模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

杨佳利，曹文宇，姚 舜，刘 凯，谢鹏福，胡忠志

（清华大学航空发动机研究院，北京 100084）

0 引言

航空发动机是复杂的多学科集成动力装置，涉及气动热力学、结构力学、燃烧学、传热学、控制理论等众多学科，数字化转型是实现技术发展模式变革，加速解决航空发动机卡脖子问题的关键技术途径[1]。航空发动机试车具有危险度高、操作难度大、成本高等问题，使用实时高性能计算和虚拟现实等先进信息化技术，能够缩短研发周期，节省研制成本。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中，虚拟现实技术被列入“建设数字中国”数字经济重点产业[2]。

虚拟现实技术与工业相结合，具备高效、高性价比的优势[3]。在航空航天领域，能够实现航空发动机沉浸式设计，催生可视化智能展示技术，提高管理水平[4]。虚拟现实技术凭借成本低、仿真度高的特点已被广泛应用[5]。RR 公司[6]在组装最新的发动机组件时，使用虚拟现实技术协助员工工作，工程师将在虚拟环境下验证所有组件拥有足够空间和缝隙实现顺序安装，并可得到安装过程的干涉警告；PW 公司[7]通过收集F119 涡扇发动机数据，创建物理部件的数字副本进行数字孪生研究，更加准确地预估部件寿命、改善机动性能，实现长期运行和维护成本的降低；俄罗斯联合发动机制造集团[8]将虚拟现实技术融入发动机研制，已在苏-57 战斗机的发动机开发过程中应用，可有效降低开发成本，缩短产品研发周期；北京航空航天大学仿真中心[1]于2005 年引进高性能集群计算机系统和虚拟现实系统，推动了发动机向信息化、数字化发展；沈景凤等[9]搭建了航空发动机半物理仿真试车系统，利用洞穴状自动虚拟系统系统（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）实现试车数据3 维实时可视化；任浩男[10]对CFM56-7B 发动机进行建模，开发了1 套支持碰撞检测的虚拟维修系统；高颖等[11]针对教学需求，研究数据手套交互、立体显示技术，将虚拟现实技术用于课堂教学，达到了良好的教学效果。

上述研究将虚拟现实技术应用于航空发动机设计和研发过程中，有效提高了工作效率和质量，验证了虚拟现实技术在航空发动机研发过程中的重要作用。然而，由于虚拟现实技术在航空发动机工程应用的研究案例较少，相关研究工作主要局限于单一学科信息传递，存在系统功能较为单一、拓展性和兼容性较弱，不能满足实际工程应用过程中多学科信息融合、实时仿真渲染的需要。此外，画面逼真度作为虚拟现实系统沉浸感的重要指标之一[12]，在上述案例中也少有探讨。

本文主要介绍了模型实时驱动的航空发动机沉浸式交互虚拟运行系统的组成及研究过程中的关键技术。在实现该系统功能基础上，面向教学培训、维修验证的行业需求，提出系统未来升级方案及研究方向。

1 总体设计

本文设计的虚拟运行系统，面向航空发动机设计的实际需求，用于展示和验证自适应变循环发动机原理、先进性和综合性能，同时使用虚拟现实技术设备提高用户沉浸感。整体方案设计效果如图1 所示，采用操控台和立体显示屏幕的组合方案。其中操控台是系统的运算中心，配备状态显示屏、实体油门杆；立体显示屏幕是视觉输出和人机交互的主要设备，支持立体显示技术、配备动作捕捉硬件。部署完成后，用户通过操控台油门杆输入接口操控发动机运行状态，实现发动机起动、加减速、加力、模式切换等功能，并实时查看各状态性能参数；立体显示屏幕提供3 维沉浸式视觉效果，1∶1 呈现发动机结构、运行状态的物理场数据。采用基于从外向内追踪[13]技术的动作捕捉设备，沉浸式人机交互如图2 所示。用户可以隔空操作虚拟空间中的3 维对象，实现漫游、模型剖切等功能，观察内部运行状态、拆装发动机部件。

图1 整体方案设计效果

图2 沉浸式人机交互

虚拟运行系统包括发动机气动热力性能实时仿真模型、全包线实时控制器、3 维结构模型、3 维视景显示系统、操控台等部分。虚拟运行系统模块关系如图3 所示。操控台通过油门操纵杆给出发动机运行指令，操控软件通过以太网将发动机指令发送给发动机实时控制器，其根据油门杆指令信号和传感器反馈信号，通过控制计划和控制策略计算得到各部件控制指令信号，发动机性能模型仿真计算机根据各部件控制信号和当前工作状态，计算得到最新的截面参数和发动机状态，其数据可用于传感器信号模拟和3 维视景显示，同时实时记录相关仿真数据。

图3 虚拟运行系统模块关系

2 发动机实时仿真软件

2.1 发动机性能实时模型

发动机气动热力性能模型用于表征发动机对象特性的动力学模型，以发动机控制指令和飞行条件为输入，根据发动机当前的运行状态，计算和更新下一时刻的状态变化，输出发动机转速、各特征截面状态、内部状态和响应推力等信号。其中，发动机可测信号包含转速、总温、总压等，给至发动机实时控制器，用于实现发动机闭环控制功能；有些非可测信号，如空气流量、流场温度和压力等信号，给至视景仿真系统，用于实时渲染。发动机动力学模型建模方法流程如图4 所示。根据各部件特性参数、变量平衡约束关系计算下一时刻状态变化值。为保证发动机模型的收敛，首先对模型的输入进行保护，防止因错误的输入变化导致模型出现异常。模型计算中，迭代参数为：压气机增压比、风扇增压比、高压涡轮落压比、低压涡轮落压比。将迭代参数代入部件气路关系（图4）中，根据风扇特性、高压压气机特性、高压涡轮特性、低压涡轮特性、燃烧室总压恢复系数特性与燃烧效率特性、外涵道总压恢复系数特性、加力与喷口段总压恢复系数特性计算发动机的起动和加减速过程。

图4 发动机动力学模型建模方法流程

2.2 发动机控制方案

变循环发动机的调节变量多，工作状态复杂，单个调节变循环发动机的几何部件，只能提升发动机某一方面的性能，而其他方面有可能下降。所以单靠调节单个几何部件无法有效进行模式切换，需要多个变几何部件协调来实现模式切换从而最大可能的发挥其潜在性能。同时，控制过程中保证发动机在单、双涵模式之间安全、可靠地切换，确保发动机运行状态在安全边界范围内的基础上，满足发动机的推力与耗油率要求，同时性能变化的动态特性如超调量、波动等满足要求。

结合未来先进飞行器飞推综合控制、直接推力控制的需求[14]，发动机控制方案采用在线性能综合寻优控制策略，实时调节发动机工作模式和运行状态。发动机控制系统研究方案如图5 所示。根据飞行器飞控系统发来的推力需求和飞行状态，以及飞行员给定的发动机工作模式，通过机载模型实时运算和在线寻优算法，计算得到模式切换控制指令、加减速控制指令和喉道调节控制指令，通过具体的模式切换控制算法、加减速控制算法和喉道调节控制方案实现具体的控制功能，产生实际控制指令信号，给至发动机各控制部件，如涵道引射器、模式选择阀门、导叶调节机构、喉道调节机构、燃油计量装置等。另外，在发动机基础控制功能之上，采用变循环航空发动机实时机载模型、基于卡尔曼滤波器的涵道比、推力以及耗油率等状态参数估计方法、喘振裕度估计、多变量控制器设计以及过渡态控制器设计等关键技术进行发动机控制性能提升和优化。

图5 发动机控制系统研究方案

2.3 发动机3维结构模型

本文所用的ACE 发动机3 维结构模型采用了整机参数化结构建模技术路线，可根据外界输入实现结构自动更新流程，支撑自顶向下的设计迭代活动，实现建模过程中与设计体系、设计流程的交互和融合。

发动机结构从方案设计到具有合理结构需要反复迭代，需要考虑在系统工程中应用的先进建模方法。在方案设计阶段，通过自顶向下的整机骨架模型的控制，根据性能要求进行整体布置、确定各部件的尺寸和装配关系。复杂可调结构构型和参数化建模工作是3 维结构建模的核心关键内容，为后续的运动学仿真和优化、动态干涉检查的快速迭代提供基础。

根据工程化结构建模要求，采用结构建模的规范和标准，整机参数化结构建模技术路线如图6 所示。将整机建模分为3 层，各层之间通过技术打通，满足上层对下层的控制和关联，实现面向不同层次设计分析的结构参数化架构。通过二次开发，根据结构设计规则和约束，建立结构样机骨架模型的几何参数关系式，可以实现发动机参数的自动调整，从而满足高效设计和结构修改。为满足快速整机结构更新要求，建立结构模型云储存和参数交互的平台运行模式，实现整机结构更新小于1 h的目标。

图6 整机参数化结构建模技术路线

针对有限元仿真结果与结构模型融合的可视化需求，为实现局部仿真结果与整机坐标对齐功能，本文提出了空间自动对齐方法：部件3 维结构模型导出时记录相对坐标信息，仿真完成后，利用该信息与整机结构精准对齐。有限元分析可视化自动对齐方法如图7 所示。采用此技术路线，局部结构导出时以整机为参照，在局部坐标系下记录模型移动、旋转、缩放信息，有限元分析结束后，通过图像处理器渲染工具对仿真结果进行可视化转换，空间对齐算法读取坐标信息，通过变换矩阵将可视化结果对齐到整机上显示。以燃烧室部分有限元分析结果和结构的对应效果为例，燃烧室应力仿真可视化效果如图8 所示。使用点云将计算结果对齐到整机坐标，能实现清晰、动态的可视化效果。

图7 有限元分析可视化自动对齐方法

图8 燃烧室应力仿真可视化效果

2.4 3维视景渲染系统

3 维视景系统提供高逼真度、流畅的视觉效果。由于视觉内容由发动机性能仿真数据实时驱动，不能使用预渲染动画，因此采用实时渲染方案。根据系统要求，需实现3840×1890的分辨率，及不低于60 Hz 的刷新率，渲染延迟不能高于16.6 ms。本文采用实时渲染引擎作为开发平台，通过专业加速处理模块进行实时渲染能力评估，测试了不同模式下的渲染效能，不同渲染策略对运行流畅度影响见表1。其中高精度模式注重还原结构模型精度，面数达4.6亿，材质和光影配置较低，帧率达不到沉浸式系统要求；平衡模式结构精度较高，且保留了所有装配节点；高清渲染模式降低了渲染面数，采用了高清渲染管线，同时对装配节点数适当优化，实现了画面效果和流畅度之间的平衡。

表1 不同渲染策略对运行流畅度影响

为提升3 维结构模型渲染流畅度，对3 维结构模型进行优化处理，充分利用图形硬件的三角形绘制加速功能，使用镶嵌细分算法将3 维结构模型数据生成近似的Mesh 网格。通过优化设计参数，可将场景整体面数降低至3 千万，处理后文件模型大小为398 MB，相比于原CAD 文件的3.38 GB，文件大小缩减约89%。为进一步提升渲染流畅度，研究了实时渲染优化技术，提出了一种“基于相似对象的动态合批”的渲染方法[15]，在程序运行时动态优化，将处于同一级别叶片进行塌陷，有效降低Draw Calls 值（绘制调用）[16]，在面数不变的情况下可将帧率提升至120 fps左右。

为实现3 维视景渲染的模型驱动和数据映射功能，在数据可视化方面，通过撰写程序脚本对性能实时仿真数据包进行接收、解析，并实时驱动3 维结构模型。以内涵道为例，首先根据涵道构型在建模软件中制作面片网格，使用纹理工具确保模型纹理横向展开；撰写Shader文件，当程序运行时读取性能数据，驱动上述参数，可实现转子的转动过程模拟和流体的温度场、压力场可视化，内涵道性能可视化效果如图9所示。

图9 内涵道性能可视化效果

为进一步提高渲染真实感，表现航空发动机材质纹理，采用了可编程渲染管线和基于物理的渲染技术对发动机表面材质进行精确定义。表面参数信息存储在2D 纹理中，通过纹理坐标映射到发动机部件表面，实现在1 个部件上表达多种质感的效果。在光线反射方面，使用光线追踪技术会带来噪点和大量计算性能开销，难以满足系统使用需求。本文采用了空间反射与探针结合的方式为金属材质提供反射信息。在渲染帧绘制完成后，使用后期堆栈方法，如颜色校准、曝光控制、环境光遮蔽及动态模糊等，对场景的整体画面进行优化。在正确设置材质、反射及后期堆栈后，渲染效果得以大幅提升。技术优化前后的渲染效果对比如图10所示。

图10 技术优化前后的渲染效果对比

3 沉浸式交互硬件方案

3.1 立体显示设备及人机交互设备

采用Power Wall作为主要的显示、交互设备，由2部分组成：LED立体显示系统及ART动作捕捉设备。

传统2D 显示屏幕只能显示单目画面，用户无法通过双目汇聚及视差感知结构上的深度信息[17]。常用的立体显示技术有基于主动快门、红蓝色差、偏振等方式，其中红蓝色差、偏振技术会导致画面偏色或损失清晰度，不符合系统要求。主动快门技术[18]则是基于高刷新率屏幕，交替显示左右眼画面，配合快门眼镜依次显示单眼信息，使用户产生立体视觉效果，支持多人同时观看。

采用的LED 立体显示系统支持NVIDIA 3D Vi⁃sion 技术，采用上述主动快门方式交替显示左右眼的视差画面，在用户戴上配套的快门眼镜后，即可看到清晰的立体视觉效果。

ART 红外动捕套件负责用户动作数据捕捉、识别，主要包含8个红外探头、Fly Stick 手柄、数据手套，能够在3m×4m×2.5m（长×宽×高）的空间内精确捕捉用户头部及手部位置、接收按钮指令。ART主机会将采集的数据保存为字符串，通过UDP 协议广播发送。3 维视景软件根据协议解析出各追踪点的位置、旋转信息，便可以在虚拟空间中定位坐标，实现用户通过自然手势操作虚拟对象的交互功能。

3.2 虚拟运行操控台

虚拟运行操控台是发动机气动热力性能仿真和实时控制运算、发动机运行数据可视化、用户指令输入的主要设备。虚拟运行操控台外观如图11 所示。采用琴式设计方案，安装了3 个显示屏幕，分别显示飞行仪表界面、操控软件界面、3 维预览界面。台面安装油门杆和推力矢量控制杆，用于接收操作人员输入指令。油门杆和推力矢量控制杆的信号，通过操控软件传至实时控制器，用于实时计算分析、仿真与控制等功能。

图11 虚拟运行操控台外观

4 虚拟运行系统集成与测试

虚拟运行系统总体集成方案构架如图12 所示。根据航空发动机性能设计结果建立发动机性能实时仿真模型，模拟发动机运行过程，通过发动机控制计划和控制律设计实现实时控制功能，油门杆和推力矢量控制杆用于接收人机交互输入信号，3 维视景显示系统用于实现发动机结构和运行效果的沉浸式体验。

图12 总体集成架构

本系统已完成测试并投入使用，虚拟运行模式下，以仿真机为源节点，每10 ms发送1次实时运算结果，用于驱动3 维模型、数据可视化模块，用户可通过上位机、油门杆、推力矢量杆实时控制发动机运行，并对运行状态进行评审。

经测试，实现了流畅、细节精确的航空发动机整机渲染效果，具体表现为：刷新率70 帧（立体模式）或120 帧（非立体模式）；分辨率为3840×1890，总渲染面数超过3000 万。用户戴上立体显示眼镜后，能看到的3 维立体发动机效果，3维立体显示效果图如图13所示。

图13 3维立体显示效果图

5 应用方向及展望

系统初步实现了航空发动机数字孪生的快速原型，其中3 维结构模型文件轻量化、性能数据实时仿真、3 维视景实时渲染优化、立体视觉显示等是支撑拓展现实应用的重要技术，亦可用于其他行业。在本文的系统基础上，提出数个值得研究的应用方向，以支持设计研发、运行维护、人才培养等工作。

5.1 虚拟协同设计系统

通过进一步研究头戴式显示器设备开发及无线串联技术，在现有立体显示终端的基础上加入多台VR头盔，组建大空间多人沉浸式协同设计系统，通过数据同步，用户将共享同1 个虚拟空间，以第一人称视角合作完成参数修改、附件拆装等功能，并及时看到反馈结果；其他用户可使用Power Wall 屏幕前以第三人称视角进行评审，及时发现操作问题并做出指示，基于头戴式显示器的协同设计系统如图14所示。

图14 基于头戴式显示器的协同设计系统

5.2 沉浸式评审工具

进一步研究3 维结构模型轻量化技术和立体显示技术，以实现通用的工业模型的沉浸式评审系统。研究的3 维结构模型轻量化算法，可实现NX、CATIA等软件所设计工业模型的快速转换和处理。沉浸式显示方面，传统的2D 显示屏无法展示深度信息，依赖人的经验感知判断对象远近，在工业生产环节中，可能造成严重的误解，导致延误和返工。通过立体显示技术、以及本文提出的可视化坐标对齐技术，可实现精确的模型结构信息展示、实现研究成果进行跨学科集成展示、审查，增加子项目之间的协同效率，降低研发阶段的风险。

5.3 虚拟装配培训系统

在本文平台基础上，结合行业装配培训、发动机维护需求，可以进一步开发航发设计、制造、维护的沉浸式业务培训系统。可通过结构分解、干涉检查、机构运动仿真等功能提升受训人员对结构的理解；通过装配工艺和人机工程模拟，进行结构装配和维修分析，对装配过程、维护过程操作进行虚拟培训；通过支持管路和柔性线缆仿真，可以开展发动机管路和线缆的虚拟场景布线装配培训。本平台支持定制特定的发动机建立专用的模型和装配环境，开发专门基于培训流程的可视化课件，配备全面的人机交互系统、考试评价系统。

5.4 虚拟教学系统

本文实现的发动机虚拟运行系统采用3 维视景渲染技术，可通过沉浸式交互体验环境直观形象地展示航空发动机运行原理和结构方案，高逼真地展示各部件结构特征和相互之间的连接关系，利用3 维可视化体验提升学生理解和接受能力。此系统包含实时控制和发动机模型2 部分，通过联合可实现虚拟运行仿真。可进一步面向学生开发部分控制器接口，拓展在线修改和更新运行功能，用于检验学生控制算法和控制逻辑的设计能力，提升学生在航空发动机控制专业的实践能力和理解程度。

6 结论

（1）本文以自适应变循环发动机为研究对象开展发动机3 维结构设计，将3 维性能仿真结果进行降维处理得到支持实时仿真的发动机性能模型，将实时运行数据与3 维结构模型进行映射，通过3 维沉浸式实时渲染技术呈现发动机虚拟运行过程中的物理场分布，结合沉浸式交互硬件平台形象逼真地展现航空发动机虚拟运行过程，实现发动机结构、系统和性能模型的功能关联和数据同步，达到了航空发动机多学科、多物理量、多尺度联合仿真效果。

（2）本文研究突破自顶向下参数化结构建模及自动化虚拟仿真表达技术、多维融合性能数据处理技术，以及系统模块化协同仿真与实时鲁棒控制技术，集成结构、性能和系统数字样机的多学科数据，通过信息自动轻量化技术、实时高清渲染管线技术，打通数据传输障碍，实现了沉浸感强、逼真度高、操作响应快的数字发动机快速原型，可为下一步构建航空发动机数字孪生体和开展数字孪生技术研究提供基础。