基于新工科的《直升機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)發(fā)

陳 晨，孫 鵬

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢618307）

0 引言

隨著我國(guó)通航產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，直升機(jī)等通用航空器的相關(guān)需求也日益擴(kuò)大，飛行員、機(jī)務(wù)、空管等從業(yè)人員數(shù)量逐年增加（圖1）[1]。但隨著技術(shù)更新，新機(jī)型引進(jìn)等原因，很多機(jī)務(wù)人員不能適應(yīng)這種變化，造成排故不暢甚至維修事故，這都為飛行安全埋下隱患，嚴(yán)重制約我國(guó)通航發(fā)展。為適應(yīng)科技進(jìn)步，保障我國(guó)通航產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，首先要保障機(jī)務(wù)維修人才的數(shù)量和質(zhì)量。為此，本文基于新工科理念[2-3]，開(kāi)發(fā)一門(mén)新型教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)課程——《直升機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)》，以提高機(jī)務(wù)維修人才的理論素養(yǎng)和動(dòng)手能力。

圖1 直升機(jī)駕駛員執(zhí)照數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖

1 課程建設(shè)的思路

近年來(lái)，作為提高通航飛行安全及可靠性的新技術(shù)，狀態(tài)與使用監(jiān)控系統(tǒng)（Healthy and Usage Monitoring Systems，HUMS）在直升機(jī)上得到了大力發(fā)展及廣泛應(yīng)用，并大有替代傳統(tǒng)檢測(cè)維修方式的趨勢(shì)[4]。HUMS可對(duì)直升機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，提取結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)完好程度和故障信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估。自1991年美國(guó)西科斯基在S-61上安裝并成功獲得CAA的適航認(rèn)證以來(lái)，HUMS產(chǎn)品已經(jīng)累計(jì)使用了80萬(wàn)飛行小時(shí)，并按每星期1 600飛行小時(shí)的速度繼續(xù)累計(jì)，且成為很多公司的標(biāo)配。目前，我國(guó)也引進(jìn)了越來(lái)越多裝有HUMS的通航直升機(jī)。

通航產(chǎn)業(yè)具有發(fā)展迅速、技術(shù)更新快的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)教學(xué)往往跟不上時(shí)代步伐，依舊停留在老舊的技術(shù)方法中，使學(xué)生畢業(yè)后與不能適應(yīng)當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展。為培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的高端直升機(jī)維修機(jī)務(wù)人才，我校積極采取相應(yīng)的教學(xué)改革措施，摒棄老舊技術(shù)，及時(shí)跟進(jìn)當(dāng)代新技術(shù)，基于新工科理念，用新理論、新知識(shí)、新技術(shù)更新教學(xué)內(nèi)容，保障高質(zhì)量人才輸出。在此背景下建設(shè)《直升機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)》教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)課程，將HUMS這項(xiàng)新技術(shù)引入到相關(guān)專業(yè)教學(xué)中，讓學(xué)生在校時(shí)就學(xué)習(xí)并理解先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的工作原理與使用維護(hù)方法，以提高學(xué)生畢業(yè)后的適應(yīng)能力并提高通航從業(yè)人員整體水平與素質(zhì)，使其成為緊跟新時(shí)代、新通航發(fā)展的優(yōu)秀機(jī)務(wù)人員。

2 課程建設(shè)的內(nèi)容

2.1 教學(xué)理念

機(jī)務(wù)是一個(gè)既要求動(dòng)手能力強(qiáng)，又要求理論基礎(chǔ)扎實(shí)的工作，為培養(yǎng)高素質(zhì)機(jī)務(wù)人員，必須在校期間就開(kāi)始培養(yǎng)其相關(guān)能力，而樹(shù)立正確的教學(xué)理念是其前提。在《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》中，明確了高校創(chuàng)新教育改革的新方向，即在傳統(tǒng)工科基礎(chǔ)上結(jié)合未來(lái)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新要求，構(gòu)建具有行業(yè)特色的人才培養(yǎng)模式。培養(yǎng)新型復(fù)合式人才，具備終身學(xué)習(xí)的素質(zhì)才是正確的培養(yǎng)方向?；谝陨侠砟?，調(diào)整直升機(jī)機(jī)務(wù)人才培養(yǎng)的培養(yǎng)方案，確保其有足夠的實(shí)踐、動(dòng)手和思考課時(shí)，結(jié)合本門(mén)新增課程，提高素質(zhì)，達(dá)到完善教學(xué)體系，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

2.2 平臺(tái)搭建

HUMS是一個(gè)集航空電子設(shè)備、地面支持設(shè)備及機(jī)載計(jì)算機(jī)監(jiān)視診斷產(chǎn)品于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。它包含一系列的傳感器，并通過(guò)各種算法監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)、滑油碎屑和機(jī)架的狀態(tài)[5]。由于HUMS集成度高、已嵌入了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壓電傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及基于應(yīng)力應(yīng)變的損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等模塊，若直接購(gòu)買帶有HUMS的直升機(jī)進(jìn)行教學(xué)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，在開(kāi)發(fā)課程時(shí)，僅針對(duì)其關(guān)鍵部分——振動(dòng)傳感系統(tǒng)進(jìn)行演示，搭建監(jiān)測(cè)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)課程。該平臺(tái)主要包括振動(dòng)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)振動(dòng)傳感器獲取機(jī)體振動(dòng)數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄，最終通過(guò)頻域分析或智能算法獲取振源位置。

2.3 教學(xué)條件

我校是機(jī)務(wù)培養(yǎng)的主力院校之一，具有雄厚的師資力量和優(yōu)異的教學(xué)條件。該課程實(shí)施的場(chǎng)地選為新津分院。新津分院為我校培養(yǎng)直升機(jī)飛行員和機(jī)務(wù)人才的主力分院，擁有多種型號(hào)的直升機(jī)、飛行教員、成熟機(jī)務(wù)和相關(guān)場(chǎng)地建設(shè)等硬件條件。本課程平臺(tái)擬選擇R44直升機(jī)作為研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在R44機(jī)體上安裝（不破壞機(jī)體結(jié)構(gòu)）振動(dòng)傳感器并搭建測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在外場(chǎng)空地上展開(kāi)課程實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好防火設(shè)置。實(shí)驗(yàn)全程有相關(guān)機(jī)型的成熟機(jī)務(wù)人員陪同監(jiān)控，以確保安全和實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

2.4 教學(xué)方法及過(guò)程

根據(jù)新工科的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生應(yīng)在掌握專業(yè)理論的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。首先調(diào)整培養(yǎng)計(jì)劃。該課程屬于新增課程，選擇合適的時(shí)機(jī)開(kāi)展，才能達(dá)到更好的教學(xué)效果。安排開(kāi)展本課程之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)過(guò)《直升機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》或《直升機(jī)振動(dòng)與平衡》課程，確保其理解和掌握機(jī)械振動(dòng)基本原理及椎體平衡基礎(chǔ)知識(shí)，為本門(mén)課程打下良好基礎(chǔ)。

開(kāi)展課程教學(xué)的基本流程如圖2所示，首先，對(duì)學(xué)生做好安全教育，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)意外。

圖2 課程開(kāi)展流程圖

閱讀實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)振動(dòng)原理及直升機(jī)振源、直升機(jī)旋翼尾槳平衡方法進(jìn)行簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)，并循序漸進(jìn)，溫故知新地引出HUMS系統(tǒng)的工作原理。展開(kāi)介紹HUMS系統(tǒng)主要是由機(jī)體振動(dòng)數(shù)據(jù)判斷故障的，根據(jù)振動(dòng)的頻率、位置、振型等要素，定位振源部件[6]。通過(guò)交流互動(dòng)的方式讓學(xué)生參與討論，并提出振源假設(shè)及其振動(dòng)特性，以及表現(xiàn)形式，梳理整個(gè)理論脈絡(luò)，促進(jìn)學(xué)生積極思考，主動(dòng)交流。

在此基礎(chǔ)上反推振動(dòng)傳感器的布局方式以及布局位置，引入實(shí)驗(yàn)流程，介紹傳感器布置，數(shù)據(jù)線連接以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的使用方法。重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)處理方式。根據(jù)振動(dòng)波形的頻域分布圖，監(jiān)測(cè)各旋轉(zhuǎn)部件工作狀態(tài)，從而定位故障位置并推測(cè)可能的故障原因，最終根據(jù)推測(cè)，依次實(shí)踐排故流程，直到排除故障（此故障在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先設(shè)定，但并未告知學(xué)生）。作為課后拓展與提高，安排學(xué)生自學(xué)智能算法的基本原理，并套用已有的成熟算法，處理實(shí)驗(yàn)時(shí)獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù)，定位故障部件，以達(dá)到提高綜合素質(zhì)的目的。

綜上，該課程是一門(mén)基于新工科理念開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)課程，摒棄傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)，通過(guò)與學(xué)生交流、互動(dòng)、探討的方式引導(dǎo)學(xué)生思考，參與課堂討論，激發(fā)學(xué)生的積極性與熱情，在提高理論素養(yǎng)的同時(shí)提高分析和解決問(wèn)題的能力，達(dá)到教學(xué)要求。

3 總結(jié)

基于新工科理念開(kāi)發(fā)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)課程《直升機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)》，搭建了直升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的教學(xué)演示平臺(tái)，將復(fù)雜的HUMS系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單純的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既保留了其核心技術(shù)，又使學(xué)生容易理解和掌握。并通過(guò)交流探討、互動(dòng)式教學(xué)激發(fā)學(xué)生的熱情與積極性，通過(guò)課后作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和思考，達(dá)到提高直升機(jī)維修人才專業(yè)素養(yǎng)和動(dòng)手能力的目的，為我國(guó)通航發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的后盾和人才保障。