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航空發(fā)動機三維虛擬實驗教學系統(tǒng)簡介

適用專業(yè)：飛行器制造工程、飛行器環(huán)境與生命保障工程、飛行器動力工程、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)等專業(yè)。

航空發(fā)動機原理課程是飛行器制造工程、飛行器環(huán)境與生命保障工程、飛行器動力工程、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門主干基礎(chǔ)課，其理論性和實踐性都很強，它的實驗教學航空是發(fā)動機原理課程教學中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。目前，現(xiàn)實中的航空發(fā)動機原理實驗存在以下局限性：

1、工作原理難以理解。由于發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不見，學生對航空發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)及航空發(fā)動機的工作原理理解困難。

2、實驗難以實現(xiàn)航空發(fā)動機的一些特性實驗，一些實驗在真實環(huán)境中無法開展需要較大的儀器設(shè)備，才能滿足學生進行實驗的需求；

3、實驗成本太高，開展航空發(fā)動機整機及部件特性實驗的建設(shè)和使用成本高，難以對大批量學生進行開放教學，部分實驗的操作過程也比較繁瑣。

4、實驗風險大，航空發(fā)動機工作時轉(zhuǎn)速高，排氣溫度高，學生開展該類型實驗難度大、危險性高，部分實驗設(shè)備學生無法透過外殼看到設(shè)備運行時內(nèi)部零件的相互配合情況，如航空發(fā)動機組成原理實驗。

隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學改革的不斷深入，航空發(fā)動機原理實驗的教學任務(wù)越來越重，儀器設(shè)備臺套數(shù)和實驗教師數(shù)量相對不足等問題愈加突出。為了以最少的經(jīng)費投入解決以上問題，并進一步激發(fā)學生的學習興趣、增強實驗效果、提高實驗教學質(zhì)量，我們開發(fā)了開放式網(wǎng)上涉及航空發(fā)動機原理等虛擬實驗室軟件。實驗采用3D建模動畫人機交互等技術(shù)，研發(fā)了航空發(fā)動機一系列虛擬仿真實驗，解決航空航天類相關(guān)課程實驗教學的不足。

使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開展如下6個常用航空發(fā)動機虛擬實驗的訓(xùn)練：

•航空發(fā)動機建模虛擬實驗

•航空發(fā)動機燃燒室虛擬實驗

•航空發(fā)動機典型試車實驗

•航空發(fā)動機的服役環(huán)境模擬虛擬仿真實驗

•民航發(fā)動機運行監(jiān)控及性能分析實驗

•航空發(fā)動機熱力循環(huán)分析及故障診斷虛擬仿真實驗

1.航空發(fā)動機建模虛擬實驗

通過本實驗學生可以了解航空發(fā)動機的構(gòu)成，點擊后可查看各部分構(gòu)件的詳細介紹。

圖1 航空發(fā)動機構(gòu)成

圖2 構(gòu)件介紹面板

2.航空發(fā)動機燃燒室虛擬實驗

（1）學生可以觀察燃燒室的噴油點火過程及氣體流動方向。

圖3燃燒室

（2）輸入總流量，將流量分布填入表格中，改變輸入總流量多次后探尋流量分布規(guī)律，可以求出分布比，并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄。

圖4 輸入總流量

圖5 數(shù)據(jù)記錄

3.航空發(fā)動機典型試車實驗

實驗分為三大板塊，分別是設(shè)備認知、試車實驗、試車實訓(xùn)。

（1）設(shè)備認知

通過此部分可以使學生熟悉實驗環(huán)境及實驗設(shè)備，了解開始實驗前的準備工作，確保后期實驗操作的順利進行。

圖6設(shè)備認知

（2）試車實驗

通過此部分使學生了解試車實驗從打開電源總開關(guān)到完成全部實驗內(nèi)容的全流程，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和參考曲線畫圖，使學生更加深刻理解航空發(fā)動機油門開度與相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖7 調(diào)整加油角度

圖8 填寫實驗數(shù)據(jù)

圖9 發(fā)動機理論曲線

（3）試車實訓(xùn)

圖10 繪制實時曲線

4.航空發(fā)動機的服役環(huán)境模擬虛擬仿真實驗

通過該虛擬仿真實驗，學生可以了解航空發(fā)動機、渦輪葉片、熱障涂層服役環(huán)境試驗?zāi)M裝置的各個功能；了解每個功能的實驗現(xiàn)象，熟悉熱障涂層服役環(huán)境試驗?zāi)M裝置操作方法，熟悉各種無損檢測裝置的使用方法。

（1）實驗操作面板

圖11實驗操作面板界面

說明：實驗總共分為10個大步驟，每個大步驟下面分為若干小步驟。

圖12 實驗步驟展示

（2）實驗流程指導(dǎo)

學生可以根據(jù)下圖實驗步驟，依次完成實驗，并整理出實驗數(shù)據(jù)。

圖13固定被測試樣

圖14實驗結(jié)果查看

5.民航發(fā)動機運行監(jiān)控及性能分析實驗

通過三維建模、虛擬現(xiàn)實、人機交互等技術(shù)再現(xiàn)了民航發(fā)動機運行過程中真實場景，可以培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，強化學生的戰(zhàn)技融合素養(yǎng)。

（1）民航發(fā)動機運行監(jiān)控及性能分析實驗

圖15

（2）民航發(fā)動機運行監(jiān)控及性能分析實驗分為：發(fā)動機監(jiān)控參數(shù)認識、發(fā)動機運行監(jiān)測、性能分析三部分。

圖16 模塊選擇界面

1）發(fā)動機監(jiān)控參數(shù)認識

圖17發(fā)動機的結(jié)構(gòu)以及透視骨架

2）發(fā)動機運行監(jiān)測

發(fā)動機運行監(jiān)控分為超限報告模式、巡航報告模式兩個模塊。

圖18

圖19

3）性能分析

輸入對性能趨勢以及健康監(jiān)控的分析,并提交實驗報告后實驗結(jié)束。

圖20 實驗報告

6.航空發(fā)動機熱力循環(huán)分析及故障診斷虛擬仿真實驗

系統(tǒng)針對無人機作戰(zhàn)過程中典型的姿態(tài)、軌跡自主控制過程開展虛擬仿真實驗。通過三維建模、虛擬現(xiàn)實、人機交互等技術(shù)，再現(xiàn)察打一體型無人機巡航飛行的真實場景，還原無人機自主飛行中姿態(tài)變化、飛行軌跡、運動參數(shù)、舵面偏轉(zhuǎn)的動力學過程，使學生理解無人機的空間運動表示方法，掌握無人機自主姿態(tài)、自主軌跡、半自主航向、半自主高度控制的基本原理、控制過程及參數(shù)變化影響。

(1)實驗主界面