飞机结构与系统航理课程实践教学平台数字化改造探索研究

摘  要  飞机结构与系统航理课程实践教学长期依托实装教学飞机进行，由于实装教学飞机平台技术落后、开放性不佳，导致课程创新性、高阶性教学目标难以有效达成。因此，从现实情况出发，系统分析增强现实技术与数字样机技术在航空领域的应用现状，开展飞机结构与系统航理课程实践教学平台数字化改造探索研究，寻求航理实践教学的创新方法与手段。

关键词  飞机结构与系统航理；数字化实践教学平台；增强现实技术；数字样机技术

中图分类号：E251.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）20-0041-04

0  引言

长期以来，飞机结构与系统航理课程实践教学活动主要通过参观见学各型静态展示实装教学飞机，实习体验实装教学飞机的部分操控科目来开展。相对于复杂系统工程研制出来并持续更新换代的现役飞机而言，现有实践教学模式很难满足飞机结构与系统航理课程的教学目标要求，主要原因在于：

1）现有实装教学飞机普遍存在结构解剖开敞区域小、飞机内部构造难以直观呈现等不足，学员不易通过目视准确观察飞机结构与系统的布局情况；

2）现有实装教学飞机普遍机型陈旧，实习内容与现役主流飞机在操控特点、运行机理等方面差别较大，实践教学价值贡献低；

3）现有实装教学飞机无法模拟飞行条件变化对

飞机结构与系统的综合影响，难以通过实践教学深化学员对飞机平台知识的全面理解。

因此，本文针对飞机结构与系统航理课程实践教学存在的现实矛盾，综合分析增强现实技术与数字样机技术特点及其在航空领域的应用优势，提出开展实践教学平台数字化改造构想，主要从以下几方面进行探索研究。

1  航理实践教学目标要求与制约因素分析

1.1  目标要求

飞机结构与系统航理课程主要教学目标是：使学员了解飞机结构强度限制依据，理解各系统的功用、基本组成、基本工作原理及使用特点，掌握基础理论和共性知识；经过阶段教学，锻炼学员具备运用基础知识判断、分析和解决飞行实际问题的基本能力；最后，达成教学的高阶性目标，即通过系统掌握该课程教学内容，学员能够为后续课程学习机型改装理论、胜任职业发展、开展创新性理论研究打下坚实基础。针对课程教学目标要求，实践教学环节的设计思路是：从飞机平台结构认知，结构与系统部附件认知，结构设计与强度分析，系统功用、组成与基本工作原理等角度出发，开展实践教学。

1.2  制约因素分析

就飞机平台结构实践教学环节而言，飞机结构布局、结构强度限制条件、结构疲劳寿命等理论知识是教学重点内容，实践教学应围绕结构布局特征、结构承载动态仿真、结构疲劳载荷作用分析等进行。目前，传统实践教学仅通过指导学员观察静态展示飞机、讲解飞机结构实物部附件等方式开展，导致学员难以透过现象看本质，不易理解结构承载的内在规律与结构设计依据。

就飞机平台系统实践教学环节而言，通过开展实装飞机操控实习进行体验教学是强化学员理解认知平台系统工作原理的有效手段。但是，由于现有实装教学飞机平台与现役飞机平台存在明显代差，使得学员难以通过传统实践教学理解先进平台系统的交联工作模式以及系统内部主要附件的工作原理，更谈不上对现役飞机平台系统工作的深刻认识。

当前，飞机结构与系统航理课程实践教学组织实施中所面临的种种问题，虽然可以通过微慕课建设、教学员深度互动等多种教学形式与手段尽量化解，但是，开展实践教学平台的升级改造才能够真正契合实践教学的目标要求，才能够切实增强飞机结构与系统航理课程的实践教学效果。

2  增强现实技术在航空领域的应用现状

增强现实技术能够把真实世界信息和虚拟世界信息有机集成到一起，整合出来的场景被人类感官所感知，给予人们一种超越现实的感受，主要包括多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。该技术具有三个突出的特点：一是真实世界和虚拟的信息集成；二是具有实时交互性；三是在三维尺度空间增添定位虚拟物体。

中国民航大学的崔海青等[1]基于HoloLens设备开发了一套数字化飞机增强现实教学平台，通过HoloLens的同步定位与地图构建（SLAM）功能进行环境建模，结合用户操作，完成增强现实的教学展示。中国航空无线电电子研究所的张仟新等[2]提出一种基于增强现实技术的新型飞行视景系统，使飞行员既能在屏幕上看到真实的机外场景，也能在特定位置看到相应的关键虚拟信息，最终形成虚实融合的图像显示在飞机显示设备中。沈阳飞机设计研究所的王雪飞等[3]研究增强现实技术在飞机维修保障过程中的应用，探讨开发基于增强现实的穿戴式智能维修辅助设备，以达到提高保障效能、降低维修差错、提高故障诊断准确性的目的。南京航空航天大学的张秋月等[4]系统阐述国内外航空企业在飞机装配中对增强现实技术的具体应用，强调该技术能够减少建模工作量，增强用户体验感和交互感，极大提高飞机装配效率。

由此可见，增强现实技术通过“增强”人对信息和知识的利用能力，使一些原本难以被人体感知的信息在计算机加工后得到直观展示，使虚拟对象与现实情境相结合，营造出一个具有双向互动特点的交互场景，能够让航空领域的复杂工程实现更好地被观察和解析。

3  数字样机技术在航空领域的应用现状

我国GB/T 26100—2010《机械产品数字样机通用要求》中对数字样机的定义是：数字样机是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。因此，数字样机可以被看作一种基于计算机的产品，该产品属性的设计、分析、仿真等均利用计算机技术来实现，以代替传统的物理样机。该技术具有三个显著的特点：一是真实性；二是面向产品全生命周期；三是多学科交叉性。

上海飞机设计研究院的徐剑[5]总结论述数字样机的发展历程，分析指出数字样机是飞机数字化协同研制的产物和集中体现，也是实现飞机数字化协同研制的有效载体和手段。上海飞机设计研究院的陈裕[6]基于飞机研制的需求，梳理了数字样机的建模与仿真在飞机研制过程中的设计流程与关键技术。中国航空工业集团的崔德刚等[7]通过基于MBD的飞机设计与制造技术研究与应用，阐述了全三维数字化协同设计与制造体系构建的重要意义。中航工业一飞院郑党党等[8]结合数字样机技术和分析仿真技术的发展趋势，分析了性能样机技术的主要特征、关键技术和应用前景，构建了飞机数字样机技术体系高阶建设的总体框架。

目前，飞机数字样机技术不仅被用于飞机几何特征的静态描述，开展关联设计、几何协调等，用于飞机功能特征的动态描述，开展需求分析、功能架构设计、运动分析等，还被用于飞机性能特征的描述，开展结构强度、多体动力学、控制等多学科性能仿真。因此，飞机数字样机技术是一项跨学科综合性技术，其内涵和外延也随着数字化技术在航空领域的应用深化而不断拓展。

4  数字化实践教学平台设计思路与功能实现

考虑到依靠引进先进实装教学飞机改善实践教学条件所面临的资金、渠道等多重现实困难，充分利用当前科技发展优势，基于增强现实技术与数字样机技术，构建数字化实践教学平台。

4.1  设计思路

数字化实践教学平台由实物模拟座舱、增强现实技术支持下的虚拟数字样机等构成：实物模拟座舱用来提供先进飞机驾驶舱仿真操控环境，执行开关量、模拟量等信号传输任务，驱动数字样机；增强现实技术用来在教学展示区域增添定位虚拟三维数字样机；数字样机技术用来呈现典型先进飞机的结构与系统构成，与模拟座舱进行信息交互，按操控指令运行。根据飞机结构与系统航理课程的教学内容要求，该教学平台可支持开展的实践教学内容包括飞机结构设计与承载限制，机体结构与受力分析，液压与气动系统、起落装置、防冰与防火系统等工作原理演示。数字化实践教学平台的基本架构如图1所示。

实践教学的实施流程设计为：根据实践科目设置与任务要求，通过操控模拟座舱开展实习操作；同时，学员在教学展示区就位，全方位观摩操控指令驱动下的数字样机结构与系统运行情况，如活动舵面偏转，机械结构运动，能源系统的能量生成、转化与供给等。在实践教学过程中，数字样机结构布局、平台系统中主要附件及管线路连接清晰可见，随座舱操控运动的数字样机结构与系统工作状态一目了然。由此，学员在实时观察飞机平台运行机理的同时，其所学习的航理知识也能够即时实现应用转化。

4.2  功能实现

数字化实践教学平台遵循先进性、实用性、任务多样性原则进行功能开发。针对飞机平台结构设计与承载限制科目，通过预先规划任务职能，使数字样机具备自动拆分及多承载模式演示功能。由此，可依据任务需求和飞机飞行性能特点，合理选择加载任务并演示飞行中飞机平台结构的强度状态特征，使学员深刻理解飞机飞行性能变化、机动飞行等对平台结构的影响，正确研判平台结构的受载特点，切实掌握飞机结构设计的理论依据与承载限制要求。

针对飞机平台系统工作原理科目，除了系统自身基本功能实现外，还应该具备的功能包括：在数字样机中展示系统的布局特点，系统中重要部附件的位置与基本组成，以及系统间工作时形成的交联影响。例如：执行放下起落架操作时，可由数字样机中清晰地观察到起落架机械连接结构的运动过程，与此同时，还能够观察到自起落架收放手柄至收放作动筒的机械信号—电信号—液电阀—作动筒的机电驱动工作原理，以及在此期间的机械结构与液压系统相互配合、交联运行的场景，从而使学员对起落架系统的工作有即视感知与体验，增强其学习沉浸感。此外，开发系统典型特情科目功能，强化学员对系统正常与应急状态下工作方式的理解，还有助于提高其特情研判和故障处置的航理知识储备。

5  结束语

在飞机结构与系统航理课程教学进程中，实践教学环节是推动学员航理知识学习由被动接受向主动理解转化的必要途径。目前，基于传统教学模式的实践教学存在明显不足，因此，以增强现实技术与数字样机技术为牵引，开展实践教学平台数字化改造，将能够有效达成课程实践教学的目标要求，并促进飞机结构与系统航理课程实现质效提升。

参考文献

[1] 崔海青，吴晓东，魏士皓.基于HoloLens的数字化飞机增强现实教学平台应用[J].教育教学论坛，2020（5）：233-235.

[2] 张仟新，张钰鹏.基于增强现实技术的飞行视景系统[J].航空电子技术，2016，47（1）：22-24，35.

[3] 王雪飞，刘东，史泽波.增强现实技术在飞机维修保障过程中的应用研究[J].飞机设计，2020，40（4）：7-11.

[4] 张秋月，安鲁陵.虚拟现实和增强现实技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2017（11）：40-45.

[5] 徐剑.数字样机在飞机数字化协同研制中的发展[J].计民用飞机设计与研究，2018（3）：87-91.

[6] 陈裕.民用飞机数字样机建模与仿真技术初步研究[J].民用飞机设计与研究，2018（3）：54-57.

[7] 崔德刚，刘看旺，郑党党，等.基于MBD的飞机设计与制造技术研究与应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（12）：3052-3060.

[8] 郑党党，刘看旺，刘俊堂.飞机性能样机技术及体系研究[J].航空科学技术，2015，26（3）：5-9.

作者：尹大伟，空军航空大学，副教授，研究方向为军事装备工程（130022）。