結構健康監控技術的發展現狀

Paul Seidenman David J. Spanovich

使用傳感器監測飛機結構的健康狀況從原理上分析是一種非常有效的途徑，而且如桑迪亞國家實驗室和SMS 公司等機構已經對一些真空比較監測傳感器開展了廣泛的飛行試驗，因此，業內人士認為這種監測技術極具應用潛力，如可將非計劃維修轉化為計劃性維修，或者代替耗時耗力的無損檢測等。但無論開展哪種應用，均需獲得局方的批準，而目前的形勢是局方仍較為謹慎。

如果飛機機體結構檢查中發現裂紋，那么飛機就要按規定停飛，直到修理完畢才能放行。相比之下，如果通過增加檢測頻次為帶有已知毛細裂紋的發動機渦輪葉片保駕護航，在其被確定何時必須予以更換之前，它仍可以繼續在翼飛行。目前，航空界正在尋求對采用高科技傳感器的結構健康監測（SHM）的監管認證。

據位于新墨西哥州阿爾伯克基市的全球領先結構健康監測技術研發中心桑迪亞國家實驗室介紹，他們主要使用的傳感器技術有5 種，分別是真空比較監測（CVM）、壓電（PZT）、光纖、碳納米管和聲-超聲（AU）監測。每種技術都有其獨特的檢測方式，都能夠獲取與特定類型損傷相關的特征數據。

真空比較監測和壓電監測技術相對較為成熟。真空比較監測傳感器是一種自粘彈性貼片，其尺寸與一張信用卡大小相似。通過對傳感器內的一排相互連接的通道施加真空壓力，就可以測量出真空度的任何變化，從而顯示出裂紋。

位于加利福尼亞州的Acellent Technologies 公司認為，壓電傳感器比真空比較監測更具優勢，真空比較監測傳感器是“點傳感器”，它必須準確地放在預計會出現裂紋等損傷的位置上才能檢測到。而壓電傳感器是采用“網絡設計”，能夠監測整個區域的損傷情況，如Acellent Technologies 的智能層傳感器（Smart Layer sensors）。

桑迪亞國家實驗室展示的一個用于飛機健康監測的自粘性真空比較監測傳感器。

與真空比較監測相比，壓電智能層傳感器網絡還可以在超聲波和聲波模式下檢測裂紋。在超聲波模式下，傳感器可以周期性地提供有關損傷位置和尺寸的信息；在聲學模式下，傳感器網絡能夠“監聽”外部沖擊，并提供結構損傷的位置和程度。

目前，Acellent Technologies 的壓電智能層傳感器已成功通過了MIL-STD 810G 標準和雷擊測試，可用于任何金屬或復合結構。此外，這類傳感器已經在試件、組件和飛行測試級別進行了廣泛的測試和驗證，證明了其能夠用于損傷檢測。Acellent Technologies 公司表示，波音和韓國航宇工業公司（KAI）都采用了壓電技術，并認為該項技術的成熟度已經達到了“就緒”的水平；空客也已在A350 上完成了飛行測試。

運營商所獲益處

達美航空公司表示，對航空公司而言，結構健康監測可能會改變機體維修的游戲規則，將非計劃檢修轉變為計劃維修，傳感器提供的數據能夠讓航空公司以更高效、更具成本效益的方式安全管理機隊。有了SHM 后，就不必讓損傷飛機立即停飛進行維修，而是采取在翼健康監測就好，必要時再開展有計劃的維修。因為結構健康監測有助于確定裂紋是否需要立即修復，或者是否可以等到下次的定檢維修期，或選擇其他方便的時機。

用于對飛機結構進行遠程目視檢查的真空比較監測系統。

這樣的結構健康監測機制除了可以提高飛行安全性，與目前的定期檢修機制相比，可以持續、實時地進行監測。目前雖然技術準備工作已經就緒，但仍有很多工作要做，如說服監管機構制定數據驅動、特定間隔的維護計劃。因此，結構健康監測在近期的應用將只限于替代常規檢修，這也是運營商獲得的最基本益處。

事實上，達美航空目前正在按照適航指令（AD）的要求，對波音737NG機隊的后壓力艙壁緊固件進行1200 飛行循環的重復檢測。達美航空已經要求采用符合性替代方法（AMOC），利用結構健康監測技術替代適航指令要求的渦流檢測。波音和空客機隊的其他應用也在準備進行符合性替代。據稱，在波音737NG 系列飛機上實施渦流檢測需要拆除一個廚房，但如果在該區域安裝了傳感器，技術人員只需要在真正檢測到問題時再拆除廚房。這樣就為航空公司節省了大量的維修支出，并可通過提高飛機的可用性增加營收。

達美航空公司自2005 年以來一直是結構健康監測行業的領頭羊，而且西北航空公司在2004—2007 年間在兩臺DC-9 飛機上也安裝了真空比較監測傳感器。2009 年這兩家公司合并，且于2005—2012 年在波音757 和767 飛機上安裝了飛行傳感器。

達美航空公司實施結構健康監測一開始的主要工作是數據收集，并了解傳感器在真實環境下的工況問題，隨后在2014 年FAA 資助的一個項目順利解決了支撐SHM 應用的認證指導問題。在此項目下，達美航空與波音公司、桑迪亞國家實驗室和Anodyne電子制造公司合作，在7 架波音737-700 飛機的中央翼箱安裝了10 個真空比較監測傳感器，選擇中央翼箱是因為該區域屬于高應力區，傳感器的安裝是由波音公司起草的維修公告修訂版批準的。在安裝傳感器后這7 架飛機迄今已累計飛行11 萬飛行小時和5.6萬個飛行循環。

除此之外，Azul 聯合巴西航空工業公司在E190 噴氣式飛機上也安裝過結構監測傳感器，加拿大Jazz 航空公司的CRJ 飛機在2009—2010 年也搭載了傳感器飛行。達美航空認為，算上西北航空公司和達美航空公司的測試，真空比較監測傳感器已經飛行了大約150 萬小時。事實證明，這些傳感器在飛行周期、增壓、振動、污染物等所有可能影響飛行的工作條件下均能正常工作。

可替代無損檢測

桑迪亞國家實驗室表示，目前的研究重點是將結構健康監測作為無損檢測（NDT）任務的替代。因為當前的無損檢測中經常會包含各種人工檢測方法，這種勞動密集型的檢測方式要求檢測人員要親身檢測出“可疑的結構”，這其中手工檢測是必需的。結構健康監測的替代方案是在飛機上安裝一系列嵌入式傳感器，用來快速提醒操作人員某個結構正在發生某種類型的損傷。為了實現這一目標，傳感器不僅針對特定的飛機部件，還包括需要檢測的損傷類型。隨著結構健康監測技術的發展，檢修將從以往的“熱點”監控向更廣泛的飛機部件發展。

但在每種損傷檢測上應用結構健康監測都要經過評估，比如裂紋、腐蝕或脫膠，位置是在表面或亞表面等，所需的靈敏度、結構的材料和幾何形狀等等，然后根據這些信息設計傳感器網絡。在某些情況下，一個區域可能會檢測到幾種類型的損傷。總之，希望未來能夠實施基于狀態的維修（CВM），屆時航空公司可以自動從傳感器獲取信息，并利用這些信息做出維修決策。

桑迪亞國家實驗室強調，雖然通常情況下可能不需要太多的性能數據，但是應用結構健康監測始終需要一些特定的測試。如此一來，更多的飛行履歷和大量的成功應用將有助于加快結構健康監測的快速推廣。桑迪亞國家實驗室目前正在收集這些數據，但是結構健康監測和其他新技術的特性都要求在應用之前獲得非常全面的性能數據。所以如果進展順利，結構健康監測的每一種應用性能都會更加智能，這樣就簡化了從確定采用結構健康監測技術到最終在商用飛機上安裝和日常使用的整個過程。

SMS 公司的真空比較監測傳感器，安裝在達美航空公司的波音737NG 飛機壓力艙壁的緊固件上。達美航空公司要求授權使用真空比較監測技術作為與緊固件相關的符合性替代方法，以替代適航指令中要求的渦流檢查。

位于澳大利亞珀斯的結構監測系統（SMS）公司是達美航空公司737 翼盒安裝的真空比較監測傳感器的供應商。該公司表示，SMS 的下一步任務是獲得認證，以便將傳感器應用于強制性檢測。該公司在2019 年1 月向美國聯邦航空局（FAA）提交了認證請求。由于FAA認為結構健康監測是一種“新興技術”，因此正在制訂政策問題文件，為監管檢查員提供指導依據，供其在未來認證該技術的其他應用時參考，畢竟這一技術應用未來將會逐步推廣開來。

一旦某個區域確定應用傳感器，SMS 公司就會設計一種監測表面裂紋的傳感器構型。雖然被監測的材料不同，檢測精度也有所不同，但通常傳感器最小可以檢測到0.1 英寸的裂縫，而且還能監測裂紋的擴展情況，直到達到原始制造商要求修理的尺寸（這要根據原始制造商的損傷容限模型來判斷）。

據介紹，SMS 公司是唯一一家通過波音認證提供真空比較監測技術的公司。SMS 公司用于SHM 的真空比較監測產品具有自主專利技術。目前該公司的真空比較監測技術在全球擁有超過30 項專利，而且還有14 項正在申請中，包括表面裂紋檢測、復合材料內部分層檢測和復合材料粘接檢測等。

SMS 公司根據當前檢修過程所需的工時和飛機停場時間，為其傳感器選擇了目標應用。最優先考慮的兩項是波音737NG 尾部壓力艙壁和適用于所有窄體飛機的Wi-Fi 天線安裝結構。后壓力艙壁的適航指令要求檢查艙壁左側5 ～7L的縱梁和右側5 ～9R 的縱梁，之所以選擇真空比較監測技術，是因為使用傳統的低頻渦流探頭檢測時，可能會出現大量的假陽性讀數，但采用傳感器可以減少這種誤判。許多低頻渦流檢測的假陽性率平均為3%～5%。為了確認艙壁前側是否存在裂紋，不良的結果是否會導致不必要的飛機停飛和廚房拆除，采用傳感器更方便。

在Wi-Fi 天線方面，達美工程公司（Delta Engineering，不隸屬于Delta 航空公司）持有的補充型號認證（現已授權Gogo 公司）已向美國聯邦航空局申請對持續適航性指南進行修訂，把真空比較監測傳感器納入目視和渦流結構檢查的選項。

盡管美國聯邦航空局沒有回應征求意見書（RFC），但是歐洲航空安全局（EASA）給出了謹慎的回應，表示“EASA并不認為結構健康監測會改變現有的損傷容限理念，在考慮結構健康監測的潛在應用時，將采取保守的‘循序漸進’方法，而且EASA 已經與原始制造商在公共論壇上進行過公開討論。只是現在還不能確定使用結構健康監測就是允許飛機帶裂紋進行飛行。”