论虚拟仿真实验在航空发动机教学中的重要性

俞凯凯　徐惊雷　葛建辉

摘  要：航空发动机事关国家政治、国防以及经济等，是一个国家综合国力的体现。由于我国航空事业起步晚，尽管经过多年的发展，我国的航空发动机技术仍落后于欧美国家，其中航空发动机人才培养是制约着航空发动机技术发展的重要瓶颈之一。由于航空发动机实验成本高、难度大、污染高等原因，高校针对航空发动机专业的教学仍局限于理论课本教学，无法让学生切身掌握航空发动机的工作原理，极大地影响了专业人才培养的质量。虚拟仿真技术是教育部2018年提出的教育建设工程，可以有效地解决航空发动机整机实验中遇到的各类难点。文章以南京航空航天大学航空发动机原理仿真实验平台为例，阐述了虚拟仿真的必要性和组成结构，论述了虚拟仿真技术在航空发动机教学的重要性。虚拟仿真技术可以进一步促进我国航空发动机人才的培养，助力我国航空工业发展。

关键词：航空发动机原理;实验;教学;虚拟仿真

中图分类号：G642     文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）16-0083-05

Abstract： Aeroengines affects the development of the nation politics， defense and economy， which represent the comprehensive national strength. After years of development， the aeroengines technology in China is lagging far behind that in the developed countries due to the late start of the aviation industry in China， which is mainly caused by the personnel training in aeroengine. Because of the high cost， serious pollution and great difficulty， the aeroengine education in high school still focuses on the theorical book teaching instead of the aeroengine experiments. Thus， the students cannot fully understand the working principle of the aeroengine， which will affect the quality of the professional training of aeroengine. Virtual simulation technology is an educational construction project proposed by the Ministry of education in 2018， which can effectively solve the difficulties in the aerogene experiment educations. Based on the virtual simulation experimental platform for Aeroengine principle established in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， the paper presents the necessity and composition， demonstrating the importance of the virtual simulation to the education. In a word， the visual simulation can improve the education quality of the aerogene and boost the development of the aviation industry in China.

Keywords： Aeroengine principle; experiments; education; virtual simulation

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是飞行器的主要动力形式，被誉为现代工业的皇冠。由于其涉及到现代科学的各个方面，气动热力、材料、结构、强度、热防护以及加工等诸多领域，能够制造出高性能、高可靠性的航空发动机已经成为一个国家科技发展、工业基础和经济水平的重要标志。航空发动机除了技术本身难度大，还需要大量的资金投入，国际上著名航空发动机研制商如GE、PW、RR等每年投入经费达10亿美金。更为重要的是，航空发动机的研制周期十分长，如著名的F119发动机研制周期长达23年，而且还存在失败风险。因此，航空发动机研制的高难度、高投入、长周期、高风险等特点造成航空发动机工业的入门难度巨大。目前，能够独立研制航空发动机的国家仅仅只有美国、英国、法国、俄罗斯以及中国五个国家[1-2]。由于中国航空发动机研制起步晚，工业基础相对薄弱，所以远落后于其他四个国家。因此，国家在2015年开始实施航空发动机和燃气轮机“两机”专项，并列为百项重大工程之首[3]，可以看出高素质的航空发动机专业人才培养已经迫在眉睫[4-5]。航空发动机剖面图，如1图所示。

一、航空发动机教学的困点

从目前的教学现状来看，航空发动机的教学仍局限于课本理论教育，缺乏必要的实验教育，特别是在航空发动机整机特性实验方面，这不利于培养全方位的航空发动机专业人才。因此，作为“三航”院校，如何培养高素质的航空发动机人才已经成为“三航”院校的难题。目前，航空发动机的教学受制于各类原因局限在课本教育，培养的人才缺乏对航空发动机的总体认知，实践能力不够，远达不到航空发动机工业对专业人才的需求。無法进行航空发动机的整机实验主要是由如下几个原因造成的：

（一）航空发动机内部流动不可见

流动的可视化一直是流体力学教学的主要难点，将不可见/不可感受的速度、压力、密度以及流场结构，利用相关方法进行流场可见是流场测量的难点。一般来说，主要有以下几种流场显示方法，如油流/油膜法、纹影法、示踪粒子法等等，这在简化的实验室环境下得到了大量运用。但航空发动机其本身结构精密，具有旋转速度快、流道模型复杂等特点，无法使用传统的流场显示法将流场进行显示，限制了学生对航空发动机内部流场结构的认识。

（二）航空发动机的性能参数不可摸

航空发动机性能参数种类繁多，如总压恢复系数、速度三角形、推力系数、燃油消耗率、稳定性裕度、共同工作点、进气畸变等，这些参数的理论教学抽象，学生无法充分理解这些性能参数对于航空发动机的影响规律，亦不能认识到这些性能参数在航空发动机设计中的重要性。学生仅仅从书本上获取参数的定义无法建立具体的航空发动机的工作过程。

（三）航空发动机真实实验成本高昂

普通军用航空发动机寿命在几千小时，而价格高达几千万左右，每小时运行成本十分昂贵，单次实验成本在几十万左右，普通高校在进行本科教学时根本无力承担如此高昂的费用，所以在教学过程进行航空发动机原理的整机实验是不可行的。而仅仅进行理论上的航空发动机教学实验，终究是纸上谈兵，不利于学生全面认识航空发动机原理的相关知识。

（四）航空发动机原理实验难度大

航空发动机燃烧室、涡轮以及喷管内部温度最高达1600K以上。在进行实验时，航空发动机现场实验安全存在较多隐患，一不注意会给学生带来非常严重的伤害。此外，航空发动机在非正常运行情况下，存在着失速、喘振等极端现象，且很难精确复现，这些现象对于航空发动机是极其致命的，操作不当会直接报废航空发动机，造成不可估量的损失，因此一般不会做这种风险极大的实验，因此加大了学生对于这些典型流动特征的理解难度。

（五）航空发动机实验污染严重

利用实物发动机进行实验教学势必会消耗大量燃油，产生大量尾气，进而造成对环境的污染，此外噪声大也会对周围环境产生一定的影响，所以在学校，特别是在人员聚集的地方无法进行航空发动机实验。

二、航空發动机原理仿真教学实验项目

（一）项目简介

我国航空发动机研制长期落后于西方国家，很大一部分原因在于航空发动机人才培养中实验教育的不足。尽管近年来国家对于航空发动机人才培养越发重视，但目前航空发动机的教学仍然局限于课堂教育。被誉为工业皇冠的航空发动机仅仅以课堂教学无法给学生建立系统性的航空发动机知识理论体系，更无从谈起培养高层次全方位的航空发动机专业人才。虽然各航空专业高校在国家资金以及各航空发动机主机所硬件的支持下都配备几台航空发动机样机，但这些航空发动机样机大多数都是使用寿命到头的淘汰机，或者仅仅是模型样机，基本无法开展整机原理试验。即使少数几台能进行部分实验，也无法满足每学期众多学生的实验需求。加之前文所述的五大局限，在高校中进行航空发动机原理整机特性实验的难度可想而知，几乎是不可能实现的。

2018年5月30日，为学习贯彻党的十九大精神，教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》。通知指出“国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。”[6]虚拟仿真实验教学项目的落实，将信息技术融入到了传统教学方法中，改变课堂教学的单一知识获取方式，让学生能更好地融入到学习中，身临其境探索课本上无法切身体会的知识点，有效提升实验教学质量。虚拟仿真的出现可有效解决上述航空发动机实验教学的困点和难点，可以极大促进航空发动机的教学，可以让学生们将理论与实际相结合，进一步加深学生对航空发动机原理的认识[7]。

航空发动机原理是飞行器动力工程人才培养方案中一门非常关键的专业课，系统性地让学生建立了航空发动机的总体概念，为培养航空发动机人才起到承前启后的核心作用[8]。因此，本课程理论与实验教学的质量直接关乎航空发动机人才的科研素质，对于培养一流人才起着举足轻重的作用。此外，从我校飞行器动力工程专业的人才培养方案中可以看出，该课程还服务于飞行器动力工程的4门核心主干课和2门专业导论课，包括航空发动机原理、航空发动机叶轮机原理、航空发动机燃烧室原理、航空发动机总体性能设计、航空航天概论、飞机发动机一体化引论等。可以看出，航空发动机原理课程除了本身对人才培养非常重要外，还与其他课程有着紧密联系。因此，航空发动机原理的理论与实验教学是非常关键的，直接关乎学生的综合科研素养，必须加大在该课程上的教学投入力度，特别是在实验教学方面。

据此南京航空航天大学能源与动力学院徐惊雷教授团队用时多年，结合多位长期在一线从事航空发动机教学教师的经验，基于恒点虚拟仿真平台打造了航空发动机原理虚拟仿真实验平台。项目总共设计了四个环节：航空发动机航空推进原理认知，航空发动机部件特性剖析，航空发动机关键部件的集成匹配探索以及航空发动机整机特性实验。图2是四个模块的逻辑关系图，以“自我认知、富于探索”为主旨、航空发动机推进原理认知为核心，展开对航空发动机部件特性的剖析认知。部件特性剖析模块包含了进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管五大航空发动机主要部件，可以便于学生在一次实验中完成五个子实验，了解各部件的工作原理和特性。在充分了解航空发动机部件工作特性的基础之上，学生可进行关键部件的集成探索，对关键部件进行匹配集成，进一步加深学生对航空发动机部件的认识，助力学生建立对航空发动机总体的认知。最后模块为航空发动机整机特性实验，让学生充分认识航空发动机整体工作特性，培养学生对航空发动机的整体观。

（二）项目特点

航空发动机虚拟仿真项目主要包括航空发动机各主要部件工作特性以及总体工作原理，具有基础知识面广、工程实践性强、内容结构复杂、知识体系深而广的特点。为了充分发挥航空发动机虚拟仿真教学的优势，本实验主要利用了讲授法、问题探究法、任务驱动法、自主学习法、演示法等教学方法将各专业的知识点分解并融入航空发动机“推进原理认知、部件特性剖析、关键部件的集成匹配探索、整机特性实验”四个环节内，服务于学生“基本原理学习、综合能力训练和创新能力培养”的实践学习过程，体现了“分层次、交互式、重探索、多样性”的特征，着重培养航空发动机专业学生的自我认知与探索能力，助力航空发动机专业人才的培养。

1. 利用演示法和自主学习法掌握推进原理和主要组成部件认知

本环节以航空发动机基础理论为核心，着重于提升学生对航空发动机原理、航空发动机总体性能设计、航空发动机概论以及飞发一体化导论课程中基础理论知识的认知水平以及掌握程度，让学生直观了解到航空发动机的功能、基本组成以及工作原理。项目利用视频、动画等技术深层次展现了航空发动机的基本结构及原理，学生进行交互式操作和全方位观察。此外，学生通过虚拟按钮课对航空发动机部件进行拆卸，深入观察各部件构成和基本功能。配合航空发动机推力的分布和性能参数的实时变化图，可以使得学生有效建立对发动机推进原理以及各部件作用系统的全面认知和理解，为后续环节奠定基础。

2. 利用讲授法、演示法和问题探究法完成部件特性剖析

通过讲授、引导和自主探索等教学模式，让学生对航空发动机的典型部件以及内部流动规律建立概念。随之，提出航空发动机部件如何保持高效工作等问题，让学生带着问题进行部件剖析环节的学习，可有助于培养学生的独立思维。在本环节内，首先利用演示法给学生展示航空发动机各部件，帮助学生巩固航空发动机部件的结构，复习相应理论知识。其次学生通过交互界面利用已掌握的理论知识对航空发动机部件的工作点进行设置，对相关工作参数进行调节，获取航空发动机部件的性能参数变化规律。通过这种交互式操作，所见所得，学生可清楚地认识到航空发动机部件的工作原理，摸清工作参数对航空发动机部件的影响规律，加深学生对航空发动机叶轮机原理、航空发动机燃烧室原理等课程中基础知识的理解。在此基础上，学生可对先前问题进行求解，保证部件的高效工作，可有效激发学生对于航空发动机的学习热情。

3. 利用问题探究法、任务驱动法及自主学习法进行发动机部件集成探索

探索性实验可充分发挥学生的主观能动性，加深学生对航空发动机的理解，有助于培养具有独立思维及创新能力的航空发动机专业人才。本环节主要是指学生通过对航空发动机部件进行匹配探索，并对发动机的转速、来流状态进行掌握。进一步地，让学生根据发动机的工作状态，完成其部件以及燃油的控制优化工作。本环节内容主要涉及航空发动机尾喷管调节、共同工作特性、加速路徑设置以及喘振等，主要是为了引导学生自主、开放性地对发动机调节规律和控制参数进行控制，并能够根据需要相应地改变上述各种相关参数。通过虚拟仿真发动机运行的可视化效果，学生可以不断优化调节规律和控制参数，保证航空发动机顺利工作，避免进入喘振、失速等状态[9]。通过虚拟仿真实验，学生能够全面认识航空发动机共同工作、调节规律以及控制参数对于航空发动机工作的性能影响，通过自主设计调节规律，从而有效保证航空发动机正常工作，进一步提升学生探索与创新实践能力。虚拟仿真形式的航空发动机实验有效避免学生误操作对航空发动机的损害，可以给学生充分探索航空发动机工作特征、原理和性能的学习空间。

4. 综合利用各种教学方法进行航空发动机整机特性实验

本环节主要是让学生“亲身”参与发动机的工作过程，了解航空发动机试车过程，从整体上掌握航空发动机的专业基础知识，提升学生综合运用专业知识分析、处理复杂问题的能力。因此，要求学生不仅要掌握航空发动机各个部件的工作原理和工作性能参数变化规律，还需要掌握进气道与压气机的匹配特性、压气机与涡轮的共同工作特性以及喷管部件调节对于航空发动机工作裕度的影响等。在此基础上，学生在虚拟试车台上进行相关整机实验，获得标准/非标准天气下，随着发动机油门杆、飞行高度、飞行速度的改变，发动机的运行参数、各部件的性能参数和各部件的状态参数，理解发动机的整机工作特性以及工作性能变化。本认知模块侧重点在于学生可以通过交互界面来改变来流状态、发动机油门等参数，获取发动机工作特性，从而在整体上更加深入、全面地了解航空发动机的工作原理。

通过四个环节的虚拟仿真实验，学生可以循序渐进地学习航空发动机基本工作原理、航空发动机部件工作特性、航空发动机部件匹配特性以及航空发动机的整机特性试验，让学生深入掌握航空发动机原理的基础知识。

（三）项目实施过程

为了让学生能够充分地使用航空发动机原理虚拟仿真平台，高效利用虚拟仿真平台进行实验，在实施过程中注重以下三个部分内容的建设：

1. 通过自主学习与航空发动机课程中的讲授法相互结合，在推进原理认知和部件特性实验两个模块中布置了较多的需要学生进行自主学习的内容。学生通过本项目的引导视频以及布置自主学习内容，可以初步建立对航空发动机原理的认知，了解本仿真项目的主要目标。

2. 利用问题探究法、任务驱动法在虚拟仿真项目的部件特性剖析、集成匹配探索环节设置了问题（了解航空发动机部件工作方式，并高效工作）和对应的任务（对航空发动机部件进行匹配，避免发动机进入喘振状态）。学生可以通过在虚拟平台的实验过程，完成建立问题-解决问题的核心过程，自主建立航空发动机部件的工作循环。通过虚拟仿真平台布置集成匹配的任务，学生通过在前期建立起来的航空发动机基础知识来完成相应的任务，最终形成航空发动机部件匹配的知识体系。

3. 将教授法和学生的自主学习法深入融合，以任务驱动形式和问题探究形式进行了航空发动机整机性能虚拟仿真项目的建设，学生通过自主学习操作过程，并在屏幕上通过弹框提示一步一步完成操作，这样能够使得学生在问题和任务驱动下，在完成前三个环节后能高质量完成最后一个环节。

通过综合采用上述各种方法，学生系统地学习了航空发动机原理相关课程的重要知识点，形成了一个由浅入深、由易到难、由概貌到细节、由部件到整机的综合性、系统化的知识架构，有效激发了学生的学习兴趣，促进了学生创新实践和探索能力的培养。

（四）项目实施效果

本项目的网址是aeroengine-lab.nuaa.edu.cn。项目实施开始后到目前为止，已经有7300多人进入系统浏览过本项目，本项目的实验评分满分为5分。其中有1200多人已经完成整个实验过程，在这1200多位实验人员中有898人达到优秀，达标人数为135人，不达标人数为179人，整体通过率为85.2%。从参与实验人员的反馈中，可以看出“加深对发动机总体及部件的理解”是大多数学员给出的评价，也达到了本虚拟仿真项目的最初目的。本项目在2019年被认定为江苏省省级虚拟仿真实验教学项目，后续将持续为航空发动机人才培养服务。

三、结束语

航空发动机事关国家政治、军事及经济地位，是一个国家综合国力的象征，因此培养高素质航空发动机专业人才的重要性不言而喻。受制于实验成本、场地、环境以及技术，目前绝大数的航空发动机原理教学都是基于理论教授，学生缺乏实战经验，不利于培养专业的发动机人才。随着信息技术的发展，虚拟仿真的出现可有效解决此类问题，同时也解决了航空发动机整车实验成本高、難度大等一些突出问题。此外，虚拟仿真给予学生充分的探索空间，让学生完成在许多真实发动机上无法进行的参数调节、部件匹配、航空发动机喘振等实验，可以充分发挥学生的主观能动性。总而言之，航空发动机原理虚拟仿真项目为培养高素质航空发动机专业人才提供了强有力的技术支撑，提升了航空发动机从业人员的专业素质，进一步助力我国航空工业的发展。

参考文献：

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[6]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教高厅函[2018]45号.

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[8]孙振生，胡宇，华明军，等.“理论-实践-创新”三位一体教学方法在《航空发动机原理》课程教学中的探索与实践[J].教育教学论坛，

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[9]张赟，蒋科艺，沈伟，等.《航空发动机学》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（24）：139-140.