周巖,任文明,蔣慶喜,趙亞軍
(1.中國航空綜合技術研究所 裝備服務產品部, 北京 100028)(2.中國人民解放軍91515部隊, 三亞 572016)
民用飛機在使用過程中受到高、低周載荷和環境影響,其組成部分不可避免地會出現退化、故障或失效,為了恢復飛機及其組成部分的系統功能,保持其固有設計水平和可靠性,飛機制造商必須制定一套維修大綱,以確保飛機投入運行后持續的安全、可靠和適航。維修大綱是飛機計劃維修要求的匯總文件,一般應包括計劃維修項目、維修任務類型、間隔期及維修級別等[1]。
目前,國外主流的維修大綱分析標準包括:ATA MSG-3《運營商/制造商計劃維修制定文件》、ASD S4000P《預防性維修制定與持續優化國際規范》、SAE JA 1011《以可靠性為中心的維修過程評價準則》、MIL-STD-3034A《以可靠性為中心的維修過程》、NAVAIR 00-25-403《海軍航空裝備以可靠性為中心的維修分析指南》等。國內則主要參考GJB 1378A《裝備以可靠性為中心的維修分析》。其中,MSG-3在民航界取得了巨大成功,其作為制定民用運輸類飛機維修大綱的指導性文件,有著相當的規范性和適用性。從2013年開始,A4A將MSG-3分為兩卷,第一卷適用于固定翼飛機,第二卷適用于旋翼飛機[2-6]。
使用當前最行之有效的MSG-3分析方法進行維修任務分析,創建民用直升機維修大綱,是各大民用飛機制造商的通用做法,并且它們在過去幾十年的工程實踐中也積累了大量經驗。但隨著健康與使用監測系統(Health and Use Monitoring System,簡稱HUMS)技術的不斷發展,直升機的狀態監測與診斷能力大幅提升,其維修保障觀念也在發生改變。傳統基于MSG-3的民用直升機維修任務分析方法正在面臨巨大的挑戰:在MSG-3的分析框架下,HUMS強大的使用與狀態監測能力會催生一些新的維修任務類型,也會促使一部分維修任務由原來的定時維修向視情維修/基于狀態的維修轉變。但是,現有MSG-3分析流程和方法中尚未體現上述變化,導致傳統基于MSG-3的維修任務制定方法暴露出各種各樣的不適應性和弊端。
相比之下,其他國際主流的維修大綱分析標準均考慮了健康監測技術的影響,例如,S4000P早在2014版中就正式考慮了健康監測技術對系統/動力裝置計劃維修要求分析的影響,并以緊耦合的方式將健康監測技術的影響集成到第二層分析流程中,在2018版中針對這部分內容也進行了持續修訂;NAVAIR 00-25-403則在2011年的修訂版中,于第3.7節“特殊考慮”中專門提出了在以可靠性為中心的維修分析(Reliability Centered Maintenance,簡稱RCM)過程中如何考慮故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management,簡稱PHM),該手冊認為,PHM項目必須基于完善的RCM分析,但只有在安全性、環境適應性、操作或成本等方面表現出明顯優勢后,才會采用PHM任務取代傳統的預防性維修任務;MIL-STD-3034A認為RCM方法為實施增強型基于狀態的維修(Condition Based Maintenance Plus,簡稱CBM+)奠定了基礎,并在其附錄F中明確給出了RCM和CBM+技術之間的關系,附錄F作為該標準的強制部分,描述了如何使用CBM+技術來預防或幫助預防故障。
在HUMS技術不斷發展并趨于成熟的背景下,其為傳統計劃維修任務提供了可替代的方法。例如,認證程序FAA AC 29-2C Chg3 MG15《運輸類旋翼機認證》和EASA AMC 29.1465/CS-29《大型旋翼機認證規范》已允許在某些條件下從HUMS中獲得信任;國際維修審查政策委員會于2017年批準同意了空客直升機公司提出的IP 170《HUMS信用認證》[7],該提案針對當前MSG-3卷2未充分考慮HUMS技術,以及在重要維修項目的計劃維修任務方面,不允許取信HUMS等問題,參照MSG-3結構分析中的計劃結構健康監測(S-SHM),在系統和動力裝置分析的下層預防性維修任務類型中,提出在“檢查/功能檢查”中新增一項計劃健康和使用監測(S-HUM)任務,但IP 170只提供了一個總體的修訂思路,而諸多實際問題較為復雜,需要進行細致研究。
針對上述情況,本文在MSG-3的分析框架下,分別從系統/動力裝置、結構、區域、閃電/高強度輻射場等方面,開展HUMS技術對民用直升機維修任務的影響研究。其中,HUMS技術對系統/動力裝置維修任務的影響是在IP 170《HUMS信用認證》基礎上做的進一步分析;HUMS技術對結構維修任務的影響則是在厘清面向結構損傷監測的HUMS與結構健康監測(SHM)關系的基礎上,結合S-SHM任務進行分析。
HUMS是一個集航空電子設備、地面支持設備及機載計算機監視診斷產品于一體的復雜系統。它使用傳感器和機載計算機與地面支持設備的計算機相連,以便連續觀察、自動記錄并分析飛行機載設備的性能特征,從而監測潛在失效,對早期故障做出診斷。HUMS的主要監控對象為發動機、旋翼、傳動系統等直升機動部件系統,通過將采集的振動、方位角轉速、旋翼軌跡、飛行參數等數據進行分析處理,輸出各被監測部件的狀態參數,并反映部件的健康狀態與使用情況[8-10]。
通過HUMS系統對直升機關鍵部件(傳動系統、發動機、旋翼等)的使用狀態及潛在的故障進行監測和報警,可實現直升機的狀態管理和視情維護,對于保障直升機的飛行安全、降低維護費用、延長部件使用時間、縮短維護時間、降低對維護人員的技能要求具有重要意義。
按照維修工作費用或資源消耗、技術要求由低到高和工作保守程度由小到大的順序排列,當前MSG-3中可供系統/動力裝置選擇的維修任務類型包括潤滑/勤務、操作/目視檢查、檢查/功能檢查、恢復和報廢[11]。
由于SHM僅處理結構損傷,不捕獲功能降級,并且不考慮使用數據,MSG-3卷2目前僅在結構分析程序中對SHM及S-SHM給出了相應的說明,而在系統和動力裝置中尚未針對HUMS技術以及與之相關的維修任務給出類似說明。針對這一問題,IP 170《HUMS信用認證》正式提出在系統和動力裝置分析的下層預防性維修任務類型中,新增一項S-HUM任務,S-HUM屬于“檢查/功能檢查”的范疇。IP 170認為,S-HUM可以作為功能檢查的一種選擇,前提是HUMS已經按照飛機認證規則通過了相關的可信性認證[7]。
HUMS技術對傳統系統/動力裝置維修任務的影響主要體現在以下兩個方面:
(1) HUMS系統的應用,使得傳統的操作/目視檢查、檢查/功能檢查、恢復、報廢任務可能被S-HUM任務所替代:
①通過對HUMS系統的定期使用/運行/讀出,可以快速確定產品的功能性能是否在規定的限度之內,即S-HUM任務有可能替代傳統的檢查/功能檢查任務;
②HUMS強大的狀態監測能力可能會使某些隱蔽故障轉變為明顯故障,即HUMS的應用會取消原來某些用于檢查隱蔽故障的操作/目視檢查任務,使得這些傳統的操作/目視檢查任務被S-HUM任務替代;
③通過HUMS可以及時掌握產品的健康和使用狀態,當產品運行狀態良好時,無需按固定維修間隔對其進行恢復或報廢,即S-HUM任務還可能替代傳統的恢復、報廢任務,降低維修要求,提高產品的利用效率,進而提高經濟性。
針對可替代傳統維修任務的S-HUM任務,參考IP 180《飛機健康監測在MSG-3中的整合》[12],結合HUMS是否能完全滿足傳統維修任務的目的,將S-HUM任務進一步細分為S-HUM替代任務和S-HUM混合任務。
(2) 若傳統的操作/目視檢查、檢查/功能檢查、恢復、報廢任務無法被S-HUM任務替代,HUMS技術的應用也可以輔助延長維修任務檢查間隔、簡化檢查程序、降低檢查難度。
綜上可知,HUMS技術對系統/動力裝置傳統維修任務的影響體現為以下三種形式(如圖1所示):①調整傳統維修任務;②S-HUM替代傳統任務;③S-HUM與傳統任務混合。

圖1 HUMS對系統/動力裝置維修任務的影響
目前,國內外現有標準并未明確給出考慮HUMS的維修任務分析流程,但可參考狀態監測技術在以下標準分析流程中的應用。
(1) IMRBPB IP 180
IP 180在傳統第一層分析和第二層分析的基礎上,引入第三層分析,將AHM能力集成到系統/動力裝置維修任務分析過程中[12]。考慮AHM的系統/動力裝置維修任務分析流程如圖2所示。

圖2 系統/動力裝置MSG-3邏輯框圖——第三層分析
在完成了傳統的一、二層分析后,如果系統具備AHM能力,則可能需要應用第三層決斷邏輯。該層級使工作組能夠對被AHM能力所覆蓋的,與潤滑和勤務、檢測退化、檢測隱蔽失效相關的失效原因進行評估。
“確定AHM候選項”是第三層分析的起點,AHM候選項由一系列失效原因構成,成為AHM候選項需要同時滿足以下兩個前提條件:
①該失效原因通過第二層分析確定了傳統的維修任務;
②該失效原因能夠被AHM能力覆蓋。
在判斷部件失效原因能否被HUMS能力覆蓋時,需要注意其與AHM的差別:AHM是基于邏輯設計的,有明確的故障代碼,通過飛機的故障現象能直接關聯到失效原因;而HUMS主要監測振動參數,振動參數異常通常是由多個相互關聯的部件在運動過程中共同造成的,即不同部件的不同失效原因,均有可能導致相同的(振動參數異常)故障現象。因此,在大多數情況下,即便HUMS監測到振動參數的異常,也無法準確告知具體的失效原因,只能將這一故障現象關聯到某幾個相關的部件失效上。
所有AHM候選項都要通過第三層分析的邏輯決斷過程。邏輯決斷分析活動共分三個步驟,每一個步驟開始前,針對AHM候選項都有一個開放性的問題來評估AHM的適用性。
AHM能力覆蓋的每一個失效原因都需要對以下方面進行評估:
是否有AHM能力探測潤滑和(或)勤務需求(步驟1);
是否有AHM能力探測退化(步驟2);
是否有AHM能力探測隱蔽失效(步驟3)。
(2) ASD S4000P
在2014年發布的S4000P 1.0版中,初步考慮了機內BIT或健康監測系統對系統和動力裝置維修要求分析流程的影響,如圖3所示。在預防性維修任務類型邏輯決斷中,在判定潤滑/勤務、操作檢查/目視檢查、檢查/功能檢查、修復、報廢等預防性維修任務是否適用之前,首先安排了一個邏輯判斷“該故障原因的狀態或退化趨勢是否能完全被機內BIT監測到或通過健康監測系統給出評估結論?”。若回答“是”,則執行基于狀態的維修,不考慮定時維修;若回答“否”,則仍按原來的決斷邏輯一步一步往下判定,確定出相應的預防性維修任務類型及其維修時機。

圖3 考慮狀態監測技術的維修任務分析流程
(3) MIL-STD-3034A
MIL-STD-3034A附錄F提供了RCM分析和CBM+技術之間的關系,如圖4所示[5]。該標準認為,對于CBM+來說,最具成本效益的方法是從RCM分析開始,確定系統或設備的適用和有效維修任務,并對任務進行評估,以確定是否有CBM+技術可用于替換任務,然后執行業務案例分析以確定技術是否具有成本效益。此外,鑒于技術越復雜,可能會越昂貴,復雜程度的提高也可能導致可靠性降低。因此,在評估CBM+技術時還應綜合權衡技術的可靠性及其成本。

圖4 考慮CBM+技術的邏輯決斷樹
HUMS除了能監測直升機動部件系統之外,還可以通過振動數據間接監測磨損、疲勞、腐蝕等結構狀態特征參數。通常,飛機結構項目的狀態監測都統一歸到SHM和S-SHM的范疇。為此,在開展HUMS技術對結構維修任務的影響研究之前,還需要結合直升機動部件系統的結構項目狀態監測,對HUMS與SHM技術的監測能力范圍與監測方式,以及HUMS與SHM之間的關系進行研究。
MSG-3早在2009年的修訂版中就在結構分析程序中引入了SHM的概念。MSG-3第2卷修訂版2015.2在第2-4-2.1節末尾指出:“如果證明適用和有效,SHM等新興技術有可能作為檢查或觀察偶然損傷、環境惡化和疲勞損傷的一種選擇”[2]。同時,將S-SHM作為一項新增的預防性維修任務,與一般目視檢查(GVI)、詳細目視檢查(DET)、特殊詳細檢查(SDI)并列其中。
研究表明,S-SHM在檢查偶然損傷、環境惡化和疲勞損傷等方面的應用是適用和有效的。S-SHM任務將傳統的包括拆卸、接近、檢查、恢復的結構檢查工作轉變為對數據的采集和分析工作,大幅減少了人力和時間的投入,積累的數據也可為后續任務優化提供有力支持[13]。
面向結構損傷監測的HUMS與SHM的關系可從兩個角度來分析:
(1) 從結構健康監測能力范圍的角度來說,SHM是狹義結構健康監測的概念。SHM主要監測直升機機體本身的靜態結構項目,其監測方式包括直接監測和間接監測兩種。然而,除機體結構之外,直升機動部件系統的很多結構件也承受著高周疲勞的作用,壽命有限,這些動部件系統的有壽結構件則主要是由HUMS采用間接監測的方式,通過振動數據分析間接監測動部件結構的損傷情況。因此,從結構健康監測能力范圍的角度來說,傳統意義上的SHM技術與面向結構健康監測的HUMS技術是相對獨立的,如圖5所示。

圖5 面向結構健康監測的HUMS與SHM技術
(2) 從維護的角度來說,SHM是廣義結構健康監測的概念。對SHM和HUMS系統/設備的使用/運行/讀出進行結構損傷監測的任務,在MSG-3中都屬于S-SHM范疇。
①MSG-3中SHM的定義:“使用專為應用而設計的機械、光學或電子設備檢查或觀察特定結構項目、結構細節、安裝或組裝的概念。SHM不指明任何具體的方法或技術”。
②MSG-3中S-SHM的定義:“以一個固定的時間間隔使用/運行/讀出SHM設備的行為”。
可以看出:SHM并不針對某一具體的對象(靜態結構或動部件結構),也不指定某一種特定的方法或技術(直接監測或間接監測),只要能對結構項目的健康狀態進行監測,都屬于SHM的范疇。因此,從維護的角度來說,對SHM和HUMS系統/設備的使用/運行/讀出進行結構損傷監測的任務,在MSG-3中都屬于S-SHM的范疇。
根據HUMS技術及其與SHM技術的關系研究可知,在MSG-3中SHM是廣義結構健康監測的概念,以固定時間間隔使用/運行/讀出HUMS系統/設備進行結構損傷監測的行為,在MSG-3中屬于S-SHM的范疇。為此,本文在S-SHM的概念范疇下,探討HUMS技術對結構維修任務的影響。
鑒于在當前的技術發展水平下,還無法通過SHM傳感器直接監測動部件結構項目的結構損傷情況,只能通過HUMS采集振動數據并間接監測動部件結構項目的損傷情況。因此,HUMS技術對傳統結構維修任務的影響主要體現在直升機動部件系統的結構項目上。
(1) 在沒有HUMS的情況下,對直升機動部件系統的結構項目開展結構分析時,只會產生GVI、DET、SDI三類維修任務;
(2) 應用HUMS技術后,通過定期讀取HUMS的振動數據可以對動部件系統的結構項目進行結構損傷分析,該任務屬于S-SHM的范疇。因此,在對直升機動部件系統的結構項目開展結構分析時,除了GVI、DET和SDI任務之外,還可以產生S-SHM任務。而且,產生的S-SHM任務有可能會取代或調整傳統的結構計劃維修任務,如圖6所示。

圖6 HUMS對傳統結構維修任務的影響
標準區域分析是針對整個區域確定GVI任務,以發現區域內結構和系統項目的退化情況,其任務類型固定。HUMS技術的應用,不會改變標準區域分析得到的任務類型。分析過程中,在區域描述工作表中需補充HUMS的相關內容,且其描述屬于系統及設備安裝部分。
標準區域分析的另一個目的是合并來自系統/動力裝置分析、結構分析、增強區域分析、閃電/高強度輻射場分析中的GVI或目視檢查(VCK)任務。將接近方式相同或相近,且間隔相等或更短的GVI或VCK任務合并至區域GVI。HUMS技術的應用將會對上述其他分析產生影響,其任務類型可能發生改變。原則上,區域GVI仍然只合并GVI或VCK任務。
增強區域分析是針對電氣線路互聯系統(EWIS)確定的檢查任務,目的是將可燃材料的污染減到最小,并排除標準區域分析不能可靠探測的重要線路的安裝偏差[14]。
由于HUMS技術的應用,在機體和設備上加裝了不同的傳感器和支架,這些傳感器的數據傳輸采用有線形式傳播,滿足EWIS的定義。HUMS系統本身屬于增強分析的對象,其線路部分需要在增強區域分析工作表中進行描述,并且評估HUMS系統EWIS的偶然損傷、環境損傷及設備密度,用以確定EWIS檢查任務及其間隔。
HUMS對區域維修任務的影響如圖7所示。

圖7 HUMS對區域維修任務的影響
閃電/高強度輻射場(L/HIRF)分析的目的是得到針對L/HIRF保護部件的退化模式,及時發現損傷而進行的檢查任務[15]。HUMS應用時,對其系統本身如果考慮了L/HIRF防護,則HUMS系統中L/HIRF防護部件將作為分析對象,通過評估其偶然損傷和環境惡化影響得到維修任務及其間隔。
在L/HIRF分析邏輯中,對于是否需在拆解情況下才能進行維修需要進行判斷,這會影響維修任務的選擇。在不拆解情況下,L/HIRF選擇的任務是GVI、DET、SDI、功能檢查(FNC);在拆解情況下,L/HIRF選擇的任務是GVI、DET、SDI、FNC、恢復(RST)、報廢(DIS)。HUMS本身在機體和系統中存在可拆部分和不可拆部分,因此,對HUMS相關的L/HIRF分析時要重點考慮是否拆解。HUMS對L/HIRF維修任務的影響如圖8所示。

圖8 HUMS對L/HIRF維修任務的影響
HUMS涉及的系統分布于飛行記錄系統、動力系統、傳動系統、旋翼系統。與其他系統之間通過傳感器和總線連接,有輸入輸出關系。根據MSG-3系統分析總體原則,各MSI的功能、功能故障、故障影響和故障原因分析中,故障原因部分承擔轉移記錄。涉及HUMS故障原因將集中保留在HUMS系統的MSI中進行統一分析。
區域分析可能的結果包括標準區域分析得出整個區域的GVI、增強區域分析得出的清潔任務、對整個區域導線的GVI、對特定線纜或線纜特定部位的GVI、對特定線纜或線纜特定部位的DET。區域檢查大綱只包含GVI任務,增強區域分析得出的清潔任務、對特定線纜或線纜特定部位的GVI、對特定線纜或線纜特定部位的DET這三種任務通常歸入系統和動力裝置檢查大綱的ATA 20部分。增強區域分析得出的對整個區域導線的GVI需要進入任務整合流程,與系統工作組、結構工作組和L/HIRF工作組轉移的GVI和VCK任務一起,考慮與標準區域分析的GVI進行整合[16]。
MSG-3分析中各工作組的分析結果向區域進行轉移如圖9所示。

圖9 各工作組向區域的任務轉移
轉移規則如下:
①系統工作組、結構工作組和L/HIRF工作組轉移的區域候選任務和增強區域分析的GVI任務的轉移,主要是判斷標準區域分析的GVI任務是否能有效滿足轉移候選任務的檢查要求,如接近方式相同/相近,且標準區域分析的GVI任務檢查頻度更高。否則轉移候選任務仍回歸到產生該任務的重要維修項目分析,增強區域分析的GVI則需要作為獨立GVI(Stand-alone GVI)與其他增強區域分析的任務一同歸入ATA 20;
②對于系統的VCK候選任務,由于VCK任務用于識別相應重要維修項目的功能失效,轉移還需要考慮區域GVI任務是否可以達成VCK的效果,即明確識別這種隱蔽功能失效;
③所有轉移任務需記錄,確保后續可追溯。
對于未加裝HUMS系統的直升機按照MSG-3分析得到的維修大綱,必須重新還原已經被區域檢查覆蓋的任務,與加裝HUMS后的分析結果進行對比。原來是GVI任務或VCK任務可能被HUMS的檢查任務所取代,因此,這些任務將不能向區域轉移。
(1) 與CCMR的任務協調
MSG-3任務與審定維修要求候選項目(CCMR)協調的過程涉及審定維修協調委員會(CMCC),CMCC可能會根據流程圖影響工作組的決定。如果有等效的MSG-3任務來適應CCMR,此過程提供了一種可接受的方法來識別何時可能不需要制定審定維修要求(CMR)[17]。
MSG-3任務與CCMR任務協調程序的步驟如圖10所示。

圖10 MSG-3任務與CCMR的任務協調程序
HUMS在很大程度上提高了MSG-3中隱蔽功能故障的探測能力,因此,可能存在部分隱蔽功能影響類別的減少;同時,經過系統安全性評估后的CCMR項目也可能減少。但是總體協調原則保持不變。
(2) 與ALI的任務協調
根據結構MSG-3分析流程可知,所有安全壽命項目和經過損傷容限分析的關鍵結構項目(PSE)都屬于適航限制項目(ALI),并作為維修大綱的附錄;其他重要結構項目經疲勞和損傷容限分析形成的任務作為飛機結構的疲勞檢查要求,列入維修大綱的結構檢查部分。

圖11 結構 MSG-3 分析流程
考慮HUMS后,機體結構及旋翼部分的安全壽命件將由HUMS進行剩余壽命監控,可能減少部分安全壽命件的壽命限制,只要能由MSG-3任務覆蓋其疲勞相關檢查任務目的,則可由MSG-3覆蓋。
計劃維修任務最終將以打包形式進行合并執行。合并原則之一是選擇任務間隔相近或相同的候選合并任務。合并后的間隔將以A,多重A、C,多重C、D等主要間隔進行分布。在各主要間隔時間點附近的任務間隔,如果為安全性影響,合并原則是允許時間縮短、或保持不變,但不可以延長;如果為非安全性影響,可以考慮延長/縮短時間間隔。
與HUMS相關的任務在間隔上是可變更的,因此,在任務合并時,可以考慮將確定的HUMS檢查任務調整至主要間隔點。
在以主要間隔分布為主分配各維修任務后,考慮各維修任務的接近方式是否相近或相同。相同或相近的接近方式是指執行過程在同一區域,且打開的口蓋、面板、門相同,拆除的內襯、內飾相同,或者某一任務已經完成了維修通路的開敞,則利用已有開敞性完成本區域內的任務。
HUMS通常以檢查為主,不需要特殊的接近方式,但是要注意其他任務在接近過程中對HUMS系統的連帶損傷。
(1) HUMS技術對民用直升機各部分的維修任務都會造成一定程度的影響,其中,以對系統/動力裝置維修任務的影響最為突出。具體體現為:在“檢查/功能檢查”類別下新增了一項S-HUM任務,該任務既可以替代傳統維修任務、也可以與傳統維修任務混合。此外,HUMS技術還可以輔助調整傳統維修任務,延長檢查間隔、簡化檢查程序、降低檢查難度。
(2) HUMS的應用可以促進民用直升機由當前定時維修向視情維修轉變。一方面,通過HUMS系統進行狀態監控并實行視情維修,可以大幅減少由定期維修帶來的維修人力、物力和財力的高昂耗費;另一方面,通過HUMS系統進行快速故障定位并采取準確的維修活動,可以大幅縮短維修停機時間,提高維修效率,從而有效保障民用直升機的簽派可靠度和出勤率,實現經濟效益的最大化。