飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)課程的研究型教學(xué)模式探索

蘇緯儀 孫斐

摘? 要：我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與歐美等航空強(qiáng)國(guó)尚存在較大差距，培養(yǎng)高質(zhì)量專業(yè)隊(duì)伍是縮小差距的重要途徑。飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)要在飛行器總體性能最優(yōu)前提下進(jìn)行飛機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，兼具基礎(chǔ)性和前沿性兩大特點(diǎn)，非常適合開(kāi)展研究型教學(xué)模式。為此，該文在國(guó)內(nèi)幾大航空院校課程體系調(diào)研的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)課程研究型教學(xué)模式的重要性、必要性和迫切性，并進(jìn)行了研究型教學(xué)模式的初步探索嘗試。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)? 飛機(jī)? 飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)? 研究型教學(xué)

Abstract： There is a big difference of the aero engine technology between China and the developed countries such as American and the United Kingdom. It is a good approach to reduce the gap by cultivate high quality professional engineers in this field. The Aircraft/Engine integration design requires that the aircraft and aero engines should be designed under the condition that the airplane has maximum total performance， which is fundamental and advanced， and very suitable for research based teaching. Based on the investigation of the curriculum system of several major domestic aviation colleges， the importance， necessity and urgency of the research based teaching for the course of Aircraft/Engine integration design is depicted in detail and conducts a preliminary exploration of the research-based teaching model.

Key Words： Aero engine; Aircraft; Aircraft/Engine integration; Research based teaching

1916年，著名教育家約翰·杜威（John Dewey）[1]從理論上證實(shí)了科學(xué)研究的必要性，并創(chuàng)建了問(wèn)題教學(xué)法。20世紀(jì)五六十年代，美國(guó)教育家布魯納（Jerome Seymour Bruner）[2]提出了重視科學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)、發(fā)展學(xué)生智力、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的認(rèn)知理論結(jié)構(gòu)和“發(fā)現(xiàn)法”教育觀。在此基礎(chǔ)上，施瓦布（Joseph.J.Schwab）[3-5]進(jìn)一步提出了探究式教學(xué)方法[6-7]。此后，探究式教學(xué)模式備受諸多高等院校青睞，甚至一些中學(xué)也在極力推崇這種教育理念。

不同于中學(xué)階段，本科階段的學(xué)習(xí)本身具有較強(qiáng)的專業(yè)性和前沿性。隨著學(xué)生知識(shí)能力的提高，在本科和研究生教學(xué)過(guò)程中，貫徹知行合一理念、把學(xué)習(xí)過(guò)程和研究過(guò)程辯證統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行教育教學(xué)是現(xiàn)代高等教育發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。同時(shí)，將科學(xué)研究、社會(huì)服務(wù)和培養(yǎng)人才幾大功能耦合起來(lái)開(kāi)展教育教學(xué)是對(duì)現(xiàn)代高水平研究型大學(xué)職能的升華。另一方面，高等教育階段不僅是研究型教學(xué)的溫床，同時(shí)也是提升國(guó)家創(chuàng)新能力的重要途徑。世界一流的大學(xué)不僅僅要傳授知識(shí)，也要“生產(chǎn)”知識(shí)，在培養(yǎng)人才的過(guò)程中為人類文明做出貢獻(xiàn)。因此，研究型教學(xué)具有重要意義。

航空工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)是這個(gè)皇冠上的明珠。目前，全球能自主研發(fā)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家寥寥無(wú)幾，而能研發(fā)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家進(jìn)一步減少[8]?，F(xiàn)階段我國(guó)和西方國(guó)家在軍用和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域均存在較大差距?！笆濉逼陂g開(kāi)始，我國(guó)已經(jīng)從國(guó)家層面推出了兩機(jī)專項(xiàng)戰(zhàn)略，希望從科學(xué)技術(shù)上突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，從高等教育層面如何提升我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才培養(yǎng)？這方面的教學(xué)研究還不多。不言而喻，從大學(xué)教育層面提升未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員的專業(yè)素養(yǎng)對(duì)于我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)戰(zhàn)略性的問(wèn)題，不僅可以為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)培養(yǎng)源源不斷的、高質(zhì)量的科研人員，同時(shí)，科教融合也能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)研制產(chǎn)生積極的反哺作用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力部件，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)又包含若干子系統(tǒng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，涉及了流動(dòng)、燃燒、結(jié)構(gòu)、材料、加工、多學(xué)科優(yōu)化、計(jì)算流體力學(xué)等諸多學(xué)科，具有高度專業(yè)化的特點(diǎn)。過(guò)去教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，單調(diào)地傳授知識(shí)往往調(diào)動(dòng)不起學(xué)生的積極性，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度不高，很大程度上影響了教學(xué)效果。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)航空院校課程體系中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)課程更多是基于部件進(jìn)行設(shè)置，如進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒室、葉輪機(jī)原理等，而缺乏一門從飛機(jī)總體性能層面進(jìn)行飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化匹配設(shè)計(jì)的綜合性課程[9-11]。該文主要從飛/發(fā)一體化課程的特點(diǎn)出發(fā)，闡述該課程研究型教學(xué)的必要性。同時(shí)，對(duì)如何開(kāi)展研究型教學(xué)給出了相關(guān)建議。

1? 開(kāi)展飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)課程的必要性

1.1 航空工業(yè)的發(fā)展使得飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)越來(lái)越重要

航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力和進(jìn)排氣流量增大使得飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)相互影響加劇。早期噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力200～300 kg，2000年已達(dá)54 620 kg[12]。這就意味著流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的空氣流量和噴管排除的燃?xì)獯蠓仍黾?。進(jìn)氣道吸入和噴管排出氣體流量的增加使得發(fā)動(dòng)機(jī)周圍機(jī)體流場(chǎng)的壓力和速度發(fā)生顯著變化，嚴(yán)重影響了飛機(jī)升力、阻力和俯仰力矩等參數(shù)，因而發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響不可忽略。另一方面，飛機(jī)升阻和俯仰特性變化又反過(guò)來(lái)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及推力特性，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互干擾、相互影響機(jī)制。機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)之間強(qiáng)烈的相互作用、相互耦合是飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的內(nèi)在需求。

飛機(jī)性能的優(yōu)劣，發(fā)動(dòng)機(jī)起決定性作用，而發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和設(shè)計(jì)又離不開(kāi)飛機(jī)總體性能以及飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的約束和限制。發(fā)動(dòng)機(jī)單項(xiàng)性能指標(biāo)再高，如果和飛機(jī)總體不匹配，飛機(jī)總體性能達(dá)不到最優(yōu)，而且還會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)成本的浪費(fèi)。飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化是協(xié)調(diào)總體/部件矛盾的學(xué)科，是任何飛行器型號(hào)研制必須考慮和深入研究的課題（見(jiàn)圖1），同時(shí)，也是解決如何協(xié)調(diào)部件參數(shù)從而使得飛機(jī)總體性能最佳的一門課程。

隨著飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，以往基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)逐漸被自動(dòng)化精細(xì)化設(shè)計(jì)所替代，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，給飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)新的契機(jī)，非常有必要給未來(lái)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)設(shè)計(jì)的本科生進(jìn)行此方面的專業(yè)教育。

1.2 非安裝性能和安裝性能的巨大差異是飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的另一內(nèi)在需求

發(fā)動(dòng)機(jī)屬于飛機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng)，因而國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)課程更多側(cè)重航空發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件與熱力循環(huán)以及部件特性的講授，而關(guān)于飛機(jī)總體和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的專業(yè)課程以及相關(guān)配套教材卻比較缺乏。

在現(xiàn)有研發(fā)體系下，發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)進(jìn)一步被分解成若干部件給各個(gè)研究室，總體部門通常會(huì)把部件尺寸、重量以及性能參數(shù)等約束提供給研究室，通過(guò)各部件設(shè)計(jì)、加工、裝配之后，形成發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)。最終發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)裝配到飛機(jī)上。然而，地面試驗(yàn)測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)推力和裝配到飛機(jī)上之后的推力存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到飛機(jī)上后，排氣系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失可達(dá)10%～15%，非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，推力損失可達(dá)25%～30%[13]，非設(shè)計(jì)狀態(tài)偏離得越遠(yuǎn)，非安裝推力和安裝推力直接的差異越大。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)子部件性能最佳不等于發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能最佳，發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳不等于飛機(jī)總體性能最佳，飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)正是從飛行器總體最佳的角度開(kāi)展飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的一門專業(yè)課程。毋庸置疑，在未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)設(shè)計(jì)教育體系中，飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)占據(jù)舉足輕重的位置。國(guó)際方面，美國(guó)為了研制一種比F-22性能更先進(jìn)、價(jià)格更低廉的空對(duì)空戰(zhàn)斗機(jī)（Air-to-Air Fighter： AAF），專門組織了一批專家編撰了專著《Aircraft Engine design》，其出發(fā)點(diǎn)也是為了培養(yǎng)更多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)人才[8]。因此，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的國(guó)家戰(zhàn)略層面考慮，國(guó)家不僅要從科研層面進(jìn)行兩機(jī)專項(xiàng)的立項(xiàng)支持，也需要從教育層面考慮，如何培養(yǎng)為了具有競(jìng)爭(zhēng)力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工程師。

1.3 吸氣式高超聲速組合動(dòng)力的發(fā)展使得飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)成為必然

未來(lái)，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的組合動(dòng)力是全球空天推進(jìn)研究的趨勢(shì)，例如渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）、預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)等。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，各部件采用分工、獨(dú)立設(shè)計(jì)，但對(duì)于裝配吸氣式動(dòng)力裝置的高超聲速飛行器而言，飛行器機(jī)體與推進(jìn)系統(tǒng)以及推進(jìn)系統(tǒng)各部件之間存在強(qiáng)烈的相互干擾，且機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)之間甚至很難找到明顯的分界線。

以吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其飛行器前體不僅承擔(dān)了機(jī)體產(chǎn)生升力的功能，同時(shí)，前體也承擔(dān)了參與捕獲、壓縮空氣的功能。另外，進(jìn)氣道和燃燒室之間也存在強(qiáng)烈的相互作用，一方面，進(jìn)氣道-隔離段出口流場(chǎng)影響燃燒室燃燒的組織和釋熱，同時(shí)，燃燒室釋熱變化又會(huì)以反壓形式通過(guò)邊界層和激波串來(lái)影響進(jìn)氣道-隔離段的流動(dòng)。

因此，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及飛行器研制過(guò)程中，必須從機(jī)體/推進(jìn)系統(tǒng)、進(jìn)氣道-隔離段/燃燒室、燃燒室/尾噴管/后體之間的一體化角度出發(fā)，兼顧飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，各部件不能獨(dú)立設(shè)計(jì)。針對(duì)未來(lái)空天動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)高速化和高超聲速化動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)遇，必須加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)本科生的學(xué)術(shù)視野，加強(qiáng)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)相關(guān)的研究工作。

綜上，開(kāi)展飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)研究型教學(xué)是航空動(dòng)力發(fā)展到一定歷史階段的必然需求。

2? 研究型教學(xué)模式的實(shí)施方案

飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)是最適合開(kāi)展研究型教學(xué)模式探索的課程，下面我們將結(jié)合這門課的內(nèi)容，闡述如何開(kāi)展研究型教學(xué)。

2.1 通過(guò)激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性開(kāi)展研究型教學(xué)模式探索

飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化課程包括了航空航天概論、飛機(jī)性能、吸氣式噴氣推進(jìn)原理、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科交叉內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)參與意識(shí)、避免被動(dòng)接受知識(shí)，尤其是要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生檢索文獻(xiàn)資料的能力和科技論文規(guī)范撰寫的書面表達(dá)能力。

在講授飛機(jī)性能之前，可以要求學(xué)生對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種典型戰(zhàn)機(jī)性能數(shù)據(jù)就行檢索、整理，獲得各代典型戰(zhàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)，建立數(shù)量級(jí)意識(shí);講授飛機(jī)性能內(nèi)容之后，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)檢索獲得的主要參數(shù)估算戰(zhàn)機(jī)性能的能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力。這樣，學(xué)生主動(dòng)采用飛機(jī)性能分析方法對(duì)文獻(xiàn)檢索結(jié)果進(jìn)行整理、分析、計(jì)算，并最終按照科技論文的格式撰寫成報(bào)告。不僅可以提高學(xué)生的積極性，還能培養(yǎng)其主動(dòng)檢索信息、分析計(jì)算和科學(xué)規(guī)范的書面表達(dá)能力。

這里需要注意的是，教師要充分考慮到本科生時(shí)間和精力。一般專業(yè)選修課被安排在大三或大四，學(xué)生通常會(huì)面臨找工作、考研以及其他課程的學(xué)習(xí)，如果任課教師不實(shí)事求是考慮學(xué)生的精力，有可能導(dǎo)致學(xué)生敷衍，甚至抄襲等行為，從而違反了開(kāi)展研究型教學(xué)的初衷，因此，這樣的活動(dòng)要求少而精，不宜過(guò)多。學(xué)院在安排研究型教學(xué)的時(shí)候，最好通盤考慮，從宏觀上規(guī)劃學(xué)生的課程群。

2.2 通過(guò)過(guò)程考核方式來(lái)開(kāi)展研究型教學(xué)模式探索

研究型教學(xué)模式的考核與傳統(tǒng)考核模式不同，傳統(tǒng)考核模式更注重期末考試，任課教師通常采用出期末考試試卷的形式，來(lái)考查學(xué)生對(duì)教學(xué)大綱內(nèi)容的掌握程度，并以考試成績(jī)的形式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出鑒定，這種考察方式更多體現(xiàn)在對(duì)結(jié)果的考核。研究型教學(xué)模式需要增加學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的考核，既要像傳統(tǒng)授課模式那樣完全達(dá)到教學(xué)大綱的要求，又要考核學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的主動(dòng)性、積極性。如果對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程沒(méi)有考核，或者考核力度不夠，則不利于研究型教學(xué)模式的開(kāi)展。

因此，研究型教學(xué)模式開(kāi)展，要從教學(xué)大綱層面統(tǒng)籌規(guī)劃，設(shè)置階段性過(guò)程學(xué)習(xí)的分值比例，并嚴(yán)格設(shè)立考核標(biāo)準(zhǔn)。既要從激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，還必須設(shè)立嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)督促學(xué)生參與研究型教學(xué)過(guò)程的學(xué)習(xí)。

2.3 通過(guò)強(qiáng)化應(yīng)用來(lái)開(kāi)展研究型教學(xué)模式探索

從教學(xué)內(nèi)容上，飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)包含了飛機(jī)性能、推進(jìn)系統(tǒng)性能、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)力學(xué)和飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用案例幾部分內(nèi)容。涉及的學(xué)科多、知識(shí)面廣，如果采取傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生很大程度上會(huì)孤立地接受各部分的教學(xué)內(nèi)容，而采用研究型教學(xué)模式，有望能使學(xué)生理解各部分知識(shí)體系之間的相互聯(lián)系、加強(qiáng)其對(duì)知識(shí)的掌握應(yīng)用。

對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)/一體化設(shè)計(jì)課程而言，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用飛機(jī)性能和推進(jìn)系統(tǒng)性能各部分的知識(shí)體系，建立飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化性能分析模型，并采用所學(xué)的優(yōu)化方法對(duì)飛機(jī)性能進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并安排一定學(xué)時(shí)的程序編制和上機(jī)實(shí)驗(yàn)，不僅可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的全面掌握和靈活應(yīng)用，避免以應(yīng)試為目的死記硬背方式，還能使學(xué)生深刻感受到飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)的取值范圍和量級(jí)概念，使得課堂教學(xué)更加貼近實(shí)際。

3? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)課程是培養(yǎng)未來(lái)從事飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員的重要課程，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式、進(jìn)行研究型教學(xué)模式改革是飛行器設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)研究發(fā)展的必然要求，也是為了配合我國(guó)“兩機(jī)專項(xiàng)”國(guó)家計(jì)劃為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)培養(yǎng)合格人才的教育舉措。對(duì)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

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