基于新工科的《直升机结构监测技术》实验课程开发

陈 晨，孙 鹏

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉618307）

0 引言

随着我国通航产业的迅速发展，直升机等通用航空器的相关需求也日益扩大，飞行员、机务、空管等从业人员数量逐年增加（图1）[1]。但随着技术更新，新机型引进等原因，很多机务人员不能适应这种变化，造成排故不畅甚至维修事故，这都为飞行安全埋下隐患，严重制约我国通航发展。为适应科技进步，保障我国通航产业持续稳步发展，首先要保障机务维修人才的数量和质量。为此，本文基于新工科理念[2-3]，开发一门新型教学演示实验课程——《直升机结构监测技术》，以提高机务维修人才的理论素养和动手能力。

图1 直升机驾驶员执照数量统计图

1 课程建设的思路

近年来，作为提高通航飞行安全及可靠性的新技术，状态与使用监控系统（Healthy and Usage Monitoring Systems，HUMS）在直升机上得到了大力发展及广泛应用，并大有替代传统检测维修方式的趋势[4]。HUMS可对直升机实现实时在线监控，提取结构特征参数，识别结构完好程度和故障信息，从而实现对结构状态评估。自1991年美国西科斯基在S-61上安装并成功获得CAA的适航认证以来，HUMS产品已经累计使用了80万飞行小时，并按每星期1 600飞行小时的速度继续累计，且成为很多公司的标配。目前，我国也引进了越来越多装有HUMS的通航直升机。

通航产业具有发展迅速、技术更新快的特点，而传统教学往往跟不上时代步伐，依旧停留在老旧的技术方法中，使学生毕业后与不能适应当代新技术发展。为培养出适应时代发展的高端直升机维修机务人才，我校积极采取相应的教学改革措施，摒弃老旧技术，及时跟进当代新技术，基于新工科理念，用新理论、新知识、新技术更新教学内容，保障高质量人才输出。在此背景下建设《直升机结构监测技术》教学演示实验课程，将HUMS这项新技术引入到相关专业教学中，让学生在校时就学习并理解先进监测技术的工作原理与使用维护方法，以提高学生毕业后的适应能力并提高通航从业人员整体水平与素质，使其成为紧跟新时代、新通航发展的优秀机务人员。

2 课程建设的内容

2.1 教学理念

机务是一个既要求动手能力强，又要求理论基础扎实的工作，为培养高素质机务人员，必须在校期间就开始培养其相关能力，而树立正确的教学理念是其前提。在《关于推进新工科研究与实践项目的通知》中，明确了高校创新教育改革的新方向，即在传统工科基础上结合未来技术和经济发展的新要求，构建具有行业特色的人才培养模式。培养新型复合式人才，具备终身学习的素质才是正确的培养方向。基于以上理念，调整直升机机务人才培养的培养方案，确保其有足够的实践、动手和思考课时，结合本门新增课程，提高素质，达到完善教学体系，提高教学质量的目的。

2.2 平台搭建

HUMS是一个集航空电子设备、地面支持设备及机载计算机监视诊断产品于一体的复杂系统。它包含一系列的传感器，并通过各种算法监控发动机、传动系统、旋翼系统、滑油碎屑和机架的状态[5]。由于HUMS集成度高、已嵌入了声发射监测系统、压电传感监测系统、智能涂层监测系统以及基于应力应变的损伤监测系统等模块，若直接购买带有HUMS的直升机进行教学对于学生来说过于复杂，在开发课程时，仅针对其关键部分——振动传感系统进行演示，搭建监测平台，开发实验课程。该平台主要包括振动传感器与数据采集系统，通过振动传感器获取机体振动数据，并由数据采集系统采集记录，最终通过频域分析或智能算法获取振源位置。

2.3 教学条件

我校是机务培养的主力院校之一，具有雄厚的师资力量和优异的教学条件。该课程实施的场地选为新津分院。新津分院为我校培养直升机飞行员和机务人才的主力分院，拥有多种型号的直升机、飞行教员、成熟机务和相关场地建设等硬件条件。本课程平台拟选择R44直升机作为研究对象和实验目标，在R44机体上安装（不破坏机体结构）振动传感器并搭建测试实验平台。在外场空地上展开课程实验，并在实验前准备好防火设置。实验全程有相关机型的成熟机务人员陪同监控，以确保安全和实验顺利进行。

2.4 教学方法及过程

根据新工科的培养目标，学生应在掌握专业理论的基础上，加强实践环节。首先调整培养计划。该课程属于新增课程，选择合适的时机开展，才能达到更好的教学效果。安排开展本课程之前，学生已学习过《直升机结构与系统》或《直升机振动与平衡》课程，确保其理解和掌握机械振动基本原理及椎体平衡基础知识，为本门课程打下良好基础。

开展课程教学的基本流程如图2所示，首先，对学生做好安全教育，防止实验过程中出现意外。

图2 课程开展流程图

阅读实验手册，对振动原理及直升机振源、直升机旋翼尾桨平衡方法进行简单复习，并循序渐进，温故知新地引出HUMS系统的工作原理。展开介绍HUMS系统主要是由机体振动数据判断故障的，根据振动的频率、位置、振型等要素，定位振源部件[6]。通过交流互动的方式让学生参与讨论，并提出振源假设及其振动特性，以及表现形式，梳理整个理论脉络，促进学生积极思考，主动交流。

在此基础上反推振动传感器的布局方式以及布局位置，引入实验流程，介绍传感器布置，数据线连接以及数据采集设备的使用方法。重点介绍数据采集系统的数据提取和数据处理方式。根据振动波形的频域分布图，监测各旋转部件工作状态，从而定位故障位置并推测可能的故障原因，最终根据推测，依次实践排故流程，直到排除故障（此故障在实验前预先设定，但并未告知学生）。作为课后拓展与提高，安排学生自学智能算法的基本原理，并套用已有的成熟算法，处理实验时获取的振动数据，定位故障部件，以达到提高综合素质的目的。

综上，该课程是一门基于新工科理念开发的实验课程，摒弃传统填鸭式教学，通过与学生交流、互动、探讨的方式引导学生思考，参与课堂讨论，激发学生的积极性与热情，在提高理论素养的同时提高分析和解决问题的能力，达到教学要求。

3 总结

基于新工科理念开发教学演示实验课程《直升机结构监测技术》，搭建了直升机振动监测的教学演示平台，将复杂的HUMS系统简化为单纯的振动监测系统，既保留了其核心技术，又使学生容易理解和掌握。并通过交流探讨、互动式教学激发学生的热情与积极性，通过课后作业引导学生独立学习和思考，达到提高直升机维修人才专业素养和动手能力的目的，为我国通航发展提供坚实的后盾和人才保障。