? ? 近年來，高校實驗室屢有爆炸、火災等重大安全事故發生，威脅高校師生的生命安全，造成國家財產的重大損失。飛行器設計相關專業課程在本科實驗教學中有很多實驗操作具有高危險性和各種場地條件的限制。為保障教學安全，這些實驗難以對大批量本科學生進行開放教學，從而使學生對這些未來工作需要的專業實驗缺乏基本技能訓練，對飛行器整體氣動設計和控制缺乏切身體會。

? ? 本實驗課程是專門為飛行器設計工程專業本科生開設的，注重基礎理論與專業知識的融會貫通，強化理論與實踐的密切關系，具有很強的工程應用背景。實驗的目的如下：

? ??1、幫助學生掌握火箭種類、工作原理，主要火箭部件構成及總體結構及設計方法，理解其設計流程和理念；

? ? 2、以大學嘉庚一號火箭為例，講解火箭的關鍵部件氣動參數與軌跡控制設計流程；幫助學生掌握空氣動力學基本原理、飛行力學的控制方法及控制原理，協助學生建立對火箭飛行氣動力及飛行控制的直觀感受；

? ? 3、引導學生開展創新性的開放設計參數選擇，幫助學生了解火箭氣動設計與軌跡控制需求，通過氣動設計和軌跡仿真模擬，得到滿足設計要求的火箭外形與飛行軌跡，最終設計出符合需要的原型機；

? ? 4、提高航空專業學生對飛行氣動實驗和飛行控制實驗的操作能力，為畢業后適應科研院所工作的要求打下基礎，培養全方位的復合型實驗技能，建立飛行器設計工程專業本科生實驗技能考核標準。

實驗所屬課程所占課時：48學時

該實驗項目所占課時：4學時

（簡要闡述實驗原理，并說明核心要素的仿真度）

火箭氣動設計與軌跡控制仿真實驗主要涉及空氣動力學、飛行力學、航空航天概論等課程知識，是一個綜合性實驗環節，總體上包括認知模塊和設計模塊。認知模塊通過虛擬環境構建不同種類火箭結構及部件組成，設計模塊通過計算流體力學和飛行動力學仿真模擬得到火箭的氣動特性及飛行軌跡。該實驗的核心實驗原理及知識點如下：

（1）火箭氣動特性仿真

計算流體力學(computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)屬于空氣動力學課程范疇，是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。本實驗中火箭氣動特性數值模擬采用求解可壓縮Euler方程組，結合熱力學參數定義及理想氣體狀態方程，根據火箭的飛行狀態，得到控制方程所需邊界條件，進而計算其表面壓強、溫度、速度等參數，進而積分得到飛行器的氣動力、升阻比等性能。

（2）火箭飛行軌跡仿真

飛行動力學仿真建模的主要目的是研究飛行器在空中的運動規律，通過解算飛行仿真動力學模型的各種參數來研究飛行器的總體性能。虛擬仿真實驗使用MATLAB中的S-fuction方程描述飛行器的三自由度非線性數學模型。通過控制飛機攻角alpha從而實現飛行軌跡貼合預定飛行軌跡。使用仿真模型及控制律共同作用下輸出火箭特定時間及位置的飛行狀態量，將狀態量導入至模擬軟件中，即可查看飛行器飛行姿態。

知識點：6個

(1) 愛國主義教育：廈門大學航空航天學院自成立之初，就以“空天報國”為使命和擔當。學院深入挖掘航空航天科學技術中的人文情懷，形成“空天報國”思想政治工作品牌，極大增強師生對國家航空航天事業發展的信心，提高師生投身航空航天事業的責任感和使命感。

(2) 火箭種類及各自特點：火箭可按不同方法分類，如能源、用途、級數等。但組成部件及工作原理基本相同。目前多以固體火箭和液體火箭為主。

(3) 火箭推進原理及性能指標：利用牛頓第三定律，通過高溫高壓工質在噴管中高速噴出，產生的反作用力對火箭產生推力。

(4) 升力及阻力產生原理：結合嘉庚一號火箭帶翼結構，針對非對稱機翼和對稱機翼產生升力原理進行解讀，分析阻力產生條件及高速飛行阻力特點。

(5) CFD數值模擬方法：將流動問題表示為方程式，建立幾何模型，設置邊界條件和初始條件，設置網格生成策略和求解方法并分析結果。

(6) 操縱性與穩定性分析：嘉庚一號火箭確立帶翼回收可重復使用概念，因此需要結合飛行任務，對其舵面和鴨式布局進行穩定性和操縱性的分析。

? ? 實驗中的虛擬設備包括嘉庚一號固體火箭，主要由載荷艙、發動機、噴管、三角翼和舵面組成。按照設備真實比例建模的嘉庚一號固體火箭三維示意圖（見圖3）。

（舉例說明采用的教學方法的使用目的、實施過程與實施效果）

（1）采用的教學方法：

? ??虛擬仿真實驗是信息技術與實驗教學的深度融合產物，極大地拓展了學生的學習資源和空間，特別適應現代的發展，以及豐富了學生學習模式，特別是航空航天專業的試驗大多具有危險性以及不可操作性，采用虛擬仿真的實驗方式能有效彌補相關課程很難開展實驗環節的不足。

? ??以廈門大學“嘉庚一號”火箭為例，實際火箭的開發過程只有少數學生可以參與進來。然而隨著虛擬仿真實驗環節的補充，采用實際工程項目與課程虛擬仿真相結合的實驗教學方法，開創了線上線下教學相結合的個性化和智能化的實驗教學新模式，將基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合，極大激發了學生的學習興趣，讓更多的學生身臨其境的參與仿真實驗，學習相關專業知識，提高學生的專業實驗操作技能。

（2）使用目的：

? ??改變教師傳統的注入式教學方式，強調“以學生為中心”的實驗教學理念，將學習資源開放，學習空間開放，以學生自己學習為主，教師指導為輔，教師鼓勵、引導學生主動學習。

? ??通過虛擬仿真平臺幫助學生掌握火箭部件構成及工作的基本原理，理解廈門大學嘉庚一號火箭的關鍵部件氣動參數與軌跡控制設計流程。教師引導學生了解火箭氣動設計與軌跡控制需求，開展創新性的開放設計參數選擇，通過氣動設計和飛行軌跡仿真模擬，得到滿足設計要求的火箭外形與飛行軌跡，共同完成實驗項目而使學生獲取知識和技能。

（3）實施過程：

? ??預習階段，學生將實驗目的、原理、操作步驟、注意事項等做初步了解；演示階段中包含全過程規范操作的錄像，便于學生快速地從整體上了解實驗內容；學習階段中，通過在線平臺文字、聲音和高亮等提示幫助下，進行人機交互，一步一步學習完成整個實驗；考核階段無任何提示進行操作考試，考核結束后系統自動給出分數；報告階段需撰寫完成實驗報告，包括實驗目的、原理、實驗數據處理和結果、實驗結論以及對該實驗設計的評價和建議，提交給老師評閱。

? ??

（4）實施效果：

? ? 虛擬仿真實驗教學環節一共設置了預習、演示、學習、考核和報告5個階段。

? ??目前在本校初步展開了該實驗項目的教學，服務學生總共80余人次。在示范教學過程中，強調關鍵步驟和注意事項，理論與技能并重。由于教學活動的重點放在設計仿真過程上，這就有利于學生掌握專業知識的同時將所學知識運用到真實的飛行器設計和飛行控制仿真實驗中。學生通過完成教學項目，能有效調動學習的積極性，既掌握實踐技能，又掌握相關安全知識，既學習了課程，又學習了工作方法幫助解決問題，能夠充分發掘學生的創造潛能，提高了學生解決實際問題的綜合能力。

（學生交互性操作步驟應不少于10步）

實驗方法描述：

（1）實驗設備及模型認知

    在線系統中涉及的各類火箭，包括“嘉庚一號”均單獨建模，能夠進行360度全方位的展示?；鸺髦饕考梢詥为毞纸庹故?，并搭配文字說明，讓用戶達到認知的效果。所有模型在實例講解模塊的界面中顯示，點擊某個火箭類型進入該對應的火箭模型的具體展示。

（2）氣動特性仿真計算

    仿真計算以“嘉庚一號”火箭為模型，可在標準算例模塊或者約束算例模塊領取不同的飛行任務，如圖5所示。采用求解可壓縮Euler方程組，結合熱力學參數定義及理想氣體狀態方程，根據飛行器的指定飛行狀態，計算火箭表面壓強、溫度、速度等參數，進而積分得到火箭在不同飛行攻角下的升阻比曲線。

（3）飛行軌跡仿真計算

    在完成氣動特性仿真計算后，學生需要進行飛行軌跡的仿真計算。具體方法是將氣動數據錄入相應的氣動數據文件轉化為零迎角升力阻力系數矩陣。利用矩陣和火箭推力以及質量信息，求解火箭飛行過程中的三自由度運動微分方程，來進行火箭飛行軌跡的仿真。

學生交互性操作步驟數：19

學生交互性操作步驟說明：

    火箭氣動設計與軌跡控制仿真實驗是一個綜合性實驗環節，包括認知模塊和設計模塊，共計20個實驗步驟。

（1）認知探究模塊的實驗步驟

    打開瀏覽器，在地址欄中輸入實驗項目展示網站網。選擇相應的角色登錄后熟悉實驗環境界面，包括實驗相關信息，包括實驗名稱、實驗類型、所屬課程名稱、實驗要求、實驗報告內容等，如圖7所示。點擊頁面中的“開始實驗”按鈕即可開始實驗。

步驟2：嘉庚一號火箭使命擔當以及愛國情懷教育

    點擊開始試驗后，首先會看到廈門大學嘉庚一號火箭相關的研究背景圖片及視頻，講述嘉庚一號火箭背后鮮為人知的故事。嘉庚一號作為國內第一個滿足可重復使用技術要求的基于火箭動力的試驗飛行器，其研究背景、研究歷程、技術試驗等等均展示給同學。結合教師講解，展示相關研究團隊主動融入中華民族偉大復興的努力實踐，激揚空天報國情懷，奮勇拼搏自強不息止于至善的效力期許。

步驟3：火箭原理及性能

    依次點擊查看實驗目的和實驗原理，了解相關信息，基于實驗目的學習相關實驗原理。點擊推進原理，學習牛頓第三定律作用力與反作用力，學習火箭推力及升阻力產生原理，學習火箭主要性能參數。

步驟4：液體火箭講解

    點擊實例講解中的液體火箭菜單，以土星5號火箭為例講解液體火箭的結構特點和主要工作原理。學生可以從多視角觀察火箭結構，點擊火箭機身進行部件分解，學習各部件性能并組裝還原火箭。

步驟5：固體火箭講解

    點擊實例講解中的固體火箭菜單，以長征11號火箭為例學習固體火箭的結構特點和主要工作原理。學生可以從多視角觀察火箭結構，點擊火箭機身進行部件分解，學習各部件性能并組裝還原火箭。

步驟6：固液混合火箭講解

    點擊右側菜單欄實例講解中的固液混合火箭菜單，以阿麗亞娜4號火箭為例學習固液組合火箭的結構特點和工作原理。

步驟7：嘉庚一號火箭講解

    點擊右側菜單欄嘉庚系列菜單，以嘉庚一號固體火箭為例詳細學習其部件組成及主要結構特點。學習氣體動力學相關知識在嘉庚一號帶翼火箭結構設計中的應用。

步驟8：嘉庚一號火箭拆裝

    按照部件結構組裝成嘉庚一號火箭，了解嘉庚一號火箭詳細結構。 

步驟9：嘉庚一號火箭部件講解

    結合嘉庚一號火箭三角翼結構完成氣動力及升阻力特性學習，結合嘉庚一號火箭舵面結構完成氣動力、穩定性及操縱特性學習。

步驟10：結合所學知識點完成答題

    點擊右側菜單欄課堂測試菜單，進行火箭相關知識答題，通過后即可進入下一模塊。

（2）設計分析模塊的實驗步驟

步驟11：嘉庚火箭涂裝

    點擊左側菜單欄涂裝菜單，以嘉庚一號為例，進行個性化涂裝。

步驟12：領取標準飛行任務

    點擊左側菜單欄標準算例菜單，以嘉庚一號為例，了解其發射任務需求，了解火箭整體布局及設計參數，領取標準飛行任務，進入到氣動設計界面。

步驟13：標準飛行任務氣動特性仿真

    按照示范任務要求，在氣動設計界面完成火箭、輔翼和方向舵的設計參數輸入，點擊“設置完成”系統自動進行相關氣動特性的仿真計算，并在氣動設計界面顯示火箭氣動計算結果云圖和不同攻角時的升阻比曲線。

步驟14：標準飛行任務飛行軌跡仿真

    點擊氣動設計界面右下方的查看軌跡，進入到飛行軌跡仿真界面。按照標準飛行任務要求，在飛行軌跡仿真界面輸入參數，并導入步驟13完成的升阻比曲線，進行飛行軌跡仿真，滿足標準飛行任務要求。

步驟15：領取約束飛行任務

    點擊左側菜單欄約束算例菜單，以嘉庚一號為例，根據不同飛行需求產生了不同的約束飛行任務（依次分為任務一、二和三），其中約束飛行任務三的設計參數師生課上可根據前面任務結果共同討論設置。學生分組依次領取約束飛行任務，設置飛行任務參數，進入到氣動設計界面。

步驟16：約束飛行任務氣動參數設計

    對火箭特殊約束任務飛行需求進行分析，在氣動特性仿真界面進行火箭三角翼的選型及相關設計參數的調整，完成新的氣動結構設計。

步驟17：約束飛行任務氣動特性仿真

    完成新的氣動結構設計后，點擊“設置完成”系統進行氣動特性仿真計算。

步驟18：約束飛行任務飛行軌跡仿真

    點擊氣動設計界面右下方的查看軌跡，進入到飛行軌跡仿真界面。按照約束飛行任務要求，在飛行軌跡仿真界面輸入參數，并導入步驟16完成的升阻比曲線，進行飛行軌跡仿真。

步驟19：數據分析

    查看步驟17和步驟18的仿真數據，判斷新的飛行軌跡是否滿足約束飛行任務。如滿足則顯示“任務成功”，即可提交實驗，進入到步驟20；如不滿足則需要詳細分析數據，點擊 “重新設置”，再次進行步驟16至步驟18，選取適合的氣動外形參數進行仿真，直至結果滿足約束飛行任務需求。

步驟20：填寫實驗報告

是否記錄每步實驗結果：是

實驗結果與結論要求：實驗報告

其他描述：

? ? 在飛行軌跡仿真任務的模擬結果中會得到飛行軌跡的曲線，如下圖所示。需要教師指導學生將仿真得到的飛行軌跡曲線（綠色）與飛行任務所需求的標準飛行軌跡曲線（藍色）進行對比分析。如果兩條曲線相符，或者仿真曲線飛行性能更優，則說明學生所設計的火箭氣動外形符合飛行任務的需求，顯示“任務成功”。如果兩條曲線相差明顯，特別是重點飛行參數仿真結果不符合飛行要求，那么教師可要求學生通過調整火箭的氣動外形結構再次進行仿真，直至得到滿足飛行任務需求的軌跡及火箭氣動外形。

本實驗將實驗預習、實驗操作、實驗結果、實驗報告“四位一體”全面考核和評價學生的學習成效。具體考核要求、評分細則和比例見評分細則表。

專業與年級要求：

飛行器設計與工程專業大學三年級學生

基本知識和能力要求：

? ? 在使用本虛擬仿真實驗系統學習前，對于參加實驗的飛行器設計與工程專業學生，要求學生已經較系統的學習航空航天概論、流體力學、空氣動力學、飛行力學、計算流體力學等課程。已經掌握了飛行器設計、高超聲速流動的基本理論，在專業能力方面要求學生對空氣動力學理論及應用有深入的理解。

本校上線時間：2019-07-15

已服務過的本校學生人數：80

是否納入到教學計劃：是

所屬課程教學大綱：http://www.ilab-x.com/file/view?id=15317

近兩年已完成的教學計劃或授課提綱：http://www.ilab-x.com/file/view?id=18794

是否面向社會提供服務：是

社會開放時間：2019-08-15

已服務人數：30