飛機結構與系統航理課程實踐教學平臺數字化改造探索研究

摘? 要? 飛機結構與系統航理課程實踐教學長期依托實裝教學飛機進行，由于實裝教學飛機平臺技術落后、開放性不佳，導致課程創新性、高階性教學目標難以有效達成。因此，從現實情況出發，系統分析增強現實技術與數字樣機技術在航空領域的應用現狀，開展飛機結構與系統航理課程實踐教學平臺數字化改造探索研究，尋求航理實踐教學的創新方法與手段。

關鍵詞? 飛機結構與系統航理；數字化實踐教學平臺；增強現實技術；數字樣機技術

中圖分類號：E251.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0041-04

0? 引言

長期以來，飛機結構與系統航理課程實踐教學活動主要通過參觀見學各型靜態展示實裝教學飛機，實習體驗實裝教學飛機的部分操控科目來開展。相對于復雜系統工程研制出來并持續更新換代的現役飛機而言，現有實踐教學模式很難滿足飛機結構與系統航理課程的教學目標要求，主要原因在于：

1）現有實裝教學飛機普遍存在結構解剖開敞區域小、飛機內部構造難以直觀呈現等不足，學員不易通過目視準確觀察飛機結構與系統的布局情況；

2）現有實裝教學飛機普遍機型陳舊，實習內容與現役主流飛機在操控特點、運行機理等方面差別較大，實踐教學價值貢獻低；

3）現有實裝教學飛機無法模擬飛行條件變化對

飛機結構與系統的綜合影響，難以通過實踐教學深化學員對飛機平臺知識的全面理解。

因此，本文針對飛機結構與系統航理課程實踐教學存在的現實矛盾，綜合分析增強現實技術與數字樣機技術特點及其在航空領域的應用優勢，提出開展實踐教學平臺數字化改造構想，主要從以下幾方面進行探索研究。

1? 航理實踐教學目標要求與制約因素分析

1.1? 目標要求

飛機結構與系統航理課程主要教學目標是：使學員了解飛機結構強度限制依據，理解各系統的功用、基本組成、基本工作原理及使用特點，掌握基礎理論和共性知識；經過階段教學，鍛煉學員具備運用基礎知識判斷、分析和解決飛行實際問題的基本能力；最后，達成教學的高階性目標，即通過系統掌握該課程教學內容，學員能夠為后續課程學習機型改裝理論、勝任職業發展、開展創新性理論研究打下堅實基礎。針對課程教學目標要求，實踐教學環節的設計思路是：從飛機平臺結構認知，結構與系統部附件認知，結構設計與強度分析，系統功用、組成與基本工作原理等角度出發，開展實踐教學。

1.2? 制約因素分析

就飛機平臺結構實踐教學環節而言，飛機結構布局、結構強度限制條件、結構疲勞壽命等理論知識是教學重點內容，實踐教學應圍繞結構布局特征、結構承載動態仿真、結構疲勞載荷作用分析等進行。目前，傳統實踐教學僅通過指導學員觀察靜態展示飛機、講解飛機結構實物部附件等方式開展，導致學員難以透過現象看本質，不易理解結構承載的內在規律與結構設計依據。

就飛機平臺系統實踐教學環節而言，通過開展實裝飛機操控實習進行體驗教學是強化學員理解認知平臺系統工作原理的有效手段。但是，由于現有實裝教學飛機平臺與現役飛機平臺存在明顯代差，使得學員難以通過傳統實踐教學理解先進平臺系統的交聯工作模式以及系統內部主要附件的工作原理，更談不上對現役飛機平臺系統工作的深刻認識。

當前，飛機結構與系統航理課程實踐教學組織實施中所面臨的種種問題，雖然可以通過微慕課建設、教學員深度互動等多種教學形式與手段盡量化解，但是，開展實踐教學平臺的升級改造才能夠真正契合實踐教學的目標要求，才能夠切實增強飛機結構與系統航理課程的實踐教學效果。

2? 增強現實技術在航空領域的應用現狀

增強現實技術能夠把真實世界信息和虛擬世界信息有機集成到一起，整合出來的場景被人類感官所感知，給予人們一種超越現實的感受，主要包括多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。該技術具有三個突出的特點：一是真實世界和虛擬的信息集成；二是具有實時交互性；三是在三維尺度空間增添定位虛擬物體。

中國民航大學的崔海青等[1]基于HoloLens設備開發了一套數字化飛機增強現實教學平臺，通過HoloLens的同步定位與地圖構建（SLAM）功能進行環境建模，結合用戶操作，完成增強現實的教學展示。中國航空無線電電子研究所的張仟新等[2]提出一種基于增強現實技術的新型飛行視景系統，使飛行員既能在屏幕上看到真實的機外場景，也能在特定位置看到相應的關鍵虛擬信息，最終形成虛實融合的圖像顯示在飛機顯示設備中。沈陽飛機設計研究所的王雪飛等[3]研究增強現實技術在飛機維修保障過程中的應用，探討開發基于增強現實的穿戴式智能維修輔助設備，以達到提高保障效能、降低維修差錯、提高故障診斷準確性的目的。南京航空航天大學的張秋月等[4]系統闡述國內外航空企業在飛機裝配中對增強現實技術的具體應用，強調該技術能夠減少建模工作量，增強用戶體驗感和交互感，極大提高飛機裝配效率。

由此可見，增強現實技術通過“增強”人對信息和知識的利用能力，使一些原本難以被人體感知的信息在計算機加工后得到直觀展示，使虛擬對象與現實情境相結合，營造出一個具有雙向互動特點的交互場景，能夠讓航空領域的復雜工程實現更好地被觀察和解析。

3? 數字樣機技術在航空領域的應用現狀

我國GB/T 26100—2010《機械產品數字樣機通用要求》中對數字樣機的定義是：數字樣機是對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅反映了產品對象的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品對象的功能和性能。因此，數字樣機可以被看作一種基于計算機的產品，該產品屬性的設計、分析、仿真等均利用計算機技術來實現，以代替傳統的物理樣機。該技術具有三個顯著的特點：一是真實性；二是面向產品全生命周期；三是多學科交叉性。

上海飛機設計研究院的徐劍[5]總結論述數字樣機的發展歷程，分析指出數字樣機是飛機數字化協同研制的產物和集中體現，也是實現飛機數字化協同研制的有效載體和手段。上海飛機設計研究院的陳裕[6]基于飛機研制的需求，梳理了數字樣機的建模與仿真在飛機研制過程中的設計流程與關鍵技術。中國航空工業集團的崔德剛等[7]通過基于MBD的飛機設計與制造技術研究與應用，闡述了全三維數字化協同設計與制造體系構建的重要意義。中航工業一飛院鄭黨黨等[8]結合數字樣機技術和分析仿真技術的發展趨勢，分析了性能樣機技術的主要特征、關鍵技術和應用前景，構建了飛機數字樣機技術體系高階建設的總體框架。

目前，飛機數字樣機技術不僅被用于飛機幾何特征的靜態描述，開展關聯設計、幾何協調等，用于飛機功能特征的動態描述，開展需求分析、功能架構設計、運動分析等，還被用于飛機性能特征的描述，開展結構強度、多體動力學、控制等多學科性能仿真。因此，飛機數字樣機技術是一項跨學科綜合性技術，其內涵和外延也隨著數字化技術在航空領域的應用深化而不斷拓展。

4? 數字化實踐教學平臺設計思路與功能實現

考慮到依靠引進先進實裝教學飛機改善實踐教學條件所面臨的資金、渠道等多重現實困難，充分利用當前科技發展優勢，基于增強現實技術與數字樣機技術，構建數字化實踐教學平臺。

4.1? 設計思路

數字化實踐教學平臺由實物模擬座艙、增強現實技術支持下的虛擬數字樣機等構成：實物模擬座艙用來提供先進飛機駕駛艙仿真操控環境，執行開關量、模擬量等信號傳輸任務，驅動數字樣機；增強現實技術用來在教學展示區域增添定位虛擬三維數字樣機；數字樣機技術用來呈現典型先進飛機的結構與系統構成，與模擬座艙進行信息交互，按操控指令運行。根據飛機結構與系統航理課程的教學內容要求，該教學平臺可支持開展的實踐教學內容包括飛機結構設計與承載限制，機體結構與受力分析，液壓與氣動系統、起落裝置、防冰與防火系統等工作原理演示。數字化實踐教學平臺的基本架構如圖1所示。

實踐教學的實施流程設計為：根據實踐科目設置與任務要求，通過操控模擬座艙開展實習操作；同時，學員在教學展示區就位，全方位觀摩操控指令驅動下的數字樣機結構與系統運行情況，如活動舵面偏轉，機械結構運動，能源系統的能量生成、轉化與供給等。在實踐教學過程中，數字樣機結構布局、平臺系統中主要附件及管線路連接清晰可見，隨座艙操控運動的數字樣機結構與系統工作狀態一目了然。由此，學員在實時觀察飛機平臺運行機理的同時，其所學習的航理知識也能夠即時實現應用轉化。

4.2? 功能實現

數字化實踐教學平臺遵循先進性、實用性、任務多樣性原則進行功能開發。針對飛機平臺結構設計與承載限制科目，通過預先規劃任務職能，使數字樣機具備自動拆分及多承載模式演示功能。由此，可依據任務需求和飛機飛行性能特點，合理選擇加載任務并演示飛行中飛機平臺結構的強度狀態特征，使學員深刻理解飛機飛行性能變化、機動飛行等對平臺結構的影響，正確研判平臺結構的受載特點，切實掌握飛機結構設計的理論依據與承載限制要求。

針對飛機平臺系統工作原理科目，除了系統自身基本功能實現外，還應該具備的功能包括：在數字樣機中展示系統的布局特點，系統中重要部附件的位置與基本組成，以及系統間工作時形成的交聯影響。例如：執行放下起落架操作時，可由數字樣機中清晰地觀察到起落架機械連接結構的運動過程，與此同時，還能夠觀察到自起落架收放手柄至收放作動筒的機械信號—電信號—液電閥—作動筒的機電驅動工作原理，以及在此期間的機械結構與液壓系統相互配合、交聯運行的場景，從而使學員對起落架系統的工作有即視感知與體驗，增強其學習沉浸感。此外，開發系統典型特情科目功能，強化學員對系統正常與應急狀態下工作方式的理解，還有助于提高其特情研判和故障處置的航理知識儲備。

5? 結束語

在飛機結構與系統航理課程教學進程中，實踐教學環節是推動學員航理知識學習由被動接受向主動理解轉化的必要途徑。目前，基于傳統教學模式的實踐教學存在明顯不足，因此，以增強現實技術與數字樣機技術為牽引，開展實踐教學平臺數字化改造，將能夠有效達成課程實踐教學的目標要求，并促進飛機結構與系統航理課程實現質效提升。

參考文獻

[1] 崔海青，吳曉東，魏士皓.基于HoloLens的數字化飛機增強現實教學平臺應用[J].教育教學論壇，2020（5）：233-235.

[2] 張仟新，張鈺鵬.基于增強現實技術的飛行視景系統[J].航空電子技術，2016，47（1）：22-24，35.

[3] 王雪飛，劉東，史澤波.增強現實技術在飛機維修保障過程中的應用研究[J].飛機設計，2020，40（4）：7-11.

[4] 張秋月，安魯陵.虛擬現實和增強現實技術在飛機裝配中的應用[J].航空制造技術，2017（11）：40-45.

[5] 徐劍.數字樣機在飛機數字化協同研制中的發展[J].計民用飛機設計與研究，2018（3）：87-91.

[6] 陳裕.民用飛機數字樣機建模與仿真技術初步研究[J].民用飛機設計與研究，2018（3）：54-57.

[7] 崔德剛，劉看旺，鄭黨黨，等.基于MBD的飛機設計與制造技術研究與應用[J].計算機集成制造系統，2019，25（12）：3052-3060.

[8] 鄭黨黨，劉看旺，劉俊堂.飛機性能樣機技術及體系研究[J].航空科學技術，2015，26（3）：5-9.

作者：尹大偉，空軍航空大學，副教授，研究方向為軍事裝備工程（130022）。