民用飛機燃油系統健康管理問題研究

葛銳　卞剛　周宇穗

【摘 要】本文介紹了民用飛機健康管理系統國內外研究現狀，并從民用飛機燃油系統健康管理角度出發，結合先進的飛機健康管理新技術理念，研究了基于燃油系統特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統健康管理的概念方案，為后續國內燃油系統健康管理的研究提供參考依據。

【關鍵詞】民用飛機；燃油系統；故障模式；故障診斷；健康管理

0 引言

隨著航空技術的日益發展，民用飛機維修維護技術也不斷提高。過去依靠機組報告、機務地面檢查、確認故障后準備航材和維修設備等開展飛機維修維護的傳統手段，已不適應當今世界激烈競爭的民航運輸業，飛機健康管理新技術應運而生[1-3]。

國外，美國NASA早在20世紀70年代就提出了航天器綜合健康管理（Integrated Vehicle Health Management， IVHM）的概念[4]。進入21世紀后，國外更是投入大量的人力物力開展飛機健康管理研究。波音公司開發的飛機健康管理系統（Airplane Health Management， AHM）已在日本、新加坡、法國、中國等航空公司的飛機上大量應用和推廣，空客公司開發的AIRMAN（Aircraft Maintenance Analysis）系統實現了對飛機的實施健康和故障診斷[5]。

國內，在飛機健康管理技術研究方面起步較晚，但近年來隨著國家對航空業的大力投入，高校、研究所等在航空系統診斷領域開展了多項預先研究項目，以縮短與國外的技術差距，提高國內航空業的國際競爭力。此外，國內航空公司也開展了探索和實踐，比如2006年南方航空公司開發了飛機遠程診斷系統，2007年東方航空公司實現了無線QAR技術[5]。

本論文僅從民用飛機燃油系統健康管理角度出發，結合先進的飛機健康管理新技術理念，研究基于燃油系統特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統健康管理的概念方案，為后續國內燃油系統健康管理的研究提供參考依據。

1 民用飛機燃油系統故障模式

飛機燃油系統是飛機的基本系統，按功能定義，燃油系統通常分為貯存子系統、通氣子系統、壓力加油子系統、燃油測量及管理系統、供油系統、應急放油子系統、燃油箱惰化系統、轉輸子系統、除水子系統。其故障模式主要由關鍵部件的故障失效所致，包括燃油泵、閥、引射泵、傳感器、管路、接頭、連接線路等。

a）燃油泵故障模式

民用飛機燃油系統多采用離心泵，由裝在蒙皮或燃油箱后梁上的泵殼和可拆卸的泵芯組成，泵芯主要由葉輪、電機等組成，如圖1所示。主要故障模式為：

1）氣蝕

離心泵的汽蝕過程是指，燃油泵在工作中，在燃油溫度升高或者葉輪葉片根部形成湍流時，發生燃油在該處汽化并產生汽泡且隨之破滅，最后造成葉輪沖擊的現象。汽蝕會使離心泵產生強烈的振動等危害。其次，汽蝕時會導致燃油泵送流量和壓力下降，甚或燃油中斷。

2）密封件泄漏

燃油泵密封件會發生泄漏故障，包括周期性漏油、持久性漏油、偶然性漏油，主要原因是由于密封軸的竄動、脈動工作壓力、振動問題、密封不良或安裝不當、摩擦副磨損等問題所致。

3）電機故障

離心泵電機一般采用的是交流三相異步電動機，故障模式主要包括定子故障、轉子故障、軸承故障，故障會導致堵轉、升溫等安全隱患。

b）閥故障模式

飛機燃油系統閥種類較多，按照驅動方式分為電磁/電機驅動切斷閥和機械作動單向閥等，電磁/電機驅動切斷閥故障模式主要為無法打開/關閉和泄漏，機械作動單向閥故障模式主要為流體回流和泄漏。

c）引射泵故障模式

引射泵的主要故障模式為噴嘴阻塞，造阻塞的主要原因為：

一是，燃油中雜質較多，包括油液中帶有雜質，滋生的微生物，油箱內部密封膠的老化脫落，生產或維護時遺留的金屬屑或其他外來污染物（比如棉絮纖維物等）。

二是，燃油中的水分較多，在高空飛行中時外界溫度低，水分結冰堵塞引射口噴嘴。

引射泵噴嘴被阻塞后，回造成引射泵工作性能下來，甚或喪失功能，進而影響燃油系統的正常工作。

d）傳感器故障模式

飛機燃油系統傳感器主要包括電容式油量傳感器、密度計、壓力傳感器、溫度傳感器等，其故障模式主要為：采集線路松動、短路、開路故障，油量傳感器被污染，敏感線圈老化或損壞，敏感彈片不能復位，溫度傳感器熱敏材料外力損壞等。

2 傳統燃油系統故障診斷

傳統飛機燃油系統故障診斷的主要步驟為：首先檢測到燃油系統的故障特征信號并完成故障特征的提?。ㄓ娠w機的自檢設備完成并顯示征兆信息，多數情況下無須維修人員參與）；然后根據故障征兆確定故障原因，這就是問題的難點，尤其是疑難故障，難以做到故障的準確定位，目前主要是根據故障隔離手冊和維修手冊等對幾乎所有可能的原因逐條翻閱并按步驟進行故障排除。這種排故流程導致排故效率低，而且對于一些復雜間歇性故障，目前方法難以湊效。大量的可靠性分析報告可知，飛機的每一次故障都可能造成航班延誤，延誤時間從幾十分鐘到幾個小時及至十幾個小時不等，由此造成的損失是巨大的。

3 燃油系統健康管理概念方案

本論文介紹的燃油系統健康管理概念方案是基于目前傳統的主流飛機構型，設計的一臺在線/離線監測的便攜機。該便攜機根據全程/地面采集的民用飛機燃油系統故障現象及運行狀態數據，在目前故障隔離手冊及維修手冊等故障隔離基礎上，基于燃油系統常見的故障模式、系統原理架構、線路、部件信息、接口、數據庫（大（下轉第339頁）（上接第331頁）數據采集及分析、專家數據庫等）、診斷系統自適應能力以及機上檢測，對飛機燃油系統的性能進行評估，分析并快速診斷、定位和分離故障因素，制定最合理高效的排故和維護程序，增加故障辨別能力，減少故障的誤報率和漏報率，增加魯棒性，為飛機運營維護提供支持。

該系統主要包含以下三個模塊：

a）故障實時管理模塊：

將飛行中民用飛機燃油系統的相關信息在線/離線傳遞給地面站進行診斷分析，為客戶提供快速的排故決策，維修控制中心的工程師根據燃油系統提供的故障等級和排故方案得以對排故需要停場時間進行評估，并對后續航班計劃及時進行決策或調整，按需安排維修工作并提前部署必要的專業人員、機務、航材、工裝和設備等。

b）故障預警與分析模塊：

該健康管理系統通過自動監控、收集并傳輸民用飛機燃油系統的中央維護信息、機組告警信息、系統狀態信息、性能檢測信息、系統監控數據等各種有效信息，進行故障模式分析和預警分析，使航空公司可以解決逐步發展中或潛在的但尚未發生故障的燃油系統問題，有助于維修計劃的制定并優化維修維護間隔期，可減少航班延誤、節約資源浪費，且大幅提高運營安全性。

c）勤務管理與設計數據庫模塊：

為各航空公司提供機隊狀況，提供實時的飛機維修要求可視性，增強維修、工程、運營的管理能效，同時還能將燃油系統非常規的維修工作轉變為定期維修，將維修工作從傳統維修逐步轉向預防性維修，為飛機后續工作及其他系列機型排故、設計及優化等提供最直接的機隊運營數據。

4 結論

本論文分析了民用飛機燃油系統的故障模式及故障機理，在此基礎上基于目前傳統的主流飛機構型，進行了燃油系統健康管理概念方案設計?？蔀楹罄m國內燃油系統健康管理的研究提供參考依據。

【參考文獻】

[1]劉熊.民航飛機故障診斷專家系統的研究[J].內江科技，2009（4）.

[2]胡亮.基于G2的飛機故障診斷系統應用研究[J].技術創新，2014（3）.

[3]崔建國，李忠海，呂瑞，等.現代大型飛機的關鍵技術—健康管理技術研究[R].中國航空學會2007年學術年會，可靠性、安全性、維修性與適航專題0701-08-35.

[4]PETTIT C D， BARKHOUDARIAN S， DAUMANN A G， et al. Reusable rocket engine advanced health management system： architecture and technology evaluation summary[C]. AIAA，35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference& Exhibit， AIAA 99-2527.Los Angeles，AIAA，1999：1-10.

[5]馬小駿，左洪福，劉昕.大型飛機運行健康與健康管理系統設計[J].交通運輸工程學報，第11卷，第6期，2011.12.

[責任編輯：朱麗娜]