飞机发动机一体化设计课程的研究型教学模式探索

苏纬仪 孙斐

摘  要：我国航空发动机技术与欧美等航空强国尚存在较大差距，培养高质量专业队伍是缩小差距的重要途径。飞机/发动机一体化设计要在飞行器总体性能最优前提下进行飞机和动力系统的匹配设计，兼具基础性和前沿性两大特点，非常适合开展研究型教学模式。为此，该文在国内几大航空院校课程体系调研的基础上，重点阐述了飞机/发动机一体化设计课程研究型教学模式的重要性、必要性和迫切性，并进行了研究型教学模式的初步探索尝试。

关键词：航空发动机  飞机  飞机/发动机一体化设计  研究型教学

Abstract： There is a big difference of the aero engine technology between China and the developed countries such as American and the United Kingdom. It is a good approach to reduce the gap by cultivate high quality professional engineers in this field. The Aircraft/Engine integration design requires that the aircraft and aero engines should be designed under the condition that the airplane has maximum total performance， which is fundamental and advanced， and very suitable for research based teaching. Based on the investigation of the curriculum system of several major domestic aviation colleges， the importance， necessity and urgency of the research based teaching for the course of Aircraft/Engine integration design is depicted in detail and conducts a preliminary exploration of the research-based teaching model.

Key Words： Aero engine; Aircraft; Aircraft/Engine integration; Research based teaching

1916年，著名教育家约翰·杜威（John Dewey）[1]从理论上证实了科学研究的必要性，并创建了问题教学法。20世纪五六十年代，美国教育家布鲁纳（Jerome Seymour Bruner）[2]提出了重视科学的知识结构、发展学生智力、培养学生学习能力的认知理论结构和“发现法”教育观。在此基础上，施瓦布（Joseph.J.Schwab）[3-5]进一步提出了探究式教学方法[6-7]。此后，探究式教學模式备受诸多高等院校青睐，甚至一些中学也在极力推崇这种教育理念。

不同于中学阶段，本科阶段的学习本身具有较强的专业性和前沿性。随着学生知识能力的提高，在本科和研究生教学过程中，贯彻知行合一理念、把学习过程和研究过程辩证统一起来进行教育教学是现代高等教育发展的重要趋势之一。同时，将科学研究、社会服务和培养人才几大功能耦合起来开展教育教学是对现代高水平研究型大学职能的升华。另一方面，高等教育阶段不仅是研究型教学的温床，同时也是提升国家创新能力的重要途径。世界一流的大学不仅仅要传授知识，也要“生产”知识，在培养人才的过程中为人类文明做出贡献。因此，研究型教学具有重要意义。

航空工业是现代工业的皇冠，而航空发动机是这个皇冠上的明珠。目前，全球能自主研发军用航空发动机的国家寥寥无几，而能研发民用航空发动机的国家进一步减少[8]。现阶段我国和西方国家在军用和民用航空发动机领域均存在较大差距。“十三五”期间开始，我国已经从国家层面推出了两机专项战略，希望从科学技术上突破航空发动机的关键技术。然而，从高等教育层面如何提升我国航空发动机人才培养？这方面的教学研究还不多。不言而喻，从大学教育层面提升未来航空发动机研发人员的专业素养对于我国航空发动机的发展来说是一个战略性的问题，不仅可以为我国航空发动机行业培养源源不断的、高质量的科研人员，同时，科教融合也能对航空发动机生产研制产生积极的反哺作用。

航空发动机是飞机的动力部件，但航空发动机又包含若干子系统。航空发动机的设计非常复杂，涉及了流动、燃烧、结构、材料、加工、多学科优化、计算流体力学等诸多学科，具有高度专业化的特点。过去教学过程中我们发现，单调地传授知识往往调动不起学生的积极性，学生在教学过程中的参与度不高，很大程度上影响了教学效果。

长期以来，我国航空院校课程体系中，航空发动机课程更多是基于部件进行设置，如进排气系统、燃烧室、叶轮机原理等，而缺乏一门从飞机总体性能层面进行飞机/发动机一体化匹配设计的综合性课程[9-11]。该文主要从飞/发一体化课程的特点出发，阐述该课程研究型教学的必要性。同时，对如何开展研究型教学给出了相关建议。

1  开展飞机/发动机一体化设计课程的必要性

1.1 航空工业的发展使得飞机/发动机一体化设计越来越重要

航空发动机推力和进排气流量增大使得飞机/发动机相互影响加剧。早期喷气发动机推力200～300 kg，2000年已达54 620 kg[12]。这就意味着流过发动机进气道的空气流量和喷管排除的燃气大幅度增加。进气道吸入和喷管排出气体流量的增加使得发动机周围机体流场的压力和速度发生显著变化，严重影响了飞机升力、阻力和俯仰力矩等参数，因而发动机工作特性对飞机气动特性的影响不可忽略。另一方面，飞机升阻和俯仰特性变化又反过来影响发动机的工作状态及推力特性，导致飞机机体和推进系统之间产生强烈的相互干扰、相互影响机制。机体和推进系统之间强烈的相互作用、相互耦合是飞机/发动机一体化设计的内在需求。

飞机性能的优劣，发动机起决定性作用，而发动机的选型和设计又离不开飞机总体性能以及飞机/发动机一体化设计的约束和限制。发动机单项性能指标再高，如果和飞机总体不匹配，飞机总体性能达不到最优，而且还会导致飞机成本的浪费。飞机/发动机一体化是协调总体/部件矛盾的学科，是任何飞行器型号研制必须考虑和深入研究的课题（见图1），同时，也是解决如何协调部件参数从而使得飞机总体性能最佳的一门课程。

随着飞行器设计技术的发展，以往基于经验的设计逐渐被自动化精细化设计所替代，尤其是计算机科学的发展，给飞机发动机一体化优化设计带来新的契机，非常有必要给未来从事航空发动机或飞机设计的本科生进行此方面的专业教育。

1.2 非安装性能和安装性能的巨大差异是飞机/发动机一体化设计的另一内在需求

发动机属于飞机的一个子系统，因而国内航空发动机课程更多侧重航空发动机各个部件與热力循环以及部件特性的讲授，而关于飞机总体和发动机一体化设计的专业课程以及相关配套教材却比较缺乏。

在现有研发体系下，发动机通常会进一步被分解成若干部件给各个研究室，总体部门通常会把部件尺寸、重量以及性能参数等约束提供给研究室，通过各部件设计、加工、装配之后，形成发动机子系统。最终发动机和进排气系统装配到飞机上。然而，地面试验测试的发动机推力和装配到飞机上之后的推力存在较大差异。研究发现，发动机安装到飞机上后，排气系统导致发动机推力损失可达10%～15%，非设计状态下，推力损失可达25%～30%[13]，非设计状态偏离得越远，非安装推力和安装推力直接的差异越大。

因此，发动机子部件性能最佳不等于发动机总体性能最佳，发动机性能最佳不等于飞机总体性能最佳，飞机/发动机一体化设计正是从飞行器总体最佳的角度开展飞机和发动机一体化设计的一门专业课程。毋庸置疑，在未来航空发动机和飞机设计教育体系中，飞机/发动机一体化设计占据举足轻重的位置。国际方面，美国为了研制一种比F-22性能更先进、价格更低廉的空对空战斗机（Air-to-Air Fighter： AAF），专门组织了一批专家编撰了专著《Aircraft Engine design》，其出发点也是为了培养更多的航空发动机和飞机设计专业人才[8]。因此，从航空发动机研制的国家战略层面考虑，国家不仅要从科研层面进行两机专项的立项支持，也需要从教育层面考虑，如何培养为了具有竞争力的航空发动机设计工程师。

1.3 吸气式高超声速组合动力的发展使得飞机/发动机一体化设计成为必然

未来，以航空发动机为基础的组合动力是全球空天推进研究的趋势，例如涡轮基组合循环发动机（TBCC）、预冷组合发动机等。

目前，航空发动机研制过程中，各部件采用分工、独立设计，但对于装配吸气式动力装置的高超声速飞行器而言，飞行器机体与推进系统以及推进系统各部件之间存在强烈的相互干扰，且机体和推进系统之间甚至很难找到明显的分界线。

以吸气式超燃冲压发动机为例，其飞行器前体不仅承担了机体产生升力的功能，同时，前体也承担了参与捕获、压缩空气的功能。另外，进气道和燃烧室之间也存在强烈的相互作用，一方面，进气道-隔离段出口流场影响燃烧室燃烧的组织和释热，同时，燃烧室释热变化又会以反压形式通过边界层和激波串来影响进气道-隔离段的流动。

因此，超燃冲压发动机及飞行器研制过程中，必须从机体/推进系统、进气道-隔离段/燃烧室、燃烧室/尾喷管/后体之间的一体化角度出发，兼顾飞行器和发动机整体性能，各部件不能独立设计。针对未来空天动力的发展趋势，应对高速化和高超声速化动力系统的发展机遇，必须加强航空发动机专业本科生的学术视野，加强飞机/发动机一体化设计相关的研究工作。

综上，开展飞机/发动机一体化设计研究型教学是航空动力发展到一定历史阶段的必然需求。

2  研究型教学模式的实施方案

飞机/发动机一体化设计是最适合开展研究型教学模式探索的课程，下面我们将结合这门课的内容，阐述如何开展研究型教学。

2.1 通过激发学生的主观能动性开展研究型教学模式探索

飞机/发动机一体化课程包括了航空航天概论、飞机性能、吸气式喷气推进原理、发动机性能模型、优化设计和结构力学等多学科交叉内容。在教学过程中，要充分调动学生的主动参与意识、避免被动接受知识，尤其是要重点培养学生检索文献资料的能力和科技论文规范撰写的书面表达能力。

在讲授飞机性能之前，可以要求学生对国内外几种典型战机性能数据就行检索、整理，获得各代典型战机的主要性能指标，建立数量级意识;讲授飞机性能内容之后，培养学生根据文献检索获得的主要参数估算战机性能的能力，增强学生对知识的应用能力。这样，学生主动采用飞机性能分析方法对文献检索结果进行整理、分析、计算，并最终按照科技论文的格式撰写成报告。不仅可以提高学生的积极性，还能培养其主动检索信息、分析计算和科学规范的书面表达能力。

这里需要注意的是，教师要充分考虑到本科生时间和精力。一般专业选修课被安排在大三或大四，学生通常会面临找工作、考研以及其他课程的学习，如果任课教师不实事求是考虑学生的精力，有可能导致学生敷衍，甚至抄袭等行为，从而违反了开展研究型教学的初衷，因此，这样的活动要求少而精，不宜过多。学院在安排研究型教学的时候，最好通盘考虑，从宏观上规划学生的课程群。

2.2 通过过程考核方式来开展研究型教学模式探索

研究型教学模式的考核与传统考核模式不同，传统考核模式更注重期末考试，任课教师通常采用出期末考试试卷的形式，来考查学生对教学大纲内容的掌握程度，并以考试成绩的形式对学生学习情况做出鉴定，这种考察方式更多体现在对结果的考核。研究型教学模式需要增加学生学习过程的考核，既要像传统授课模式那样完全达到教学大纲的要求，又要考核学生学习过程的主动性、积极性。如果对学习过程没有考核，或者考核力度不够，则不利于研究型教学模式的开展。

因此，研究型教学模式开展，要从教学大纲层面统筹规划，设置阶段性过程学习的分值比例，并严格设立考核标准。既要从激发学生主观能动性方面提高学生学习的自主性和积极性，还必须设立严格的考核标准督促学生参与研究型教学过程的学习。

2.3 通过强化应用来开展研究型教学模式探索

从教学内容上，飞机/发动机一体化设计包含了飞机性能、推进系统性能、发动机性能模型、优化设计方法、结构力学和飞机/发动机一体化设计应用案例几部分内容。涉及的学科多、知识面广，如果采取传统教学模式，学生很大程度上会孤立地接受各部分的教学内容，而采用研究型教学模式，有望能使學生理解各部分知识体系之间的相互联系、加强其对知识的掌握应用。

对飞机发动机/一体化设计课程而言，引导学生综合应用飞机性能和推进系统性能各部分的知识体系，建立飞机/发动机一体化性能分析模型，并采用所学的优化方法对飞机性能进行一体化优化设计，并安排一定学时的程序编制和上机实验，不仅可以强化学生对知识的全面掌握和灵活应用，避免以应试为目的死记硬背方式，还能使学生深刻感受到飞机、发动机设计参数与性能指标的取值范围和量级概念，使得课堂教学更加贴近实际。

3  结语

综上所述，飞机/发动机一体化设计课程是培养未来从事飞机或发动机研发人员的重要课程，改变传统教学方式、进行研究型教学模式改革是飞行器设计和发动机研究发展的必然要求，也是为了配合我国“两机专项”国家计划为我国航空发动机培养合格人才的教育举措。对我国航空发动机乃至整个航空航天领域的发展具有重要的战略意义。

参考文献

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