基于VR的涡喷六航空发动机维修教学平台的设计与模拟排故应用
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作者:石承玉 邱峰 施新宇 施浩
摘要：本论文主要介绍一款设计及利用VR的虚拟维修教学平台来对涡喷六发动机进行拆装和排故，设计研发出针对涡喷六航空发动机的拆装实验虚拟维修教学平台。通过对涡喷六航空发动机进行精确测绘后，建立三维模型，利用unity3D实现使用VR设备对发动机进行专业、规范的模拟排故维修教学。以航空发动机维修手册为参考，制作辅助教学软件以及模拟实际飞机发动机故障的发生、排故分析进行维修教学的拆装步骤，保证了教学维修过程中的每个步骤都符合规范、符合维修手册的要求。
关键词：VR;涡喷六发动机;故障排除;authorware;AutoCAD;3ds Max;unity3D;C#;教学软件;开发编程;虚拟仿真;虚拟现实
中图分类号： TP18 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）04-0013-02
目前机务维修人员的培训教学主要依赖学习纸质机务维修手册和教员的亲身实例教学，然而两种传统的教学方式都有各有不足之处：纸质的维修手册内容复杂抽象[1]，人工教学费时费力，对场地和设备有很高的需求[2]。鉴于机务维修多数是对损坏和老化的零部件进行更换，对拆卸与安装的顺序要求严苛。于是制作一套基于虚拟现实技术（Virtual Reality）的机务维修教学软件，并使用其进行模拟故障排故教学与练习，成为当前迫切需要的解决方案。
1 设计过程及实现方法
1.1 测绘及绘制图纸
使用螺旋测微器测量出所有按照规范流程从涡喷六航空发动机上拆解下来的各个细小零部件，测绘完成后利用AutoCAD绘制零件三视图并将之前测绘所得的数据准确地记录在三视图中，测绘以及绘制图纸步骤到此完成。
1.2 建立三维模型并渲染
3ds Max是利用计算机技术建立三维物体模型的软件，不仅可以按照需要的尺寸精确地建立三维模型，还可以将平面三视图转换为三维物体模型[3]。利用3ds Max软件将绘制好图纸转换成各零部件的三维立体模型，再将其在3ds Max中组装成完整的发动机。之后对模型添加符合原零件本来颜色的材质球，以及改变模型的金属材质。使模型更加仿真，以达到虚拟现实的效果。
1.3 编程及建立引导报错系统
本虚拟维修教学平台涉及使用头戴显示器以及操作手柄，需要对操作手柄上的各个按键功能进行自定义。利用Unity3D的编程语言——C#语言（C#语言在Unity3D中属于强类型语言[4]，没有C#语言的使用能力将在Unity3D中寸步难行）编写可执行动画与交互脚本，使模型各零件模型可拾取、可放置。此外当学员的虚拟手掌移动到各模型上方时可弹出零件名称、相关功能介绍以及引导文字。引导文字可以使学员按照正确的顺序拆装航空发动机模型上的各个零件。如学员未按照程序编写的顺序拆装，系统会提示学员操作有误，并且阻止学员进行错误拆装，以规范学员的维修操作。
1.4 修订实训指导书以及使用手册
编写了与系统配套的纸质实训排故指导书，方便本教学平台的实际排故实训使用。帮助教员督促学员进行完整的涡喷六发动机排故过程，帮助学员理解航空发动机的工作原理。学员还可通过使用authorware软件编写的使用手册学习各处零部件的工作过程，软件中还有文字和语音其对工作原理的介绍与解释，方便学员找出发动机故障。
1.5 模拟实际飞机发动机故障发生以及排故分析
案例：
某航空公司飛机落地转机，准备起飞。在启动飞机发动机后，升降舵感觉压差灯亮起，为确保安全飞机从跑道滑回，然后经过系统复位后升降舵感觉压差灯恢复正常，飞机准备再次起飞，在跑道上启动发动机后升降舵感觉压差灯再次亮起，由于无法确保飞机可以安全飞行，于是派出地勤机修人员去排除飞机故障，机修人员更换了感力计算机，飞机起飞时检查正常，于是飞机放行。航线结束之后，对飞机进行排故分析。
排故分析：
飞机的升降舵感觉压差灯亮起的故障原因有很多，主要原因有：气路故障、油路故障、电路故障和计算机故障等。上述的一些故障在排故手册以及authorware制作的航空发动机使用手册中，均可以找到针对各种故障的排故解决方案。这些排故解决方案主要是针对系统中的液力系统相关零部件：比如更换油箱压力油滤，或是更换皮托管，感觉压差灯，升降舵感觉计算机等零部件。
学员结合了排故手册以及authorware制作的航空发动机使用手册分析后得出结论：导致本次故障发生的原因是感觉计算机故障或者是由于系统相关零部件过脏，导致系统油箱压力油滤、液力供油组件油滤堵塞引起的。同时还有可能是由于感觉计算机的静压管、皮托管因为天气原因（天气过于寒冷导致管路内结冰、下雨时雨水进入管路）发生管路阻塞或是其他原因，比如昆虫误入管路发生阻塞。由于上述故障在本次的排故分析模拟中，避免考虑维修教学平台以外的因素，所以学员考虑更换感觉计算机，更换液力系统油箱压力油滤以及液力供油组件油滤。这里仅用更换油箱压力油滤为例，做模拟实际飞机发动机故障发生以及排故分析。
经过对照排故手册以及参考通过authorware制作的航空发动机使用手册，学员拆装了感力计算机，更换了液压系统油滤以及油箱压力油滤，同时学员还依据实训排故指导书吹洗了升降舵管道，并对升降舵系统进行放气并进行相关系统测试。测试完成后，飞机恢复正常。
2 结论
本文中的教学系统利用虚拟现实技术实现机务维修教学与模拟排故培训，使用虚拟现实技术颠覆了传统的教学方式，在教学方面有着传统教学无法比拟的优势[5]：学员对教学内容的理解更加直观，教员在教学过程中更加省时省力。学员使用虚拟现实技术的教学平台，通过佩戴头戴显示器还可减少外界信息的干扰[6]，与传统的教学方式相比，还会因为虚拟现实技术的沉浸感以及直观的学习方式，使其在学习过程中更加投入，学习效率也将会大大提高。通过模拟排故培训可以使学员得到专业的机务排故训练，并且规范了学员的维修操作。日后如将本虚拟维修技术推广到各大航空院校中，对机务维修人员的航空器维修学习将会是极大的帮助。
参考文献：
[1] 张佳琪，曹殿波.“电子教材”对新型立体教材开发的启示[J].中国教育信息化，2019（9）：39-42.
[2] 柯红红.VR技术在虚拟实验实训教学设计中的应用[J].信息记录材料，2019，20（6）：141-142.
[3] 黄思.3Dsmax真实场景效果制作与应用性的分析[J].科技风，2018（19）：95，97.
[4] 江红伟，吴兆明.Unity脚本执行周期算法与时间体系[J].电脑知识与技术，2018，14（32）：230-232.
[5] 于文东.虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用分析[J].汽车实用技术，2019（14）：231-232.
[6] 甘甜.VR技术在教育应用过程中的功用、实践维度与教师角色的转向[J].赤峰学院学报（自然科学版），2019，35（7）：160-162.
【通联编辑：唐一东】
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