“航空發動機總體設計”課程教學模式改革

劉 君，楊榮菲，李傳鵬，吉洪湖，謝旅榮

（南京航空航天大學能源與動力學院 江蘇 南京 210016）

飛機被譽為現代工業的“皇冠”，而航空發動機則是“皇冠上的明珠”，能否研制航空發動機體現了一個國家綜合實力的強弱。目前，世界上能夠研制航空發動機的國家僅有美國、英國、俄羅斯、法國和中國[1]。英、美等國走過了從無到有的設計和制造的完整階段，從最初的活塞式發動機(1903-1945)到噴氣式發動機(1939-至今)，其中噴氣式發動機主要包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。目前，軍用戰斗機和民航客機多采用渦輪風扇發動機，經過六十多年的發展已經到了第五代，其中軍用發動機的推重比從第一代的1左右增大到第五代的10以上，如F119、AL41F等[2]。

一般認為，中國的航空制造業始于1939年創立于貴州大定縣（今大方縣）的航空發動機制造廠[3]。由于當時決策層存在“造不如買”的思想，導致航空制造業的發展錯失了良機[4]。新中國成立后，航空發動機工業從修理和制造活塞式發動機開始。朝鮮戰爭時期，從蘇聯購買了米格15及其發動機RD-45。1956年中國第一臺渦噴發動機——渦噴5仿制成功，仿制的是蘇聯的RD-45改進型。在仿制的同時，還根據空軍的需求對發動機進行改進，如渦噴6甲，渦噴7甲等。20世紀80年代，為滿足殲7和殲8的動力改裝需求，開始自主設計高性能中等推力的渦噴發動機（“昆侖”），2002年設計定型，標志著中國航空發動機從仿制和改進到自主設計的轉變[5]。歷經27年，沈陽航空發動機研究所設計的“太行”渦扇發動機于2005年通過國家定型審查，是我國自主研制的第一種大推力加力式渦扇發動機，標志著我國自主研制的航空發動機從中等推力到大推力、從渦噴到渦扇發動機，從第二代發動機到第三代發動機的跨越[6]。綜上所述，我國的航空發動機已經從最初的維修、仿制、改進發展到自主研制，為了滿足國家的戰略需求，需要培養更多的具有自主研制能力的航空發動機人才。

課程組結合國家航空發動機研制需求，在國內首次開設了“航空發動機總體設計”課程，經過多年的探索，形成了較為完善的教學資源和教學方法，但教學過程中仍然有許多不足之處，如教學內容偏多，實踐指導環節課時太少以及教學過程未結合學生興趣等。本課程組針對上述問題提出了一種新的教學模式，旨在提升本課程的教學質量。首先，結合已有的教學模式及其考核方式，通過分析其教學特點以及不足，進而引出教學模式改革的必要性；其次，結合學生的反饋以及課程組多年的教學積累，詳細闡述本次教學改革內容以及要達到的目標。

1 目前的教學模式

根據國家在發展航空發動機過程中的需求，航空院校前期開設的專業課程主要包括“航空發動機原理”“航空發動機結構”[7-8]。隨著我國的航空發動機制造業從仿制進入自主研制階段，對航空發動機設計人才的需求也越來越大，在此背景下，南京航空航天大學自2011年將“航空發動機總體設計”課程納入飛行器動力工程培養計劃[9]。根據培養計劃，在本課程學習之前，已經完成了包括工程熱力學、流體力學、航空發動機原理、燃燒室原理、航空葉片機原理、航空發動機結構等專業課程的學習，具有一定的航空發動機及其部件工作原理等相關理論基礎。

南航的“航空發動機總體設計”課程的前身是“航空發動機設計概論”雙語選修課，該課程是在教育部2010年立項的“飛行器動力工程國家特色專業建設”教改項目支持下開設的課程，開設教師為教學經驗豐富且具有留學背景的知名教授，面向對象為本專業“動優班”本科生。本課程采用AIAA教育系列叢書為全英文教材，該教材共10章內容，總體結構可個階段：

第一階段是2014-2017年，在課程建設的第一階段，教學課時為34課時，包括課堂授課30課時，實踐教學4課時，教學內容包含上冊內容，包括發動機需求分析和發動機總體性能設計兩個部分。這兩個部分內容相比于本專業前期的課程來說屬于新知識，其中發動機需求分析是從飛行器任務剖面的角度對發動機的推力載荷、機翼載荷、起飛重量以及起飛推力進行需求分析；根據上述發動機需求分析，開展發動機總體性能分析，通過參數循環分析、非設計點性能分析以及安裝性能分析，最終獲得發動機總體性能參數，包括發動機流量、總增壓比、涵道比、渦輪前溫度以及各部件效率等參數。

第二階段是2018-2021年，經過第一階段課程建設的積累后，教學經驗和教學隊伍有了一定的提升和壯大，為了更全面地體現航空發動機整個設計過程，教學課時增加到56課時，教學內容也增加了發動機部件設計，包括進排氣系統、葉輪機械和燃燒室設計，即根據上冊獲得的航空發動機總體設計參數，并基于各部件的設計準則分別進行進排氣系統、葉輪機械和燃燒室的設計，并最終獲得一臺滿足飛行任務需求的航空發動機。

本課程考核方法采用平時作業（30%）與小組大作業（期中考核40%、期末考核30%）相結合的方式。平時作業包括個人作業和小組作業，小組大作業以完成一臺滿足某飛行器任務需求的發動機總體設計為任務，要求期中考核完成發動機的需求分析和總體性能設計，期末考核完成航空發動機的部件設計，并最終組裝成一臺完整的發動機，考核方式為現場答辯和提交電子報告，現場答辯評審組由三位老師組成。每個班分成若干小組，小組成員一般為6人左右。

2 教學模式改革

根據課程組前期的問卷調查，有超過一半的學生認為本課程學習難度較大，講授內容過多，并希望增加實踐指導環節，減少理論講解課時。此外，原有的考核方式也存在一定弊端，如：小組成員團隊協作意識低，導致參與程度差別大，由于最終成績按照團隊給定，無法體現每個人的貢獻程度，造成一定的不公平，從而打擊學生的積極性，并最終影響本課程的教學質量。

基于上述學生反饋情況以及多年的教學經驗，結合飛行器動力工程專業本科生培養計劃，課程組提出了一種新的教學模式。在總教學課時保持56課的時前提下，將課程分為必修和選修兩部分，其中上冊為必修，下冊為選修。上冊內容對于本專業本科生來說屬于新知識，因此課時增加到40課時，其中課堂教學34課時，實踐教學6課時；下冊內容需有一定的前期知識儲備，因此本科生在進排氣系統、葉輪機械和燃燒室設計三個內容中選擇一個部件學習，其中課堂教學11課時，實踐教學1課時。采用上述教學模式不僅增加了上冊的授課時長，讓學生更容易掌握新知識，此外還增加了實踐教學課時，讓學生能夠在學習新知識的同時進行靈活的運用。為了滿足不同學生的學習需求，本次教學改革還將保留1個班級采用階段二的教學模式，即上冊和下冊全部學習，本班級適合自學能力較強的學生，其他學生則根據自身的興趣愛好，在部件設計中選擇一個分為三部分，分別是發動機需求分析、發動機總體性能設計和發動機部件設計。前期的課程建設過程主要分為兩部件進行學習。

本次教學模式改革針對前期教學過程出現的問題，逐一解決。首先，針對教學內容偏多的問題，采用了必修和選修的方式，縮減教學內容，必修部分為新知識，增加教學課時有利于提高對新知識的掌握程度，選修部分已有前期航空葉片機原理和燃燒室原理等課程的基礎，因此可結合個人興趣對某一部件深入學習；其次，針對實踐指導環節課時不足的問題，在必修內容的每一個章節后增加1個實踐課時來增加實踐指導，提升學生動手的能力；最后，針對學生的興趣問題，在選修部分，學生根據自己的興趣愛好選擇一個部件進行深入學習，既減少了學習內容，又提升了學習的深度。此外，本次教學改革還保留一個班級采用階段二的教學模式，即學生可以結合個人的學習能力以及愛好選擇學習部件設計的全部內容。采用兩種方式并存的教學模式，不僅有利于培養航空發動機總師級人才，而且又兼顧航空發動機部件設計人才的培養。

此外，本課程前期一直采用大作業的形式進行考核，課程開始后學生自由組隊，每個小組人數5~6人，并分配不同的飛行任務，各小組成員根據飛行任務分析滿足飛行任務需求的航空發動機總體參數，并設計相應的發動機部件，最后組成一臺航空發動機。經過課程組多年的教學實踐，并根據學生的反饋，對考核方式進行改革。為了檢驗學生對理論知識的運用能力，仍采用5~6人為一組的方式開展大作業的形式，此外，為了突出每個人的知識掌握程度，可以引入隨堂考試，對課堂講授的基本概念進行考核。采用大作業考核和隨堂考試相結合的方式，既能對學生運用知識的能力進行考核，又能體現小組內不同成員之間的差距。

3 結語

本文通過回顧我國航空發動機的發展歷史，明確了目前我國航空發動機制造業的發展階段，已經從建國初期的維修、仿制、改進發展到自主研制，并成功研制軍用渦噴發動機(“昆侖”)和渦扇發動機（“太行”）。為了培養國家在航空發動機領域需要的設計人才，南京航空航天大學于2011年將“航空發動機總體設計”課程作為專業必修課引入飛行器動力工程專業培養計劃。在課程建設初期，采用國外英文教材并參考國外教學方法和考核方式，經過7年的教學積累，形成了較為完善的教學資源和教學方法。在此基礎上，根據學生的反饋情況，并結合國家的戰略需求進行“航空發動機總體設計”課程改革，通過本次改革，減輕了學生的學習負擔，充分提升了學生的興趣，提高了實踐課時的比例，增強學生的動手能力和團隊合作意識，有利于進一步提升本課程的教學質量，從而為國家培養航空發動機領域自主設計人才，進而提升我國航空發動機制造業水平創造了條件。