1. 利用演示法和自主學習法掌握推進原理和主要組成部件認知

本環節以航空發動機基礎理論為核心，著重于提升學生對航空發動機原理、航空發動機總體性能設計、航空發動機概論以及飛發一體化導論課程中基礎理論知識的認知水平以及掌握程度，讓學生直觀了解到航空發動機的功能、基本組成以及工作原理。項目利用視頻、動畫等技術深層次展現了航空發動機的基本結構及原理，學生進行交互式操作和全方位觀察。此外，學生通過虛擬按鈕課對航空發動機部件進行拆卸，深入觀察各部件構成和基本功能。配合航空發動機推力的分布和性能參數的實時變化圖，可以使得學生有效建立對發動機推進原理以及各部件作用系統的全面認知和理解，為后續環節奠定基礎。

2. 利用講授法、演示法和問題探究法完成部件特性剖析

通過講授、引導和自主探索等教學模式，讓學生對航空發動機的典型部件以及內部流動規律建立概念。隨之，提出航空發動機部件如何保持高效工作等問題，讓學生帶著問題進行部件剖析環節的學習，可有助于培養學生的獨立思維。在本環節內，首先利用演示法給學生展示航空發動機各部件，幫助學生鞏固航空發動機部件的結構，復習相應理論知識。其次學生通過交互界面利用已掌握的理論知識對航空發動機部件的工作點進行設置，對相關工作參數進行調節，獲取航空發動機部件的性能參數變化規律。通過這種交互式操作，所見所得，學生可清楚地認識到航空發動機部件的工作原理，摸清工作參數對航空發動機部件的影響規律，加深學生對航空發動機葉輪機原理、航空發動機燃燒室原理等課程中基礎知識的理解。在此基礎上，學生可對先前問題進行求解，保證部件的高效工作，可有效激發學生對于航空發動機的學習熱情。

3. 利用問題探究法、任務驅動法及自主學習法進行發動機部件集成探索

探索性實驗可充分發揮學生的主觀能動性，加深學生對航空發動機的理解，有助于培養具有獨立思維及創新能力的航空發動機專業人才。本環節主要是指學生通過對航空發動機部件進行匹配探索，并對發動機的轉速、來流狀態進行掌握。進一步地，讓學生根據發動機的工作狀態，完成其部件以及燃油的控制優化工作。本環節內容主要涉及航空發動機尾噴管調節、共同工作特性、加速路徑設置以及喘振等，主要是為了引導學生自主、開放性地對發動機調節規律和控制參數進行控制，并能夠根據需要相應地改變上述各種相關參數。通過虛擬仿真發動機運行的可視化效果，學生可以不斷優化調節規律和控制參數，保證航空發動機順利工作，避免進入喘振、失速等狀態[9]。通過虛擬仿真實驗，學生能夠全面認識航空發動機共同工作、調節規律以及控制參數對于航空發動機工作的性能影響，通過自主設計調節規律，從而有效保證航空發動機正常工作，進一步提升學生探索與創新實踐能力。虛擬仿真形式的航空發動機實驗有效避免學生誤操作對航空發動機的損害，可以給學生充分探索航空發動機工作特征、原理和性能的學習空間。

4. 綜合利用各種教學方法進行航空發動機整機特性實驗

本環節主要是讓學生“親身”參與發動機的工作過程，了解航空發動機試車過程，從整體上掌握航空發動機的專業基礎知識，提升學生綜合運用專業知識分析、處理復雜問題的能力。因此，要求學生不僅要掌握航空發動機各個部件的工作原理和工作性能參數變化規律，還需要掌握進氣道與壓氣機的匹配特性、壓氣機與渦輪的共同工作特性以及噴管部件調節對于航空發動機工作裕度的影響等。在此基礎上，學生在虛擬試車臺上進行相關整機實驗，獲得標準/非標準天氣下，隨著發動機油門桿、飛行高度、飛行速度的改變，發動機的運行參數、各部件的性能參數和各部件的狀態參數，理解發動機的整機工作特性以及工作性能變化。本認知模塊側重點在于學生可以通過交互界面來改變來流狀態、發動機油門等參數，獲取發動機工作特性，從而在整體上更加深入、全面地了解航空發動機的工作原理。

通過四個環節的虛擬仿真實驗，學生可以循序漸進地學習航空發動機基本工作原理、航空發動機部件工作特性、航空發動機部件匹配特性以及航空發動機的整機特性試驗，讓學生深入掌握航空發動機原理的基礎知識。

（三）項目實施過程

為了讓學生能夠充分地使用航空發動機原理虛擬仿真平臺，高效利用虛擬仿真平臺進行實驗，在實施過程中注重以下三個部分內容的建設：

1. 通過自主學習與航空發動機課程中的講授法相互結合，在推進原理認知和部件特性實驗兩個模塊中布置了較多的需要學生進行自主學習的內容。學生通過本項目的引導視頻以及布置自主學習內容，可以初步建立對航空發動機原理的認知，了解本仿真項目的主要目標。

2. 利用問題探究法、任務驅動法在虛擬仿真項目的部件特性剖析、集成匹配探索環節設置了問題（了解航空發動機部件工作方式，并高效工作）和對應的任務（對航空發動機部件進行匹配，避免發動機進入喘振狀態）。學生可以通過在虛擬平臺的實驗過程，完成建立問題-解決問題的核心過程，自主建立航空發動機部件的工作循環。通過虛擬仿真平臺布置集成匹配的任務，學生通過在前期建立起來的航空發動機基礎知識來完成相應的任務，最終形成航空發動機部件匹配的知識體系。

3. 將教授法和學生的自主學習法深入融合，以任務驅動形式和問題探究形式進行了航空發動機整機性能虛擬仿真項目的建設，學生通過自主學習操作過程，并在屏幕上通過彈框提示一步一步完成操作，這樣能夠使得學生在問題和任務驅動下，在完成前三個環節后能高質量完成最后一個環節。

通過綜合采用上述各種方法，學生系統地學習了航空發動機原理相關課程的重要知識點，形成了一個由淺入深、由易到難、由概貌到細節、由部件到整機的綜合性、系統化的知識架構，有效激發了學生的學習興趣，促進了學生創新實踐和探索能力的培養。

（四）項目實施效果

本項目的網址是aeroengine-lab.nuaa.edu.cn。項目實施開始后到目前為止，已經有7300多人進入系統瀏覽過本項目，本項目的實驗評分滿分為5分。其中有1200多人已經完成整個實驗過程，在這1200多位實驗人員中有898人達到優秀，達標人數為135人，不達標人數為179人，整體通過率為85.2%。從參與實驗人員的反饋中，可以看出“加深對發動機總體及部件的理解”是大多數學員給出的評價，也達到了本虛擬仿真項目的最初目的。本項目在2019年被認定為江蘇省省級虛擬仿真實驗教學項目，后續將持續為航空發動機人才培養服務。

三、結束語

航空發動機事關國家政治、軍事及經濟地位，是一個國家綜合國力的象征，因此培養高素質航空發動機專業人才的重要性不言而喻。受制于實驗成本、場地、環境以及技術，目前絕大數的航空發動機原理教學都是基于理論教授，學生缺乏實戰經驗，不利于培養專業的發動機人才。隨著信息技術的發展，虛擬仿真的出現可有效解決此類問題，同時也解決了航空發動機整車實驗成本高、難度大等一些突出問題。此外，虛擬仿真給予學生充分的探索空間，讓學生完成在許多真實發動機上無法進行的參數調節、部件匹配、航空發動機喘振等實驗，可以充分發揮學生的主觀能動性。總而言之，航空發動機原理虛擬仿真項目為培養高素質航空發動機專業人才提供了強有力的技術支撐，提升了航空發動機從業人員的專業素質，進一步助力我國航空工業的發展。

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