更多更智能的傳感器即將問世

Henry Canaday

飛機的狀態健康監控可以提高維修效率、降低維修費用，而傳感器是狀態監控系統必不可少的一部分。未來航空系統中可能需要更多、不同類型的飛機傳感器，傳感器也將逐步具備更少的漂移、更長的壽命和更高的精度等優點

盡管近年來預測性維護和大數據的時代才剛剛開始，但新一代以及未來的飛機正在或即將通過大量的、更智能的傳感器和監控系統獲得大量數據。這些數據采集技術在發動機、大量飛機部件甚至在一些機體結構中都可能實現，其中發動機早已開始進行數據采集，而機體結構被認為是迄今為止最難監控的部件，亟待新型傳感器連接、無線傳輸或直接傳輸到通信總線等技術走向成熟。

埃斯特萊集團公司（ Esterline）可以為包括發動機在內的多種飛機部件制造傳感器，該公司認為發動機的監控環境最為復雜，因為發動機制造商正在通過增加壓力和溫度提高發動機燃油效率，而發動機傳感器的一個重要研發目標是克服發動機不斷增加的溫度和壓力，確保傳感器能夠在發動機熱端部件區域可靠工作。通常的解決方案是采用獨特的新材料和昂貴的合金材料。而且計劃安裝于新型飛機上的發動機還需要傳感器為全權限數字發動機控制（ FADEC）系統的效率、安全性及可能的新架構提供支持。埃斯特萊集團公司預測，新的發動機傳感器將具備“更少的漂移、更長的壽命和更高的精度”等卓越的性能，同時發動機制造商也希望獲得一些“安裝即忘記（fit-andforget）”的傳感器，并將其應用到發動機維修期。減少漂移意味著減少傳感器隨時間推移性能下降的趨勢。傳感器的可靠精度可以保證發動機能夠在最有效的條件下運行，不必擔心性能退化而未被發現。

當前，在發動機熱端區域的一些傳感器每隔5～6年更換一次。航空公司希望這一時間間隔能夠延長或傳感器終身有效，也就是傳感器裝好后可一直使用直到發動機退役。

未來傳感器

目前，無線傳感器主要用于開發階段的測試發動機上，因為在此期間有許多數據點需要收集記錄。但未來為了減少傳感器在發動機上的布線重量和空間，傳感器將實現無線數據傳輸，即要求無線傳感器能夠自行收集能量或利用本地電源。此外，發動機在運轉時會產生巨大的振動，因此傳感器制造商也在考慮如何將發動機的這一振動轉換為傳感器的可用功率，不過這的確是一項挑戰。

未來傳感器的另一大變化可能是配裝FADEC，FADEC要求傳感器縮短連接線以節省空間。羅羅公司正在考慮將FADEC分成一些獨立的部件，以減少連接傳感器所需的布線數量。

埃斯特萊集團公司預測稱，未來傳感器還將擁有新用途。例如，傳感器可以測量發動機渦輪葉片以及葉尖與機匣之間的間隙，以判斷是否漏氣以及發動機的效率。出于安全考慮，傳感器可以測量渦輪葉尖的轉動時間。因為轉速或振動的變化可以標識出飛機存在的安全性風險，如鳥撞或遭到其他外來物損傷。同時隨著各種多電飛機對電力的依賴性逐漸增加，未來還需要傳感器對電池進行健康監測。

知名的傳感器制造商美捷特集團（Meggitt）指出，未來航空系統中可能需要更多、不同類型的飛機傳感器。如隨著傳感器中應用的光學和聲表面波傳感等新技術的增多，傳感器將能夠檢測到許多新的參數。同時，未來電動飛機也將需要新型傳感器來監控各種電機的性能。也就是說，未來的傳感器系統將包括傳統傳感器、智能傳感器、無線傳感器以及新的傳感技術。

目前，Meggitt正在與空客公司、德事隆公司合作開發無線輪胎壓力監測系統，該系統可支持50米（164英尺）距離范圍內的數據傳輸，使機械師不必在起落架周圍爬行檢查輪胎壓力。

柯蒂斯懷特（Curtiss-Wright）生產用于發動機燃油控制系統、飛行控制系統和臨界狀態監控系統的傳感器。目前，該公司正在開發更多用于安全、效率、環境和健康監控的傳感器。最近，Curtiss-Wright推出了一套縫翼檢測傳感器，放置在單個縫翼上以提高精度。傳感器通常與本地控制系統或數據集線器連接，然后與通信總線連接。在許多情況下，傳感器最終可以直接與總線連接。Curtiss-Wright預計未來無線傳感器將非常具有吸引力，特別是在試飛測試設備和非關鍵應用中。

機體傳感器

健康監控的目標一直是監測飛機結構，不僅包括飛行中的機體結構，還包括地面的。例如，Structural Monitoring Systems公司的比較真空監測（CVM）法可以在停場時測試飛機結構的健康狀況，取代了耗時的目視檢查。

CVM是通過在特氟綸膠帶上帶黏性的一面蝕刻出通道，并在通道中裝上彈性傳感器的思路檢測機體結構的。在檢查過程中，將傳感器中的通路抽成真空。如果被檢測表明存在裂紋，通道則會漏氣，設備將檢測到漏氣便可確定裂紋位置。CVM已被應用于鋁結構，目前正在復合材料上進行測試。只要機械師將膠帶黏在某個飛機結構表面，CVM都可以用于其監測，而且可改裝適用，并且已被批準用于檢查波音737翼盒段的健康狀況。一家美國航空公司已經在其7架波音737飛機上安裝了CVM膠帶，且完成了120次檢查。其他幾家航空公司也正在對其進行評估。CVM已經被波音公司接受，被列為是一種可選的合規方法。因為采用CVM膠帶可以在避免破壞地板或取出座位進行翼盒檢查。CVM可以加快檢查速度，在重檢期間可為每架飛機節省15萬美元的費用。

目前，Structural Monitoring Systems公司只為適航指令和服務公告所要求的檢查提供CVM。從長遠來看，該公司希望將CVM技術能夠部署到飛機的常規檢查中，并且最終被用于機上結構健康監測。Structural Monitoring Systems公司認為未來機體OEM可能會學會通過表面裂紋情況判斷結構完整性，并會選擇每500個飛行循環進行一次CVM測試，以確保部件的安全性。

CVM可以檢測表面裂紋并測量其長度。但目前只有渦流檢測可以檢測到表面以下的裂紋。一些OEM認為，下一步可以考慮在新飛機的生產線上就安裝CVM，這樣更有利于做好飛機健康監控。

（李璇，編譯自AW&ST 2018-7-10）