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關鍵詞： 航空發動機；虛擬教學；三維仿真；人機交互

Key words： aero-engine；virtual learning；three-dimensional simulation；human-computer interaction

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）11-0181-02

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作者簡介：劉振俠（1963-），男，陜西西安人，教授，研究方向為航空發動機推進理論與工程。

0 引言

航空發動機是當代工業技術發展的結晶，是工業技術“皇冠上的明珠”，對國民經濟、國防建設起著戰略性的作用。隨著軍事需求、民用航空的發展，航空發動機技術日新月異，新的設計構造不斷涌現。但是長期以來，由于人才短缺、基礎薄弱等原因，我國航空發動機技術始終與國外先進國家存在著較大的差距。因此，培養高素質、創新型的航空發動機人才對促進我國航空發動機技術發展至關重要。

實踐教學是航空發動機教學工作中的重要一環，對促進學生了解發動機內部復雜結構、理解相關理論知識起著重要作用。傳統的實踐教學內容主要包括參觀發動機樣機、進行發動機試車實驗等。但是，由于航空發動機內部結構非常復雜，難以觀測到內部細致結構；進行一次航空發動機試車實驗不僅花費高昂，而且對操作者要求極高，只能由專業技術人員操作，學生的參與度很低；另外，航空發動機技術日新月異，教學實驗設備難以及時更新，使學生所學知識與實際應用嚴重脫節。

為了提高學生教學質量，解決航空發動機教學設備陳舊、實驗費用高昂等問題，本文將虛擬現實技術與發動機專業教學相結合，建設了了航空發動機虛擬教學實驗系統。

1 系統組成與功能

實驗系統旨在建立數字化的三維虛擬航空發動機實驗室，可以實現發動機結構的虛擬裝配，發動機試車臺實驗仿真，發動機內部工作原理及內部流場展示等多個教學實驗內容。學生能夠通過這個虛擬空間觀看發動機教學實驗，并通過視、聽、觸等感知行為去體驗，學生能夠主動操作實驗，實驗系統具有很強的交互性與沉浸感。

如圖1所示，為航空發動機虛擬教學實驗系統的軟硬件組成。硬件包括人機交互所用的傳感設備（如數據手套、六自由度鼠標、觸覺與力度反饋器等）、顯示設備（如頭盔、投影屏）、虛擬環境產生器（包括高性能圖形工作站、立體聲音響）；支撐軟件包括對象模型生成軟件、虛擬視景軟件以及程序編輯平臺等。

通過軟硬件結合，航空發動機虛擬教學實驗系統能實現由發動機虛擬裝配、模化實驗、流場顯示等三個模塊的多種功能。

1.1 發動機虛擬裝配模塊。學生能夠在全場景、沉浸式的虛擬環境下任意角度觀測到航空發動機各大部件及其內部結構，通過配戴數據手套實時交互地對發動機三維模型進行虛擬裝配，加強學生對發動機總體結構和部件間的連接關系的認識；

1.2 航空發動機模化教學視景仿真模塊。此平臺可模擬發動機在工作過程中內部的運行情況，利用視景仿真技術模擬渦輪轉子轉動，氣流在發動機內外函道的流動以及燃燒室和尾噴管的火焰現象，并能通過對油門桿的交互操作實現對這些動態現象的控制，可以使學生從視覺上對航空發動機內部工作狀態有形象直觀的認識；

1.3 發動機試車實驗仿真模塊。能夠模擬能使發動機試車的操作過程，可以使學生了解發動機試車的具體步驟，培養學生對試車實驗的實際操作能力；通過曲線歷程圖和實時數據反映發動機特性參數的變化，加深對發動機工作原理和氣動特性的理解；提供發動機試車的立體音效和控制臺視景仿真，加強了系統的沉浸感；

1.4 流場顯示仿真模塊。能夠模擬發動機內流場質點的流動軌跡，可以使觀測者直觀了解如葉柵繞流等實驗現象及其機理，加深對相關專業課的認識和理解，達到較好的教學效果。

2 系統設計方案

為了應用相應的軟硬件設備，完成航空發動機虛擬教學實驗系統應滿足的需求與功能，采取了以下設計流程來完成系統的搭建，如圖2所示。

2.1 第一層為硬件層，主要由虛擬現實人機交互系統、大屏幕立體顯示系統和小型桌面虛擬現實系統組成。其中小型桌面虛擬現實系統包括高端PC工作站、VR專業三維立體圖形發生器、紅外立體眼鏡及播放器組成和CRT彩色顯示器組成。而人機交互系統包括由六自由度三維空間立體鼠標、數據手套等組成。其中六自由度立體鼠標可實現x、Y、z三個方向上的移動和旋轉功能；而數據手套可以真實地模擬人手的裝配動作和觸覺感應。大屏幕立體顯示系統由投影儀、立體轉換器、硬幕、偏振片和偏振立體眼鏡組成。

2.2 第二層為硬件接口層，主要用于獲取六自由度三維空間鼠標、數據手套等的虛擬裝配環境結構數據，設定立體眼睛雙目視覺間隔參數等。

2.3 第三層為3D模型層，首先可利用Creator、CAD等建模工具，采用體素法、輪廓掃描法和實體掃描等方法建立幾何模型，對物體的形狀、位置、大小等幾何信息，以及發動機各部件間連接關系等拓撲信息進行描述，獲得物體重心、表面積、體積、密度、質量、轉動慣量等幾何、物理參數。

2.4 第四層為支持工具層，在本例中為VEGA虛擬環境開發系統，運行于vC++6.O工作平臺，它提供了大量的處理窗口、環境以及實現虛擬動作的函數。

2.5 第五層為驅動層，包括數據手套、六自由度三維空間鼠標、位置跟蹤器、立體顯示設備等的驅動程序。

2.6 第六層為應用層，可采用vc++6.O開發出面向用戶的友好的虛擬裝配環境。最終用戶并不需要了解繁瑣的函數調用和硬件接口，只需通過空間立體鼠標、力反饋數據手套等輸入裝配控制指令，并通過立體眼鏡、頭盔顯示器等設備觀看到實時的裝配效果。

3 系統應用與前景

航空發動機虛擬教學實驗系統將虛擬現實技術與航空發動機專業教學與實驗相結合，克服了傳統教學方法設備更新困難、試驗費用高昂等問題，突破了傳統教學方式的局限性，有效地推動了教學方式的改革與創新。通過航空發動機虛擬教學實驗系統在教學實踐中的應用，系統有效提高了專業學生的培養質量，節約了實驗教學成本，將我國航空動力專業的教學工作推上了一個新的臺階。同時，虛擬教學實驗系統的思想在土木建筑、軍事教育、醫學教學等領域具有廣泛的應用前景。隨著計算機與多媒體技術、仿真技術、虛擬現實技術的迅速發展，虛擬實驗教學必將突破傳統教學方式得到廣泛應用。

參考文獻：

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1 引言

在航空發動機研制過程中，要經過大量整機試驗和科研試飛才能最終確定燃油與控制系統的性能、可靠性和操縱性。在整機試驗和科研試飛中，臺面儀表僅顯示了發動機狀態和告警參數，幾乎沒有監控顯示燃油與控制系統的相關參數。如果不對燃油與控制系統進行測試改裝，在整機試驗和科研試飛中則無法預估燃油與控制系統的安全可靠性，也不利于燃油與控制系統的故障排查。為了降低整機試驗和科研試飛的風險，必須加強燃油與控制系統的全面監控，保障試驗安全可靠的進行。

2 燃油與控制系統組成

燃油與控制系統主要由離心式增壓泵、低壓燃油濾、燃油調節器、電子控制器、燃滑油散熱器、超轉放油閥、各類傳感器及電纜等附件組成。

3 燃油系統測試

燃油系統由離心式增壓泵、低壓燃油濾、燃油調節器、燃滑油散熱器及超轉放油閥等附件組成，其作用是將燃油輸送到燃燒室，保證航空發動機各種工作狀態下所需的燃油。飛機或臺面儀表僅監控燃油濾堵塞和燃油壓力低兩個發動機燃油系統告警信號。因此，必須對燃油系統進行相應的測試改裝，才能全面監控燃油系統的工作狀態，保證試驗安全進行。

3.1增壓泵進出口燃油壓力和燃油溫度的測試

燃油系統組成元件，尤其是燃油調節器只能在特定的進口燃油壓力和溫度范圍內正常工作，否則工作異常，給發動機正常工作造成一定的影響。通過對增壓泵進出口燃油壓力和溫度進行測試監控，可以避免燃油系統在燃油壓力和溫度規定值外工作，如圖1所示。燃油壓力開關雖然具有燃油壓力低告警功能，但是不能對燃油壓力數值進行監控。通過在燃油壓力開關和燃油管路連接處增加一個三通的管接頭，既不影響燃油壓力低告警功能，又可以監控燃油壓力的實際值。在試驗過程中，一旦發現增壓泵后燃油壓力數值異常，便提醒操作員降低飛行高度或者打開飛機油箱增壓泵，避免造成不必要的損失。

3.2計量燃油流量和計量燃油壓力的測試

燃油系統首要的任務就是保證航空發動機各種工作狀態下的燃油需求，燃油調節器便是完成該任務的執行機構。電子控制器根據發動機狀態輸出計量油針給定信號至泵調節器，泵調節器接收到信號后輸出相應的燃油，并將計量油針反饋信號傳輸給電子控制器。泵調節器理論供油流量和實際供油流量有一定的誤差，誤差超出一定范圍時就會影響發動機正常工作。通過對泵調節器出口對計量燃油流量和燃油壓力進行測試監控，實現泵調節器實際供油流量和理論供油流量的對比分析，實時監控泵調節器的工作特性。當發動機出現超轉現象時，電子控制器控制超轉放油閥按照既定規律工作，可以避免飛機因發動機超轉停車而失去動力。在超轉放油閥出口測試監控燃油特性，不但可以監控超轉放油閥的工作狀況，也可以監控發動機噴嘴前的燃油壓力。

4控制系統測試

控制系統集信號采集與處理、故障診斷與對策、控制方法與控制規律于一體，主要由傳感器、電纜和電子控制器等組成，其中電子控制器軟件和硬件結合在一起成為控制系統的核心部件。

在正常使用過程，電子控制器將發動機狀態參數和控制系統故障告警信號輸送至臺面儀表，但是傳感器和電子控制器的工作特性無法監控。為了在整機試驗和科研試飛時，實時掌握控制系統工作狀態，便于故障的排查和分析，可以對控制系統進行測試改裝，具體如圖2所示。在電子控制器方案設計時，便充分考慮了整機試驗和科研試飛測試改裝的需要，對其通訊端口進行了余度設計。

在發動機整機試驗時，電子控制器和監控計算機進行通訊，實時監控發動機及控制系統工作狀態。監控計算機能實時顯示信號參數及試驗曲線、開關量狀態、故障告警信息等，還具有數據存儲功能，具體如圖3所示。

在科研試飛時，電子控制器可以和飛機遙測系統進行數據傳輸，但是飛機遙測系統只能將少量關鍵信息傳輸至地面監控系統，實現航空發動機及控制系統的實時監控。通過將整機試驗監控計算機通訊接口處安裝一個控制系統數據記錄儀，可以詳細記錄存儲試驗過程燃油與控制系統的信息，以便進行曲線回放和分析，也為燃油與控制系統安全性評估及故障排查提供依據。

5 試驗驗證

燃油與控制系統隨發動機整機試驗過程中，出現發動機起動失敗現象。經過對測試數據進行分析，發現燃油與控制系統實際供油流量比理論供油流量低，引起發動機起動失敗，如圖4所示。

燃油與控制系統隨發動機裝飛機科研試飛時，控制系統向飛機座艙儀表輸出導葉電磁閥故障。通過分析控制系統數據記錄儀存儲的數據，發現因導葉給定信號和反饋信號偏差超出規定值，引起控制系統報導葉電磁閥故障。

6 結語

通過對航空發動機燃油與控制系統參數進行測試監控，可以全面掌控在航空發動機整機試驗和科研試飛中燃油與控制系統的工作狀態，也能預先評估燃油與控制系統的安全可靠性，保證試驗順利進行。測試監控存儲的數據也為燃油與控制系統的故障排查和分析提供了依據，保障航空發動機燃油與控制系統研制工作順利開展。

參考文獻：

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“大學課程綜合化既是現代社會和當代科技日趨綜合的反應，又是大學與社會發展日益密切的結果，更是高等教育內部發展的邏輯要求”[1]。當前，快速發展的中國民航要求建設適應民航強國需要、支撐現代民航教育體系的人才培養體系和科技創新體系，從而不斷提升為行業和社會發展服務的能力。在此背景下，為改進飛行器動力工程專業本科學生的培養質量，促進教育教學質量的提高，進行了航空發動機控制課程綜合化改革的探索與實踐。

1課程改革的歷史必然性分析

中國民航大學的飛行器動力工程專業是一個主要面向航空維修領域的特色專業。成立六十多年來，一直緊密貼近民航發展，在課程設置上也體現了行業需求，其中的航空發動機控制課程就是這樣的一門課程，主要講授發動機控制系統基本部件的工作原理、控制特性，以及典型民用航空發動機控制系統的組成及功能特點等，希望學生能夠通過本課程的學習，掌握基本的控制原理，熟悉民航主力機型控制系統的工作特點。在近年來的授課過程中，發現了一些新的問題需要加以解決，主要體現在：

1.1近年來民航主力機型的控制系統已經由傳統的液壓機械式控制系統全面更換為全權限的數字式電子控制系統（FADEC），在控制部件的工作原理、系統功能及運行模式上都體現除了與過去截然不同的特點，尤其是大量電子技術的引入，使得發動機控制課程融合了機械、液壓、電子、流體力學、傳熱等多學科的知識，體現了綜合化的特點，對教師教學提出了更高的要求。

1.2行業快速發展過程中引入了大量的先進發動機機型，要求學生在使用過程中快速掌握其工作特點。這就要求在課程內容上，體現知識的廣度，并且貼近民航實際，在原理講授中要有針對性，講解過程簡單易懂。

1.3二十一世紀的高等教育越來越重視創新人才的培養，由于信息科技的大量應用，使得學生可以在短期內獲得大量的信息，此時更為重要的是培養學生的創新型思維以及綜合運用知識的能力，因此課程設置一定要有利于學生思維廣度、深度及靈活性的發展[2]。

1.4行業需求導致的學生擴招帶來了教學資源的緊張，而與此同時需要進一步地培養學生的動手實踐能力，因此在課程講授中除了要體現現動機控制的特點，也要與時俱進地在教學資源配置上，尤其是在教學實驗、教學的方法手段上作出改變。

2改革的具體措施

針對航空發動機控制課程出現的問題，決定針對此課程開展綜合化改革。關于課程的綜合化，研究者形成了以下幾方面的認識：第一種是“學科之間的綜合”說，既包括課程體系的綜合化，也包括課程內容的綜合化，還要從課程目標、學習活動方式、甚至從課程的教學組織形式進行整體分析并加以綜合，形成一個有機系統；第二種是“學科、社會和學習者之間的綜合”說，即課程綜合化泛指課程組織結構中各要素（學科、社會、學習者）之間的各種各樣的橫向關系或聯系。

航空發動機控制課程綜合化改革的具體措施包括：

2.1課程知識點的綜合化。

課程的綜合化就是要強調學科領域之間的聯系和一致性，避免由于過早或過分地強調各個領域的區別和界限，而導致的課程之間的彼此孤立、相互重復或脫節的狀態。為了完成航空發動機控制課程內容的綜合化，首先明確了綜合化的目標是統整各相關學科知識，通過學生的關聯式、研究式、體驗式等綜合化學習，克服分科課程的局限。之后，通過對航空發動機控制課程的前置課程和后續課程知識點的梳理，明確具體講授的知識點，并在課程設置上進行了合并，主要是合并了自動控制原理課程，對自控原理相關的內容依照實際需求進行了刪減，僅保留卻為授課所需的內容。另外加大了控制系統特點的總結，有意識地減少課程講授的機型數量，減少學生負擔，給學生更多的自主學習時間和內容。最終，通過知識點的整理，整個控制類課程的授課學時由原先的108課時縮減為54學時。

2.2課程與行業的綜合。

行業需求一直是引領課程改革的方向標，當前的航空維修工作對機務人員綜合運用知識和技能的要求增高；此外，為了能使得大學更好地為社會服務，需要開展課程與行業的綜合工作。在本課程的授課中，尤其是在典型發動機控制系統的講授中，引入了航空公司所使用的培訓教材，包括其所應用的CBT（計算機輔助訓練）軟件，同時引入企業或培訓單位有經驗的一線工作人員進課堂，為學生帶來一手的技術資料。此外，還注重加大學生企業實踐的比例，使得學生在實習的過程中消化理解課堂講授的知識。當前，正在結合卓越工程師計劃的開展，力圖開門辦學，進一步夯實學生的理論基礎、實踐技能。

2.3課程與學生的綜合。

在新世紀里，人的全面發展包括四層內涵：完整發展、和諧發展、多方面發展和自由發展[3]。傳統的大學課程設置和傳授都是以分科課程為主導的，很難實現人的這種全面發展的需要，會導致人的發展的片面化。因此在航空發動機控制課程的綜合化改革中，要改變課程分割的局面，同時要大力轉變傳統單向的以教師為中心的授課方式，轉為以學生為主的課程學習。具體措施除了課程內容的綜合外，還體現在小班授課和借用網絡平臺進行溝通交流，組織學生進行現場教學和體驗式的教學。通過大作業的方式，組織學生進行科研課題形式的思考和研究，使得其能綜合運用所學的內容。

2.4課程與教師的綜合。

隨著課程綜合化改革的推廣與深入，教師教學能力及其結構的更新和提高，已經成為教育改革面臨的重要問題。總之，“課程改革需要教師提高教學能力”[4]。在課程改革中，教學過程的不確定性對教學提出了更高的要求，由于學生成為學習的主體，教師更應關注學生的個別化發展；改變課堂學習方式，探究與合作成為師生教學活動的主體；課堂應該更為的開放[5]。綜上，在實際的課程綜合化改革中，除了通過培訓、交流、講義編寫、課程開發等工作，逐漸提高老師的專業技能外，還需要教師把教學內容和教學方法手段有機的結合起來，整合教學內容和教學方法，靈活運用多種教學策略，開發課程資源，引導學生學會學習，并整合相應的教學環境[6]。在航空發動機控制課程綜合化改革中，為了營造這種環境，專門在專業教室內進行授課，綜合運用網絡、多媒體、控制部件實物等啟發和引導學生學習和思考。

2.5教學與科研的綜合。

科研與教學是高等學校的兩個重要職能。高等學校一方面通過科學研究探索真理，發展知識，構成了社會發展的思想庫；一方面通過教學挖掘和開發人的潛在能力，為社會發展積累有知識和創造性的人力資本。但在高等教育的實踐過程中，如何處理教學與科研的關系卻一直是一個重要的命題[7]。因此在航空發動機控制課程的綜合化改革中，有意識地將教學與科研進行了綜合，在教材的編寫、實驗室的建設過程中，將最新的科研成果引入了教堂，使得學生能夠接觸到最新的科研進展；另外還通過引入科研機構的教師參與授課，將名師帶入課堂，也促進了知識內容與體系的更新；同時，對在教學過程中發現的有科研潛力和興趣的學生，也適當分配了一些科研輔助工作，注重在科研過程中培養其能力和興趣。

3綜合化改革實踐與分析

目前，航空發動機控制課程的綜合化改革已經在試點班進行了一輪的授課，各項措施得到了落實，在實踐過程中，通過對綜合化改革的反思，得到了以下看法。

3.1包括綜合化改革在內的課程改革是一個長期化的過程，需要教師、學生及教務工作者在一輪一輪的授課中動態地處理遇到的問題，只有堅持以學生為中心的思想，堅持提高教育教學質量這一根本性目標，才能解決前進中遇到的困難，并且要得到更廣泛的參與和支持，不僅僅是來自教師的力量，更重要的還得有行業和科研機構的支撐，才能使得課程在瞬息萬變的時代中歷久彌新。

3.2綜合化改革中需要進一步地更新思想觀念，打破本位意識，打破課程與課程間的孤立和隔離，打破學校與社會和行業間的距離，融合教學與科研，真正地實現課程的綜合化。

3.3在改革中要不斷地加強師資隊伍的建設。可以說教師是主導改革進程的參與者，但更應該成為領導者，只有教師能力上去了，才能更好地建設包括教材、實驗室在內的教學資源，才能在課堂上有意思的引領學生，才能真正地將改革的意圖貫徹好，將改革的目標實現好。

3.4高等學校的課程改革，尤其是一些主干核心課程的改革要慎之又慎，本著對學生負責的態度，要量力而行，扎扎實實地推進，可以考慮的是以試點班的形式進行驗證后再進行推廣。

參考文獻

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（Nanjing Jincheng College of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211156，China）

摘要：航空發動機安全可靠的快速起動是保證其順利進入正常工作的前提，發動機在地面和高空起動特點各不相同，在對起動過程的模擬研究中，對發動機地面與高空起動特點進行深入的分析是極為重要的先決條件。

Abstract: The quick, safe and reliable starting of aircraft engine is the premise to ensure the smooth entry into work. The characteristics of engine starting at ground and in high altitude are different. In the simulation study process of starting, the depth analysis of the characteristics at ground and high altitude is the extremely important prerequisite.

關鍵詞：航空發動機 起動特性 地面起動 高空起動

Key words: aircraft engine；starting characteristics；ground starting；high altitude starting

中圖分類號：TK44文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）15-0034-02

0引言

根據不同需求，航空發動機起動過程可分為兩種[1]：地面起動和空中起動。地面起動即發動機在地面從靜止的停車狀態加速到慢車狀態的過程，空中起動即發動機空中停車再點火起動加速到慢車狀態的過程。發動機可靠、快速的起動過程對保證軍用飛機的作戰效能至關重要，起動性能的好壞是衡量航空發動機綜合性能的一項重要指標。

1發動機起動過程概述

1.1 地面起動航空發動機從零轉速加速到慢車轉速的過程稱為起動過程。發動機在地面起動時必須依靠外界動力源，因為這個時候沒有空氣流過發動機，如果向燃燒室噴油點火只能將發動機燒損而轉子不會轉動起來。只有達到一定的轉速后，燃燒室內的氣流才能建立起穩定燃燒所需要的氣流壓力和溫度，因此發動機地面起動必須依靠起動機帶轉。一般情況下，發動機的地面起動包含以下三個階段[3]，如圖1所示。

圖1中，M■為起動機的扭矩，M■為渦輪扭矩，M■為壓氣機扭矩，η■為帶動附件及克服摩擦的效率，M■/η■為起動過程的阻力矩。

第一階段：在未向燃燒室供油時，起動機功率輸出軸帶動發動機高壓轉子旋轉到接近點火轉速n1。第二階段：在燃燒室內點燃燃油，渦輪產生功率。當渦輪的扭矩恰好等于阻力矩時，發動機的轉速n■■稱為最小平衡轉速。按理，當n>n■■后，M■>M■/η■，發動機可獨自起動。但為了安全可靠地起動，通常在這一階段起動機繼續工作，輔助渦輪將發動機轉速帶至大約是（1~2）倍最小平衡轉速（接近n2）。第三階段：發動機轉速達到n2時，渦輪產生的功率已經明顯大于壓氣機所消耗的功率，在控制系統作用下起動機脫開與發動機高壓軸的聯接，發動機依靠渦輪的剩余扭矩將發動機獨自從n2加速到慢車轉速ni。

1.2 發動機高空起動過程航空發動機在空中工作時，由于種種原因可能造成空中停車，這時需要重新起動。典型的發動機空中起動包線圖如圖2所示[4]。空中起動與地面起動不同。按起動初始轉速劃分，高空起動分兩種類型：起動機帶轉起動和風車點火起動。飛機在高空飛行時，受進口氣流影響，發動機轉子可維持一定的初始轉速。當初始轉速足夠高時（大于某一轉速n1），可直接點火起動；否則，飛機需要借助俯沖或起動機帶轉來提高核心機的轉速，達到點火轉速后方可點火起動。

2發動機地面起動特點分析

2.1 低溫起動在平原地區，大氣溫度對發動機的起動有著很大的影響。在嚴寒季節，大氣溫度很低，燃料的粘度增大，揮發性不好，霧化和汽化的質量也變差，因而在燃燒室內產生火源和形成穩定火焰的條件都變差。一般來說，大氣溫度降低到-30℃時，起動點火裝置尚能產生穩定的點火源，但是，燃料系統噴出的燃料所形成的混合氣，被點火源點燃和形成穩定火焰所需要的時間，卻隨著大氣溫度的降低而增長。這會使渦輪參加工作的時間推遲，起動過程所需時間增長。

同時，由于大氣溫度降低，大氣密度增大，發動機空氣流量增大，壓氣機消耗功率隨之增大；大氣溫度降低，會使滑油變稠，摩擦力矩也隨之增大。在起動機功率不變的條件下，起動過程第一、二階段的剩余功率將會減少，起動的可靠程度隨著大氣溫度的降低而變差。有時甚至出現在起動過程的某個轉速下，剩余功率等于零而造成“冷懸掛”現象。

2.2 高溫起動在炎熱季節，大氣溫度較高，一般來說發動機比較容易起動。但是，大氣溫度過高時，空氣密度低，發動機空氣質量流量小，起動過程中容易形成混合氣富油，渦輪前溫度高，可能引起壓氣機進入氣動不穩定狀態，結果出現渦輪前溫度高而轉速停止增加的“熱懸掛”現象。

此外，某些發動機，在大氣溫度較高的條件下（如30℃以上）再次起動時，由于發動機停車不久，燃燒室內的壁溫仍然較高，流經燃燒室的空氣受熱膨脹，密度較小，這時，起動的燃料就嫌過多，以至于混合氣過于富油，不能被電嘴產生的火花點燃，不能形成點火源，發動機無法正常起動。因此，在大氣溫度較高的情況下，發動機停車后，應該對發動機進行充分的冷卻，以利于發動機再次起動[4]。

2.3 高原起動發動機的起動過程，先由電動機起動燃氣渦輪起動機，再由燃氣渦輪起動機起動發動機。進駐高原機場，空氣稀薄，進入燃氣渦輪起動機和發動機的空氣流量減小，燃氣渦輪起動機和發動機的功率都將減小，起動過程中的剩余功率減小，導致發動機轉子的加速度減小，特別是起動第一階段，有可能起動機功率不足以帶動發動機運轉到點火轉速以上，至少加速度會減小，延長起動時間。同時，由于高原地區發動機空氣流量小，為了保證發動機起動可靠，需要調整起動供油量。如果起動供油量沒有同空氣流量成比例地減小，例如發動機空氣流量減小很多，起動供油量減小得很少，就會在燃燒室內形成富油燃燒，使渦輪參與工作早，排氣溫度上升快、數值高[4]。

當供油量調整不當時，對燃燒室混合氣的余氣系數和渦輪前燃氣溫度的影響較大，易發生轉速懸掛。如果起動過程中，壓氣機發生輕微失速，引起壓氣機需用功率增大，也極有可能發生轉速懸掛。

3發動機高空起動特點分析

與地面起動相比，航空發動機的空中起動有一些不同的特點。具體如下：

3.1 發動機空中起動一般不需要起動機帶轉[5]發動機在空中停車后，其轉子在迎面氣流的作用下繼續旋轉。雖然壓氣機和渦輪都處于遠離設計點的工作條件，具有非常低的效率，但仍然可以建立起穩定的工作狀態，即“風車”狀態。在噴管未臨界時，發動機風車狀態轉速僅取決行馬赫數，隨著飛行馬赫數的增加，風車轉速增加，噴口達到臨界后，發動機換算轉速保持不變，而物理轉速卻隨著發動機進口溫度的增加而增加，風車轉速一般為50%~70%，在轉速低的情況下，由于進口來流滯止造成發動機進口壓力增加很多，使渦輪中的壓降增大，平衡轉速n■■明顯降低，因此空中起動一般不需要起動機帶轉。

3.2 發動機在高空熄火情況下再起動，并不一定處在完全風車狀態[6]由文獻[6]得知，發動機在高空遭遇空中停車后，發動機轉子轉速迅速降低，需要立即點火重新起動。如果錯過最佳點火時機，當轉子轉速低于發動機空中起動下限轉速（15%）時，由于燃燒室進口氣流速度較低，不利于燃油霧化，將給燃燒室重新點火帶來很大困難。此時，需要借助飛機俯沖或起動機帶轉來提高核心機轉速，達到點火轉速后方可點火起動。

3.3 空中點火條件差點火隨著高度的增加變得愈加困難，隨著高度的增加，發動機進口溫度和壓力降低，空氣密度減小，渦輪剩余扭矩減小，而燃燒室進口氣流速度增加，給點火造成了很大困難。另一方面，由于壓氣機出口壓力相當低，使得起動點火條件惡化，燃燒室內穩定工作的余氣系數α的變化范圍大大縮小，甚至不能點燃燃燒室內的混合氣，這使得高空起動時點燃的范圍非常狹窄。由此可見，在飛行中發動機從自轉可靠地起動只是在一定的（對每一臺發動機而言）飛行高度即空中起動邊界以下，并且是在比較狹小的飛行速度范圍之內才有可能，飛行速度范圍的下限是由發動機自轉時不大的轉速所限制，而其上限則被惡劣的主燃燒室點火條件以及復雜的起動供油規律等所限制。

因此，在飛行中發動機突然遭遇空中停車，或短時間被迫停車（例如為了消除壓氣機中氣流的嚴重分離而被迫停車）等情況下，在發動機進入自轉狀態之前，即發動機轉速還沒有大幅度下降的情況下就點火，并向燃燒室供應必須的燃油量，將使航空發動機可靠起動的程度大為提高，但如果錯過最佳點火時機，當轉子轉速低于發動機空中起動下限轉速時，則需要借助飛機俯沖或起動機帶轉來提高核心機轉速，達到點火轉速后方可點火起動。

4結語

航空發動機地面與高空起動特點各不相同，在對每種起動特點分析透徹后，將對研究整個起動過程起到關鍵性的作用。

參考文獻：

[1]廉筱純，吳虎.航空發動機原理.西安：西北工業大學出版社，2005.6.

[2]王勤芳.燃氣渦輪發動機原理.南京航空航天大學.2006.8.

[3]周文祥.航空發動機及控制系統建模與面向對象的仿真研究.南京：南京航空航天大學博士論文，2006.9.

篇（5）

我國科學技術日新月異發展的背后潛伏著不可小覷的隱憂。“有星無芯”：“北斗”遨游太空占盡風光，但接收終端的導航芯片長期依賴國外進口。近年來雖然國內企業已經研發出具有自主知識產權的芯片，但生產的芯片水平不盡如人意，這是衛星導航領域的院士們最為擔憂的“心病”，也是“北斗”產業的“短板”。“有機無心”：航空發動機被喻為飛機的“心臟”，當中國的殲-15艦載機、殲-10戰斗機、殲-20戰斗機及近日首飛的殲-31戰斗機藍天展翅的時候，同樣存在著“短板”――發動機是進口的。對這種制造業的“心病”，中國工程院院士徐匡迪有精準的概括：“在產業上，我們有規模，但缺乏實用；在產品上，我們有數量，但缺乏水平；在生產上，我們有速度，但缺乏效益；在技術上，我們有引進、仿制，但缺乏原創。”

諸多專家為中國飛機的“心臟”先天不足把脈，主要病象是：基礎研究薄弱，技術儲備不足，試驗設施不健全；對發動機的研制規律認識不足；基本建設戰線過長、攤子過大、力量過散、低水平重復；管理模式相對落后，缺乏科學民主的決策機制和穩定、權威的中長期發展規劃。就筆者的經歷而言，這正是中國機械工業的通病，諸如大自汽車、拖拉機、坦克的發動機，小至手機、手表、精密儀器等產品的核心部件，盡管這些年來投入相當可觀，卻始終不能成為產品的問鼎者，只因沒有掌握核心技術而受制于人。當然也有創新的范例，“中星微”推出“星光工程”，結束中國“無芯”的歷史。按照鄧中翰博士的說法，也只是“瞄準市場空白，而不是填補技術空白；要做能夠占領市場的產品，而非實驗室產品。”

創新是一個民族的靈魂。在諳熟中國中國航空制造業的專家看來，“研制高性能航空發動機比登月還難”！ 航空技術行業嚴重缺乏對機械產品悟性深刻的設計師和技術工人。“悟性深刻”意謂需要有“靈魂”的創新人才。設計師需要有個“聰明的腦袋瓜子”，不僅會模仿，更重要的是“靈魂出竅”，玩出別開生面的花樣。要允許設計師異想天開，特別是思想自由，天馬行空。遺憾的是國內在培養人才方面還存在著欠缺。王石美國留學歸來后，談到舊金山和紐約的高度發展，原因在于這兩座城市匯聚了“聰明的腦袋瓜子”。疾呼“國內的教育制度不改革，無法培養出精英的腦袋瓜子”。心靈手巧的高級技師同樣重要。航空發動機的零部件數以萬計，種類繁多、結構復雜，其裝配主要采用手工方式，裝配精度和質量依賴于裝配技師的操作經驗和熟練程度。長期以來我們的教育對技術工人重視不夠，對“中國制造”誰來制造的問題熟視無睹，為此吃了大虧。小學玩奧數，中學看分數，大學混文憑，讀博重論文，培養的學生多是眼高手低不如“機器人”。中國的輿論陣地，即使是所謂的“國臉”“名嘴”們，玩的也多是“政治術語”、“游戲人生”，誤導青年去爭當“公務員”、做“明星夢”。

中國需要更多的“耐得住寂寞，經得住喧鬧”的科技人才。倘若改變中國“缺心”、“少芯”的局面，關鍵是要挖掘有“靈魂”的人才。在培養尖端人才方面，力度、廣度和深度都嫌不夠，說到肯綮處，還是對人才的認知度不夠。面臨美歐日韓創新產品的層出不窮，如果我們還是走引進、仿制甚至“山寨”的老路，那只能是“填空補缺”、“望其項背”，很難“并駕齊驅”，也就更談不上達到“獨樹一幟”登頂而“一覽眾山小”的佳境。

篇（6）

（Naval Aeronautical and Astronautical University Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

摘要：為了挖掘隱藏在飛參數據背后的信息知識，應用數據挖掘技術對航空發動機健康狀態進行判別研究。利用飛參數據中與發動機健康狀態相關的九個參數和典型的故障數據，分別建立了神經網絡和決策樹模型，通過結果的比較，確定了最佳分類預測模型。

Abstract: In order to tap the information and knowledge hidden behind the flight data, we use data mining technology to judge and research the health status of aero-engine. Making use of nine parameters and typical fault data related with engine health, the models of neural network and decision tree were established respectively, and the optimum model of classification and prediction was determined by comparing the results.

關鍵詞：飛參數據 神經網絡 決策樹 Clementine

Key words: flight data；neural network；decision tree；Clementine

中圖分類號：V23文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）19-0019-02

0引言

飛參數據是由飛參采集記錄設備所記錄的與飛機飛行性能、設備狀態有關的實時飛行數據。主要用行事故調查、飛機設計、機務維修和飛行質量評估。隨著參數量的增加，采樣率的提高，記錄時間的延長，飛參系統記錄的數據量也急劇膨脹，為飛參工作人員利用地面數據處理軟件確定機載設備系統的故障以及幫助地勤維護人員視情維修帶來了巨大的挑戰。目前，各種飛參地面數據處理軟件依賴邏輯運算判據對機載設備的故障狀態定性進行描述，積累了海量的描述性故障數據，為數據挖掘技術在飛參數據智能處理中的應用帶來了廣闊的應用前景。

1基于發動機飛參故障數據的數據挖掘

數據挖掘是一個以數據為中心的循序漸進的螺旋式數據探索過程，主要包括業務理解、數據理解、數據準備、建立模型、方案評估和方案實施等多個階段。根據某航空部隊所反饋的有關飛參數據故障現象的描述，問題大多出在發動機上。因此，數據挖掘過程圍繞航空發動機的健康狀態進行，包括數據預處理、建立模型和結果分析三大環節。

1.1 數據預處理一般來說，在整個數據挖掘實施過程中，70%的工作量用于進行數據預處理，主要是提高數據質量。針對發動機健康狀態所描述的故障現象，涵蓋起飛階段、空中飛行階段以及著陸階段所出現的左發動機超轉、右發動機超轉、雙發超轉、轉速相同情況下左發動機或右發動機排溫不正常、排溫相同情況下左發動機轉速或右發動機轉速不正常、左發動機或右發動機最高排溫偏低等方面。通過對所描述飛參故障數據的分析，發動機健康狀態y可定義為四個類別，即左發動機故障、右發動機故障、兩個發動機均故障、正常，分別用數值1、2、3、4表示（注意此處故障包括具有故障征兆的含義）。事實上，新生成的發動機健康狀態屬性y是對定性故障描述數據的一個定量處理。而依據故障現象描述及飛參判據從51個參數中篩選與發動機健康狀態有關的9個參數，分別為指示空速、左發排氣溫度、右發排氣溫度、左發高壓轉速、右發高壓轉速、左起落架放下、右起落架放下、襟翼放下25度、襟翼放下35度，用參變量xi（i=1，2，…，9）表示。經過參數篩選和新屬性生成，接下來就需要對數據進行合并、抽樣處理。數據合并生成112901個樣本，抽樣后生成60411個樣本。數據預處理節點流程見圖2明確變量角色節點之前。

1.2 神經網絡與決策樹算法作為數據挖掘算法，神經網絡與決策樹是常用的分類預測方法，其分類也甚多，這里主要介紹所使用的BP神經網絡和決策樹中的C5.0算法。

BP神經網絡是一種前饋式、多層、感知機網絡。圖1是含有一個隱層的BP網絡結構，輸入向量為X=（x1，x2，…，xn），輸出向量為Y=（y1，y2，…，ym）。

隱層的輸出Uj及網絡輸出yk的計算公式如下：

U■=f■w■x■+θ■ j=1，2，…，p（1）

y■=f■w■U■+θ■k=1，2，…，m（2）

式（1），（2）中，wij是輸入層與隱層的連接權值，wjk是隱層與輸出層的連接權值，f是（0，1）型Sigmoid激活函數，即：

f（z）=■（3）

網絡的確定主要由訓練數據對隱層的連接權值ωij、ωjk和閾值θj、θk進行調解，以達到最佳輸入輸出的映射關系。

決策樹是一個可以自動對數據進行分類的樹形結構，是樹形結構的知識表示，可以直接轉換成分類規則。決策樹算法是以一組樣本數據集為基礎的一種歸納學習方法，著眼于從一組無序、無規則的樣本數據中推理出決策樹表示形式的分類規則[1]。而C5.0作為決策樹算法之一，是C4.5的商業化版本，其核心與C4.5相同。下面對C4.5算法進行描述[2]：

輸入：R-候選屬性的集合（可以是連續值），C-分類屬性，S-訓練集。輸出：一棵決策樹。

方法：

①創建結點N。如果訓練集為空，則返回結點N并標記為Failure；如果訓練集中的所有記錄都屬于一個類別，則以該類標記結點N；如果候選屬性為空，則返回N作為葉節點，標記為訓練集中最普通的類。

②for each 候選屬性attribute_list。

③if 候選屬性是連續的 then 對該屬性進行離散化。

④選擇候選屬性attribute_list中具有最高信息增益的屬性D。標記結點N為屬性D。

⑤for each 屬性D的已知值di。由結點N長出一個條件為D=di的分支。

⑥設Si是訓練集S中剩的訓練樣本的集合。

⑦if Si為空。加上一個樹葉，標記為訓練集中最普通的類。

⑧else 加上一個由C4.5（R-{D}，C，Si）返回的結點。

1.3 Clementine建模及結果分析選擇Clementine12.0軟件作為數據挖掘工具，xi（i=1，2，…，9）為條件屬性，發動機健康狀態y為決策屬性，分別建立BP神經網絡和決策樹模型，從60411個樣本中抽取70%的樣本作為訓練樣本，30%樣本作為檢驗樣本，執行的結果作為結點加入數據流中。數據挖掘流程如圖2。條件屬性值經[0,1]標準化處理后的決策樹分類預測結果見表1。其中1_Training 是訓練樣本，2_Testing是檢驗樣本，$C-故障類別是故障類別的預測值，$CC-故障類別是預測置信度。

表2給出了BP神經網絡和決策樹分類預測精度的對比。通過比較可以看出，BP神經網絡和決策樹的分類預測精度都非常高，兩者差距不大，但是從執行效率上相比，決策樹明顯優于BP神經網絡，僅用時34秒，所以選擇決策樹作為航空發動機健康狀態的分類預測模型比較理想。

2結論

航空發動機作為飛機的核心部件，其健康狀態直接影響飛行質量和飛行員的安全。通過對發動機飛參故障數據的分析處理可知，面對海量的飛參數據，將數據挖掘技術應用于航空發動機健康狀態的分類預測是可行且具有推廣價值的。

參考文獻：

[1]廖芹，郝志峰，陳志宏.數據挖掘與數學建模[M].北京：國防工業出版社，2010.2.

篇（7）

科研：“我會再接再厲”

記：非常感謝曹教授能在百忙之中抽出時間接受我們采訪，希望這不會影響到您其他的工作安排。

曹：不必客氣，有什么問題你們可以隨便提問。

記：曹教授，我們知道您現在擔任哈工大航空學院的飛行器動力學與控制團隊責任教授以及動力學與振動控制實驗室主任，目前主要從事航天器空間飛行器然后航空發動機、大型發電機等復雜機構與結構的非線性耦合動力學與振動控制方面的研究工作。請問您是從什么時候開始研究的，目前主要取得了哪些成績？

曹：2006年5月，我結束在英國蘭開斯特大學的科研工作回國后，來到哈工大工作。此后，我就開始從事轉子系統，包括大型氣能發動機組、大型風力發電設備、航空發動機等旋轉機械的振動與穩定性問題的一些研究，并在轉子軸承的油膜力表征、帶葉片盤的轉子軸承系統的非線性振動、葉片機匣的碰摩力表征以及雙轉子系統的復合碰摩等方面都取得了一些成果。關于這方面的研究論文，主要發表在了英國《機械工程師會刊：工程摩擦學》、《摩擦學國際》、英國《聲與振動》、美國機械工程師協會的《振動與聲學》、《振動與控制》和《國際機械科學》、《振動與沖擊》、《力學季刊》、《航空動力學報》等國內外知名學術刊物，同時還包括一些在國內外的學術會議上報告和交流的一些論文。

2008年，我參加了國家自然科學基金重大研究計劃“近空間飛行器關鍵基礎科學問題”，并且主持了高超聲飛行器非線性耦合動力學與熱彈性顫振控制相關的兩個培育項目，因此在機翼以及臂板顫振和控制方面也取得一些成果，提出了包含非線性反饋在內的組合控制律，適用于不同飛行速度的遞進式控制律，不同程度地提高了顫振的臨界速度。這些相關的成果發表在《中國科學》、《非線性動力學》、《國際聲與振動雜志》等學術刊物上。

另外，在航天器研究方面，我從2010年開始著手研究航天器的部件以及衛星和火箭之間的隔振問題，包括主動隔振，被動隔振，主被動一體化的減振、隔振問題，同時還主持了相關的減振/隔振的幾個項目。從研究思路來說，我們主要是采取了電磁式的隔振器，包括這個現在用的很新的隔振平臺技術方面的工作，并且設計了相應的隔振平臺，從而獲得了比較好的隔振效果。目前，這部分工作還正在開展當中。

實事求是地說，這些年來我們的研究工作雖然已經取得了一些成績，但有很多工作還需要深入研究，還需要進一步努力，同時還要多跟國內外的同行進行交流。

記：說到學術交流，我們知道您參加過很多國內外專業學術討論會，并作了很多重要的學術報告，給您印象最深刻哪次會議，會議起到哪些作用？

曹：是的，我確實受邀參加過很多國際會議，在這些國際會議中，我大多擔任分會場主席，主持討論。此外，我自己也組織過相關的國際會議。要說印象最深刻的學術會議，我覺得2012年在北京召開的第23屆國際理論與應用力學大會（International Congress of Theoretical and Applied Mechanics，簡稱ICTAM）作為國際力學界最權威的學術聯合體IUTAM組織的最重要的學術大會，自1924年在荷蘭代爾夫特市首次舉辦后，每4年舉辦1次，迄今已經在世界范圍內成功舉辦了22次。由于IUTAM的權威性，ICTAM大會在國際力學界有著強大的號召力，被譽為國際力學界的“奧林匹克盛會”。由胡海巖院士主持召開。據不完全統計，有來自世界各地的1300多名力學工作者參加了第22屆ICTAM大會的學術交流，共收錄論文1322篇論文，其中包括來自中國大陸的近200篇論文。因此，從這個角度而言，這個會議能夠在我們國家召開，不僅是我國力學界的一次盛舉，而且充分體現了近年來中國力學水平的提高，是我們國家力學研究躋身于世界前列的一個表現。

對于這個會議，我的印象非常深刻，這個會議在我們國家召開，應該說對于我國的力學研究，尤其是動力學與控制及其工程應用的研究與發展起到了非常積極的作用。

記：作為哈工大航天學院的教授、博士生導師，您對我國航天事業現狀肯定有很深的了解。那么，您認為我國在航天航空領域還有哪些不足？

曹：我從事的是關于航天器結構振動與控制方面一些研究工作，所以還是著重從這個角度來談一談吧。應該說，我國近些年在這些領域的研究取得了很大的進步，但是還有很多相關的挑戰性的問題，比如大型航天器柔性結構振動對姿態運動、軌道穩定性等的影響，又比如說柔性結構振動與姿軌運動的協調控制器的設計與實現、連接鉸間隙帶來的非光滑系統動力學與控制問題，都需要深入的研究。

從航空領域來說，涉及大飛機的大展弦比機翼的顫振及其抑制也需要開展仔細地研究。此外，航空發動機轉子系統振動問題同樣是亟待解決的關鍵問題之一。

教學：“關鍵還是要培養學生的獨立科研能力和創新能力”

記：作為博士生導師，您最注重對學生哪些方面的培養，目前為止您培養過多少優秀的博士生，他們都在哪些領域為國家做著貢獻？

曹：就博士生培養而言，我認為最重要的還是要培養學生的獨立進行科研工作的能力，簡而言之，就是要著重培養學生的科研創新能力。也就是說，要在科研過程中，培養學生發現問題和解決問題的能力。當然，除了這些，還需要培養學生具備一些與科學研究相關的工作能力。比如說，從問題的提出到申請相應的項目，然后對這個項目進行相應的計劃和解決，最后寫出相應的科研報告等等，各個方面都需要培養。與此同時，導師還應當關注學生的修為和交流能力，比如說溝通與學術交流方面的能力培養、國際視野的培養等。

基于這些理由，我們會鼓勵學生參加相應的國際會議，并且也會派出學生進行聯合培養，同時我們因為自己組織過一些國際國內的學術會議，所以我們的學生在這個過程當中，也參與了這樣一個國際國內學術會議的組織安排等這樣一些工作。應該說，在博士生的培養方面，我們做的工作應該是比較全面的。

我在國外工作的時間比較長，2006年才回國，因此直到2006年我才開始帶自己的研究生。迄今為止，已有9人獲得了博士學位，他們分別在相關的科研院所和高等院校工作，如涉及航空航天的研究院所、南京理工大學、哈爾濱工程大學等單位。

至于說為國家做出了哪些重要貢獻，我想到現在還說不上。不過，從我了解到的情況來說，他們目前都已經在各自的工作崗位上發揮了一些積極的作用。

記：除了在哈工大從事教育工作，您還曾到香港、英國、澳大利亞等海內外進行訪問或教學，在這一過程您感覺和國外的教育方面有哪些差別？

曹：這個問題，我可以簡單地談一點自己的看法。1996年和1999年，我在香港理工大學的土木與結構工程系做了一些合作研究，2000―2006年在英國蘭開斯特大學物理系，也是做一些合作研究，后來去澳大利亞做了一個短期的訪問。通過在這些個國家和地區的合作研究，我本人也確實接觸到了一些新的東西，從而了解到國外教學與研究方式跟我們當然有一些區別。

我認為國外的教育跟我們最大的一個區別就是他們更注重啟發式的教學，并且更關注學生動手能力的培養，尤其是在研究成果的展示方面，外國的學生具有相當的優勢。因為他們從高中、大學、研究生到博士生都一直有相應的展示的機會，都要做相應的研究與交流，還要做相應的報告。所以國外學生在成果展示以及和外界的交流等方面，具有一定的優勢。但從另外一個角度來看，我們中國學生的基礎更好，更扎實，學的東西也更多一些。

因此，我們經常可以看到這樣一種情況，就是中國的學生大概在剛畢業的一兩年，如果要和國外的學生去競爭的話，那么在成果展示和交流能力方面可能會稍微差一些，但是一旦我們熟悉了國外學生的研究方法，應該說中國的學生還是很有優勢的。

目標：“教學與科研工作應當并舉，不可偏廢”

篇（8）

經過幾年初步探索，干烈村產學研結合初顯成效。2014年，楊秀智家種植的20畝夏橙和雜柑，產量4萬余斤，“除去林下作業的勞力和購買肥料等成本，2014年大概有5萬多元的純收入。”楊秀智說，“這還不包括另外10多畝臍橙的收成。”

“一個科研項目選得是否好，關鍵要有技術需求，要老百姓認可。科技工作者不僅要發表優質的紙質論文，還要把科研成果寫在大地上、轉化為生產力。”貴州大學教授、貴州省果樹工程技術研究中心主任樊衛國對產業研結合的重要性深有體會。

2014年，貴州科技獲獎成果產業化成效顯著，應用研究與產業化項目64項，占所有獲獎項目的71.1%，貴州大學牽頭完成的貴州優質柑橘產業化技術集成與轉化項目僅是其中之一。這些項目主要圍繞全省經濟社會發展中急需解決的關鍵、共性技術和重點、難點問題展開，累計新增產值120.6億元，新增稅收14.8億元，新增利潤30.8億元。

越來越多的科學技術轉化為生產力，為貴州跨越發展提供了有力支撐。在這輪新的科技創新浪潮中，和以往政府主導科研項目不同，企業逐步成為技術創新主體，獨立完成或者以第一完成單位參與的科技轉化項目尤為引人矚目，一批對產業發展有重大影響的成果脫穎而出。

由際華三五三七制鞋有限責任公司、四川大學、中國人民總后勤部軍需裝備研究所等完成的“鞋用橡膠高效硫化新技術開發與應用”科技成果，2009年在際華三五三七制鞋有限責任公司進行全面產業轉化與推廣。經過4年多的全面推廣應用。如今企業膠鞋生產效率和生產能力提高1倍以上，年產7000萬雙以上，在全國至少有30%的市場占有率，產品的物理性能提高，膠鞋使用壽命延長，同時又減少了廢棄物環境污染。

由貴州黎陽航空動力有限公司研制的民用航空發動機風扇軸制造技術攻克飛機“心臟”難題，技術水平達到國際先進水平，為我國自主研制民用航空發動機奠定了基礎。同時，這一項目也為貴州形成大型民機制造基地及航空零部件轉包生產基地，從而今后融入國家大飛機制造領域奠定基礎。在今年2月召開的全省科技獎勵大會上，該項目獲得貴州省科技進步獎一等獎。

篇（9）

二十一世紀全世界范圍內機械產品激烈競爭，各個國家都很重視如何提高產品的設計水平，增強其競爭實力。而產品設計最主要的目標就是對產品進行創新，滿足消費者的需要并且占據市場更重要的位置，所以，要想增強機械產品自身的競爭實力，最根本的途徑就是重視創新設計。創新設計理論又叫做TRIZ理論，是設計的核心理論，目前已經在機械產品創新設計中被廣泛應用，可以提現企業的核心競爭力。1946年，前蘇聯G.S.Altshuller創立了TRIZ理論，指的是發明問題的解決理論。以這個理論為基礎，軍事工業得到了很大的發展。二十世紀九十年代開始流入美歐，在某些企業當中開始應用并且推廣，取得了很多發明專利，隨之也產生了經濟效益，當很多國家興起了TRIZ理論研究和推廣的熱潮。1998年之后，TRIZ理論開始在中國出現，不少科研機構把TRIZ理論作為技術創新的首選，積極的進行探索。這篇論文主要是探討TRIZ理論主要內容以及在機械產品創新設計中的應用。

1.TRIZ理論基本內容概述

TRIZ理論的觀點是，發明問題的關鍵是解決沖突，而解決沖突需要遵守相關的原則：對系統的某個零部件或者性能進行改進時，不可以影響到系統或者相鄰的其他零部件以及性能。沖突主要包括技術沖突和物理沖突，物理沖突指的是如果對一子系統出現相反的要求時所出現的沖突，系統的某個部分同一時間出現兩種相反的狀態，主要是由一個參數造成的。技術沖突的含義是系統的某個部分性能增強造成了有害以及有用兩種結果，也可以理解為有益作用被引入或者有害作用被消除，造成其他的一個或者幾個子系統性能降低，這種問題主要是由兩個參數造成的。

G.S.Altshuller在理論當中提出了四十條沖突解決原理，也就是發明原理以及沖突解決矩陣的含義，各種領域的相互沖突的特性通過高度的概括，抽象成為三十九個技術特性參數（也叫做通用工程參數），矩陣中的行代表沖突惡化的參數，列代表沖突改善的參數。針對技術沖突，可以以沖突矩陣為基礎，找到對應的發明原理，從而找到解決問題的辦法；針對物理沖突，通常利用分離原理了可以找到解決辦法，發明原理和分離原理之間具有一定的關系，一條分離原理，可以對應很多條發明原理。

2.TRIZ理論在機械產品創新設計中應用

2.1.TRIZ理論在機械創新設計中應用的步驟程序

將TRIZ理論應用到機械創新設計當中，主要的步驟是：對機械系統問題進行分析，明確關鍵的技術功能，找到造成系統中問題的參數，對沖突的類型進行判斷。如果系統中的問題主要是由一個參數造成的，屬于物理沖突；如果是由兩個參數造成的，屬于技術沖突。可以通過分離原理解決物理沖突，對分離方法進行確定，包括時間分離、空間分離、整體和部分的分離、基于條件的分離，根據實際的分離原理和解決沖突的發明原理的對應關系，找到解決問題的辦法。技術沖突，第一步要確定惡化技術特性參數和改善技術特性參數，再以沖突矩陣為基礎，找出對應的發明原理，從而找出解決問題的辦法。最后，把推薦的對應的發明原理應用的具體的問題上，對每一個原理在具體問題上的實現和應用進行探討。

2.2.呆扳手的創新設計案例

設計初期的呆扳手在松開或者擰緊六角螺母或者螺栓時，因為螺母或者螺栓受力點在兩條棱邊，很容易變形，因此無論是松開還是擰緊都比較困難。而新的設計需要避免原來設計當中的缺陷。后來美國一項以沖突矩陣為基礎的專利解決了這個問題。這個專利是從三十九個通用工程參數當中選擇一對特性參數：1）提高質量的參數：物體所產生的有害因素，可以對螺母或者螺栓減少磨損。2）可以造成負面影響的參數：制造精度，全新的改進有可能造成制造的困難。然后把上面的兩個參數代進沖突矩陣，可以得到下面四條發明理論，即是：維數變化、小對稱、拋棄與復制、修復。通過分析維數變化以及小對稱這兩條發明原理可知，經過創新的呆扳手工作面的某些點可以和螺母或者螺栓的側面相接觸，而不僅僅是接觸棱邊，因此解決了這個問題。

通過這個實例可以說明，機械產品的某些參數或者特性進行改進之后會造成其他參數和特性的惡化，可以通過沖突矩陣來解決這種技術沖突，這說明在機械產品設計當中應用TRIZ理論時具有價值的。

2.3.某飛機的航空發動機引擎罩的創新設計案例

某飛機的航空發動機引擎罩在設計時，表現出來的技術沖突是：一方面希望發動機可以吸入較多的空氣，另一方面又希望發動機罩和地面之間的距離可以不減少。把它轉化為物理沖突：應該將發動機罩的直徑加大，這樣有利于吸入空氣，但是直徑又不宜過大，避免機罩和路面的距離減少。

這個物理沖突可以用空間分離原理進行解決。空間分離所對應的發明原理當中有No.4不對稱原理。根據這個原理，可以把原來的對稱設計變更為不對稱的設計。如下圖所示。

圖1：發動機罩改進設計方案示意圖

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1.概述：

該發動機預裝架為非標框架類零件，需求量少，只要兩個，但要求在同一個安裝平臺上具有互換性，這對加工變形的控制提出了很高的要求。該預裝架的制作，涉及到材料、焊接、熱處理、簡易工裝設計、機械加工等多個學科的知識，難度大。

2.主要技術條件分析

2.1 .尺寸要求

預裝架安裝座寬度方向中心尺寸490±0.1mm，安裝座長度方向中心尺寸976±0.1mm，且兩件預裝架尺寸中心對角線偏差不超過0.15mm，前安裝座的中心與發動機安裝板的中心重合一致，相差不超過±0.1mm。

2.2.零件表面粗糙度

零件的加工面粗糙度要求較高，發動機輸扭軸安裝面及工藝基準板底面粗糙度Ra為0.8μm，因而在加工表面時，采用低進給量來保證其表面粗糙度要求。其余各面的表面粗糙度要求，一般的加工即可達到。

3.鉚焊制作

3.1.材料準備

零件主要采用80×40×3.5mm和50×40×3.5mm兩種規格的矩形鋼管，材料為合金結構鋼30CrMnSiA。按工藝拆解的零件圖，鉚工下料后，銑工定長，銑不同角度和弧度的焊接貼合面，保證焊接處的貼合良好，減小焊接應力及變形。

在鉚焊平臺上，焊接安裝座中心定位軸，以軸中心為基準，組合各件（安裝座組焊時底邊留5mm加工余量），各零件中心直線度偏差

3.2. 焊前準備

合金結構鋼30CrMnSiA含碳量0.28%～0.34%，屬于中碳調質鋼，具有很高的強度和硬度，但韌性相對較低，焊接性能一般，焊接容易產生裂紋及氣孔。所以焊前需做以下準備工作：

3.2.1.四個安裝座組焊時底邊留5mm焊后加工余量；

3.2.2.焊縫及周邊區域內先用丙酮擦除油污，再用砂布、鋼絲球等將待焊部位清理干凈，以防止產生氣孔、夾渣等缺陷；

3.2.3.選擇正確的焊接材料，控制焊縫的化學成分，限制有害雜質的含量；

3.2.4.為防止焊接時產生裂紋，焊材使用前必須進行干燥處理；

3.2.5.針對30CrMnSiA薄板進行焊接工藝試驗，并根據焊接工藝評定制定合理的《焊接工藝指導書》。

3.3. 焊接工藝

為合理控制焊接熱循環，改善焊接應力狀態和消除氧化物、硫化物以及低熔點共晶體的有害作用，經過權衡對比各種焊接方法，決定本零件采用熱量集中的焊接方法，即手工鎢極氬弧焊。

3.3.1.焊接材料：直徑為φ2mm的H08Mn2NiMoA焊絲。

3.3.2.焊接規范參數：焊接電流I=130A～140A，焊接速度V=120 mm/min～150mm/min，保護氣體流量Ar=10 L/min ～15L/min。

3.3.3.鎢極直徑=φ3.2mm ，噴嘴直徑=φ8 mm ～φ11mm。

3.3.4.焊接步驟：焊縫長度上每隔40mm長點焊固定，再進行連續焊。

3.3.5.焊后焊縫及熱影響區采用石棉粉保溫，緩冷。

3.3.6.修整焊縫，校正焊接變形。

3.4. 效果檢查

預裝架為重要零件，焊后對焊縫進行X射線探傷，無裂紋、夾渣等缺陷。外形尺寸進行了檢查，變形量

3.5.人工時效

預裝架鉚焊制作后，內部殘余較大的焊接應力。該預裝架用于振動場合，需要各安裝尺寸保持長期穩定，因此要消除內應力。安排去應力退火的工序，消除內部殘余應力，減小零件的變形和焊縫的開裂。

4.機械加工

圖紙施工階段，因對鉚焊變形量的大小不能確定，焊后加工面一般留有5mm左右的加工余量。而在機械加工工程中，一次去除這么多的余量，會產生較大的加工內應力，使用過程中應力釋放，會導致變形超過允許值的情況發生。為此，要采用分步加工的方法：先粗加工，粗加工時產生較大的內應力通過去應力退火消除；然后精加工。因此時加工余量少，應力和變形就小，穩定性好，滿足圖紙尺寸及使用要求。

4.1.粗加工

針對一次加工余量多，加工難度較大的特點，安排粗加工工序。在T68臥式鏜床上進行粗加工，各尺寸根據需要留有1～2mm的加工余量。

4.2.人工時效

按工藝要求，現場檢查各尺寸合格后，為減小粗加工時產生的切削力、夾緊力和切削熱對加工精度的影響，預裝架送至熱處理車間進行去應力退火。

4.3.精加工

采用龍門磨床，平磨四處工藝基準板底面，即加工基準面。在型號為TH61125的數控臥式加工中心上精加工，以工藝基準面為支撐，利用彎板等工裝夾緊，四個裝夾點均勻分布，裝夾力均勻，裝夾牢固，加工四處安裝定位孔及輸扭軸安裝面和安裝孔。

4.4.外觀處理

未加工表面擴平膩子，噴防銹底漆及天藍色面漆各兩遍。

5.結論

根據最終檢驗測量的尺寸，得出該兩個預裝架中心尺寸偏差

本論文以某發動機預裝架制作為例，介紹了非標框架類零件加工變形的各項控制措施，從焊接前的準備，到焊接過程及其后的機械加工過程，以及工序的安排，這些方法對提高框架類零件的尺寸精度及使用穩定性有很大的幫助。

參考文獻：

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中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A

1.簡介

現動機在結構和技術上的進步引領了新型涂層的發展并對以前應用的涂層進行了改良。發動機的前半部分即冷卻端，包括風扇和壓氣機，典型應用耐磨蝕涂層和密封涂層。就現動機來說，像風扇葉片、壓氣機葉片和葉輪等這種冷卻端零部件，都是由復合材料、鈦鋁合金、鈦和耐熱鋼制造而成。但在發動機的受熱端，包括燃燒室區域和渦輪部分，應用的是熱障涂層（TBCs）和高溫密封涂層。本論文的目的是展示作者本人在鋁化物擴散涂層、熱障涂層和耐侵蝕、腐蝕涂層方面的研究。

2.鋁化物擴散涂層沉積方法

要增強渦輪零部件尤其是動、靜葉片和燃燒室的耐久性和提高服役溫度，可以通過應用防護涂層來實現。高溫合金零部件對各種涂層的需求導致涂層在30多年來的應用中迅猛發展。涂層的演變同時還伴隨著結構材料的發展。現如今，工程師和制造師有多種涂層沉積技術可供使用，能制備出黏結、擴散和粘擴散涂層，其中大多數都是由通用技術發展改進的，例如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）或熱噴涂技術。

2.1 包埋滲法

擴散涂層主要在擴散滲鋁過程中，或在滲透復合物Al-Cr、Al-Si、Pt-Al、Ti-Al過程中沉積而成。在粉末滲透過程中，將待涂鍍零件置于特定容器內，然后用專用的粉末混合劑將零件包埋，該混合劑含有像Al2O3、鋁化物粉末或合金以及化學活化劑等中性添加物。接下來將容器密封好置于爐內，化學活化劑在700℃～1050℃的限定工藝溫度范圍內會產生輸送蒸汽源。擴散滲鋁工藝以這種方式通常持續工作長達20個小時，并要嚴格控制以防止粉末混合劑氧化。要獲得不同厚度或Al濃度的涂層可采用多種類粉末工藝。所說的多種類粉末可以分為高度、中度和低度活化粉末。在鋁化物涂層沉積過程中，在高溫約1050℃下生成低鋁含量NiAl相（低活性過程），而在700℃下則生成高鋁含量NiAl相（高活性過程）。

2.2 非接觸式滲

非接觸式滲是將待滲零件置于容器內，避免其與粉末混合劑相接觸，該混合劑通常呈顆粒狀。此工藝過程是在甑式爐或真空爐內完成的。在整個涂層沉積過程中需向容器內供應額外的中性運載氣體，以輸送出沉積涂層時產生的混合氣體。現有幾種不同的非接觸式滲透法正在被應用，包括負壓滲透工藝、由SNECMA研發的脈沖氣相滲鋁工藝以及用兩種不同化學成分的混合物進行的滲透工藝似乎最具吸引力。該方法的主要益處如下：無需待滲材料與粉末接觸，這一點能顯著提高涂層的表面質量；可對整個工藝過程實施更多的控制；工藝過程更加整潔（與粉末工藝相比）；以及鋁化物涂層可以通過添加元素進行改良以提高其耐熱性能。圖1所示為鉑改良鋁化物涂層的顯微結構，該結構是在鍍鉑和鍍鋁過程中獲取的。

鉑改良鋁化物涂層能提高耐熱性能，已在1100℃下1小時循環的試驗室抗氧化循環試驗中得以證實。

2.3 CVD滲鋁技術

化學氣相沉積技術由上述鋁化物擴散涂層沉積技術演變而來。化學氣相沉積過程中將渦輪葉片置于甄內，并向甄內供應在外部反應器內生成的AlCl3+H2氣體。AlCl3氣體是在含有鋁化物的受熱生成器內與HCI發生反應后形成的。然后預熱AlCl3+H2，在溫度約達1000℃時供應到甄內。裝有氣體的化學氣相沉積甄通常在鐘罩式爐、均熱爐或升降式爐內加熱到工作溫度。存留在甄內的反應氣體用特殊氣體中和系統進行處理。滲鋁法能同時涂覆渦輪葉片的內外表面，尤其是冷卻通道，該區域用其他涂覆方法就比較難處理。除此之外，應用該工藝還可以調節冷卻率，這對幾種鑄造高溫合金熱工作參數的計算至關重要。

3.熱障涂層制備工藝

由于燃燒室零部件和動靜葉片上采用熱障涂層，所以進口溫度可以有所增加。與涂有陶瓷涂層的材料表面溫度相比，采用熱障涂層能使所應用的高溫合金表面溫度降低170℃左右。此外，熱障涂層能降低必需的冷卻空氣量，同時能保持恒定的排氣溫度，而且能顯著提高零部件的耐久性和抗熱變能力。

熱障涂層是由含有ZrO2xY2O3的陶瓷面層和含有MCrAlY（M=Ni，Co，Fe）的黏結層構成的。較低的導熱性再結合陶瓷材料的特性能降低黏結層之上的層間溫度，這就能使熱障涂層的抗氧化性和抗高溫腐蝕性有所提高。

最通用的熱障涂層制備技術有APS（空氣等離子噴涂）、LPPS（低壓等離子噴涂）或EB-PVD（電子束物理氣相沉積）。熱噴涂技術通常用來制備燃燒室零部件及靜葉片上應用的TBCs（熱障涂層），而動葉片上應用的熱障涂層一般采用EB-PVD技術制備。

用空氣等離子噴涂技術和EB-PVD技術制備的TBCs在結構和性能上各有不同。等離子噴涂的涂層顯示為帶狀結構，而EB-PVD制備的涂層以柱狀結構為特征。等離子噴涂的熱障涂層易受熱應力影響，有大量的微裂紋產生和生長從而導致出現裂解現象，這也有可能致使涂層完全剝落。眾所周知，在陶瓷層與MCrAlY層之間形成的TGO（熱生長氧化物）層對熱障涂層的耐久性有很大的影響。TGO層對熱障涂層性能的影響，尤其是對結構和厚度的影響，成為當前研究的主要課題。

采用EB-PVD技術制備出的熱障涂層結構在實際應用中顯示出更強的抗熱應力能力。不僅僅是因為在沉積過程中形成的有特點的柱狀結構在熱循環期間起到較好的應力補償作用，還有這種結構能防止涂層基底出現裂紋。

4.耐侵蝕、腐蝕涂層制備工藝

應用防護涂層可以防止航空發動機零部件遭受腐蝕損傷。發展PVD技術目的在于提高涂層的性能并擴展其應用范圍。由目前研發的PVD技術獲得的涂層成為航空發動機壓氣機葉片最具吸引力的涂層制備技術之一。用于這種特殊結構件的防護涂層必須符合多方面要求，既包括機械性能的還包括耐腐蝕和耐磨損方面的。

Arc-PVD屬于PVD技術的一種，制備出的防護涂層種類廣泛，當然也包括多層涂層。該技術以高的電離度和相對高的沉積能力為特征。Arc-PVD的主要優勢在于制備出的涂層不僅非常堅固耐磨，而且耐腐蝕性極強。

由PVD技術制備的涂層中，氮化鉻涂層較其它氮化物涂層的耐腐蝕性相對更高一些，原因在于該涂層結構精細密實且密度高。可以通過應用鉻或鋁夾層來提高氮化鉻涂層的密度，其密度的高低在很大程度上決定了涂層的耐腐蝕性能。

Arc-PVD技術制備的鉻涂層對鋼基合金的粘結性最強，高達80N，另外，它能對之后的Cr/CrN多層涂層中較硬的氮化鉻層提供完美的粘結效果。除此之外，也一直在嘗試制備鋁粘結層和Al/AlN多層涂層。

鋁基涂層是最具發展前景的陰極保護涂層。通過磁控管濺射獲得的涂層顯示出良好的耐腐蝕性，但是這種涂層的摩擦性能卻很差。采用PVD技術制備出的涂層具有較強的耐腐蝕性當然是最合理也是最可取的，尤其是在自動化和飛機制造業領域。沉積到鋼質材料上的Al、AlMg、Cr、Cr/CrN和Cr/CrN/Al涂層有望取代主要以電沉積工藝制備的鎘涂層。

Arc-PVD制備的多層涂層由氮化鉻組成且包含鉻夾層，其具有很高的耐腐蝕性。這種涂層也被公認為靈敏涂層，因為它們的結構能根據作業條件決定磨損強度。經證實葉片進氣邊上相對軟的鉻涂層很少遭受損傷，而排氣邊上的氮化物硬化層能提供有效的防腐蝕保護。

結論