飛行器健康狀態的表征方法研究

何宇廷

（空軍工程大學航空工程學院，西安710038）

0 引 言

健康監測技術是提高現代裝備使用安全性、戰備完好率、快速出動能力，實現視情維修、快捷維修、精準維修、降低維修費用的關鍵技術。美國國防部要求所有武器裝備都應采用健康監控技術，我國在《國家“十二五”科學和技術發展規劃》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中也將發展關鍵設備裝置的健康監控與失效控制技術列為重點攻關技術。

至今，國內外圍繞該技術已開展了近30年的研究，并取得了很多重要的進展。美國針對F-16、F-18、F-35等飛行器，進行了結構健康監測技術的原理演示、驗證和應用［1-4］，F-35裝備了PHM系統［5］（預測與健康管理），該系統采用先進的傳感器，借助各種算法和智能模型實現對飛行器狀態的管理和預測；歐洲委員會資助了MONITOR研究項目，旨在探索并提供飛行器機身結構損傷探測和預測所必須的技術；D.Betz等［6］把FBG溫度和應變傳感器安裝在A 340-600客機的機身，實現了對該型客機結構的載荷標定；德國Fraunhofer學院開發了一種用于飛行器結構疲勞損傷監測的振蕩壓電作動器系統，根據壓電陶瓷傳感系統對于存在裂紋結構和完好結構部件內產生的振蕩頻率的不同，確定出飛行器結構的裂紋損傷［7］；加拿大Sherbrooke大學在加拿大太空署資助下完成了飛行器在線疲勞裂紋監測項目CRIAQ，采用先進的微機電激勵器和傳感器，完成了在民用飛行器機身結構上的驗證測試［8］；澳大利亞國防科學技術組織（DSTO）研制的用于結構疲勞裂紋監測的智能補丁“Smart Patch”已在F-18機翼前緣上進行了實驗［9］。

國內，健康監測研究大量集中在傳統機械學科對機械設備（大部分為旋轉機械）的故障診斷和建筑（橋梁）結構損傷狀況的監控。在航空航天領域開展的研究較晚，但在國家自然科學基金委員會、攀登計劃項目等機構的大力支持與資助下，取得了一定的適用性成果，并且形成了一批骨干科研單位［10］。南京航空航天大學在裂紋監測方面的研究主要集中在復合材料領域，提出了復合材料構件缺陷及損傷類型的小波分析特性提取和人工神經網絡方法等結構健康監控新理論［11-13］；國防科技大學和北京航空航天大學開展了液體火箭發動機系統損傷監測研究［14-16］，在傳感器技術、故障分析與仿真、故障檢測與診斷等方面進行了卓有成效的研究工作；西北工業大學可靠性工程研究所進行了航天運輸系統——重復使用運載器（Reusable Launch Vehicle，簡稱RLV）疲勞裂紋監測系統的原理及方案的初步研究，完善了結構系統、防熱系統、飛行控制系統和有效載荷釋放與回收系統的健康監控和故障檢測子系統的初步方案設計，并開展了RLV的使用維護技術研究［17］；西安交通大學航空航天學院研發了“飛行器結構健康狀態原位監測系統”［18-22］；空軍工程大學開發了物理氣相沉積（PVD）薄膜傳感器和柔性渦流陣列傳感器，研制了配套軟硬件系統［23-26］。

上述裝備健康監控技術的研究，重點關注信號感知與識別方面。對于怎樣判定裝備的健康狀態并利用這些健康狀態信息等研究工作相對薄弱，但是這卻是健康監控技術在裝備上工程應用的落地技術，必須加以解決。因此，本文提出表征飛行器各系統及整機健康程度的度量參數——“健康度”。首先給出飛行器各系統和整機健康度的計算確定方法，其次建立基于“健康度”參量的飛行器各系統/整機健康狀態評價方法——健康、亞健康和不健康三級評價法，最后以示例給出基于健康狀態的飛行器各系統/整機精準維修保障策略。

1 飛行器健康程度的表征參數——健康度

飛行器的健康狀態是一種實時狀態特性，可用健康度來表征。健康度是指在規定的條件下，執行規定任務時，飛行器（裝備）保持功能狀態完好的程度，其取值范圍為0～1。健康度公式如式（1）所示。

式中：t為時間變量；H(t)為飛行器的健康度，是時間的函數；Sa(t)為飛行器在工作狀態時，特征參數的實際值；Sd(t)為飛行器在功能狀態完好時，特征參數的期望值。

飛行器的健康度又可以分為基本健康度和任務健康度。基本健康度反映飛行器整體中各系統部件在執行任務時的實際功能狀態完好程度，而任務健康度反映飛行器在執行任務時針對可完成任務的預期程度所表現出來的功能狀態完好程度。一般由于余度等技術的應用，飛行器的任務健康度總是大于或者等于基本健康度。

由于飛行器是由結構系統、機載機電系統、機載電子系統等組成，因此，可以類似地給出飛行器結構健康度、飛行器機電系統/設備健康度、飛行器電子系統/設備健康度。

1.1 飛行器結構健康度

對于飛行器結構而言，裂紋損傷是其最主要的失效模式，因此可用裂紋長度作為健康度的參數，定義健康度為

式中：t為時間變量；H S（t）為結構件的健康度，是時間的函數；L a(t)為結構件在工作狀態時的實際裂紋長度；L c(t)為結構件在破壞時的臨界裂紋長度。對于單個元件的結構件，其基本健康度等于任務健康度。

對于由多個結構元件組成的單路徑傳力結構系統，設定各元件的健康度為H S1、H S2、H S3…H Sn，則結構系統的任務健康度可以取為系統各元件健康度的最小值：

此時，單路徑傳力結構系統的基本健康度也可以由串聯模型計算得到，如圖1所示。

圖1 結構系統的基本健康度串聯模型Fig.1 Series model of basic health degree of structural system

對于由多個結構元件組成的多路徑傳力結構系統，其任務健康度可以取為系統各元件健康度的最大值：

此時，多路徑傳力結構系統的基本健康度仍然可以由串聯模型計算得到，如式（3）所示。

對于由多個結構元件組成的既含有單路徑傳力結構又含有多路徑傳力結構的復雜結構系統，基本健康度可以由串聯模型計算得到，如式（3）所示。

而此時的任務健康度可以由串并聯模型計算得到，只不過并聯部分的健康度取各組成部分最大值而串聯部分取各組成部分健康度的最小值，如圖2所示，其中H Si（i∈n）為飛行器結構系統各元件的健康度。

圖2 任務健康度串并聯模型Fig.2 Series-parallel model of mission health degree

1.2 機載機電設備健康度

飛行器的機電設備很多，不同種類的機電設備可以選用不同的特性參數來表征其健康狀態。機載燃油泵是飛行器上典型的機電設備，工作環境惡劣，長期受到振動、沖擊、高速、高低溫頻繁轉換等嚴酷服役環境的影響，導致其發生故障或失效的幾率大幅增加［27］。本文以燃油泵為例來分析其健康度的表征方法。燃油泵性能的衰減伴隨著泵出口壓力的下降，因此引入油泵出口穩態壓力定義燃油泵的健康度為

式中：t為工作時間；E pe(t)指燃油泵實際工作狀態時的出口穩態壓力；E pa(t)指燃油泵理想狀態的出口穩態壓力。

1.3 機載電子設備健康度

機載電子設備種類很多，一般由電子芯片和互聯結構（焊點）構成，大量的電子芯片和互聯結構組成了板卡，各類板卡組合在一起形成了產品。電子芯片失效和互聯結構斷裂是導致電子設備產生故障的主要原因，本文從電子芯片和互聯結構出發確定健康度的表征計算方法，進而確定板卡和電子產品健康度的確定方法。

（1）芯 片

正常工作條件下芯片的失效是一個耗損的過程。因此可以通過芯片的當量工作時間定義芯片的基本健康度為

式中：t為工作時間；L E(t)為正常工作條件下芯片的總壽命；L F(t)為實際工作狀態下芯片的當量工作時間。

（2）焊 點

板卡中典型互聯結構（如焊點）在使用過程中會出現微裂紋萌生與擴展，伴隨著等效電阻增加，因此引入焊點的接觸電阻值來定義焊點的基本健康度為

式中：t為工作時間；Rf(t)為失效時板卡焊點的接觸電阻值；R a(t)為實際工作狀態時板卡焊點的接觸電阻值。

（3）板 卡

芯片及器件等通過典型互聯結構（如焊點）串聯在一起，形成了電路板卡。因此串聯在一起的各部件組成的電子設備板卡的基本健康度等于任務健康度，如圖3所示，其中H Di，H Wi（i∈n）分別為板卡中各芯片和焊點的基本健康度。

圖3 電子設備板卡基本健康度模型Fig.3 Basic health degree model of electronic equipment board card

對于采用余度設計的板卡，其基本健康度仍然采用串聯模型計算，而任務健康度則應采用串并聯模型計算。

（4）產 品

不同板卡組合在一起構成了電子產品。在沒有余度設計的情況下，各板卡之間主要呈現串聯結構，因此組成產品的各板卡健康度決定了產品的健康度。此時產品的基本健康度與任務健康度相同，如圖4所示，其中H Ci（i∈n）為組成產品的各板卡的基本健康度。

圖4 產品基本健康度與任務健康度模型Fig.4 Basic health degree and mission health degree model of product

如果電子產品的組成板卡有余度設計，則電子產品的基本健康度仍然采用串聯模型求得，而任務健康度則需要采用串并聯模型求得，如圖5所示。

圖5 板卡任務健康度模型Fig.5 Mission health degree model of card

1.4 飛行器整機健康度

對于飛行器整機而言，其健康度也可以分為基本健康度和任務健康度。基本健康度反映飛行器整體各系統部件的實際功能狀態完好程度，而任務健康度反映飛行器在執行任務時所表現出來的功能狀態完好程度。當飛行器各系統無備份時，任一系統的實效將導致裝備的失效，各系統之間表現為串聯關系，此時其基本健康度可以采用串聯模型求得，如圖6所示，其中H Bi（i∈n）為軍用飛行器各系統的基本健康度。此時，飛行器的任務健康度仍然可以采用串聯模型求得，只不過各組成系統的健康度要采用任務健康度。

圖6 飛機系統串聯健康度模型Fig.6 Series health degree model of aircraft system

當飛行器的重要系統有備份時，某一系統的失效不一定會導致裝備的失效，各系統之間表現為串并聯關系。此時其基本健康度仍然可以采用串聯模型求得，但是其任務健康度卻應該采用串并聯模型求得，如圖7所示，其中H Mi（i∈n）為飛行器各系統的任務健康度。

圖7 飛機系統串并聯健康度模型Fig.7 Series-parallel health degree model of aircraft system

2 飛行器健康狀態的評價方法

在給出飛行器結構和系統健康度定義及其計算方法的基礎上，可以依據健康度（基本健康度或者任務健康度）數值的不同，將飛行器或者各組成系統、各組成元器件的健康狀態劃分為健康、亞健康以及不健康三種狀態，如圖8所示。當飛行器或者各組成系統、各組成元器件的健康狀態為健康時，則其不需要維修就可以繼續服役工作；當其健康狀態為亞健康時，其可以繼續服役工作，但要求此時需要制定維修計劃；當其健康狀態為不健康時，則不可以繼續服役工作，此時必須按已經制定好的維修計劃對飛行器或者各組成系統、各組成元器件進行維修，以恢復其使用完整性（或者軍用飛行器的作戰完整性）。

圖8 結構健康狀態的劃分Fig.8 Expressions of structural health status

以飛行器某結構件為例，根據其重要性和結構特征設定基本健康度為90%～100%時，此時結構健康，不需要進行修理；當結構基本健康度為30%～90%時，此時結構處于亞健康狀態，需要制定維修計劃；當結構基本健康度低于30%時，此時結構不健康，需要馬上進行修理。需要說明的是，結構健康監測（SHM）技術只能監測而不能改變結構的健康狀態，只有修理或維護可以提高或者恢復結構的健康狀態。

對于飛行器整機以及其組成的機電系統和電子系統，可以類似地評價其健康程度，只不過各健康程度之間的門檻值不同而已。

3 基于健康狀態的飛行器精準維修策略

從上述分析可以看出，依據飛行器各系統設備的健康狀態進行維修將可以實現精準維修、快捷維修，提高裝備的安全性、完好性和利用率。這也真正地使飛行器的維修活動在經歷事后維修、計劃維修后跨入到視情維修（CBM）。對維修對象按設備予以分類，依據飛行器各系統設備的健康狀態，結合系統設備的安全性、重要度、經濟性等因素，制定相應的視情維修策略。三種健康狀態的劃分以結構安全隱患、正常工作和維修成本等因素為依據。當系統設備處于健康狀態時，可以繼續使用，不需要維修；當系統設備處于亞健康狀態時，需要適時制定維修計劃；而當系統設備處于不健康狀態時，則需要立即開展維修工作。本文以飛行器結構為例來說明基于健康狀態的視情維修應用方法。

某飛機結構使用一段時間后，應用加裝的結構健康監測系統監測到機翼前大梁、機翼2#長桁、機翼5#長桁、機身5#隔框和機身起落架接頭發現裂紋。根據各裂紋件承受的載荷及相應材料的斷裂韌性值求得各構件的臨界裂紋長度值，結合監測到的各構件實際裂紋長度，計算得到各構件的基本健康度分別為65%、50%、53%、100%和80%，如表1所示。

表1 基于健康狀態的飛行器結構視情維修方法Table 1 Condition-based maintenance method of aircraft structure based on health status

根據結構件健康程度的判據和各結構件的實際健康度可以判斷為：除機身5#隔框的健康狀態為健康外，其余結構件均為亞健康狀態，需要制定維修計劃。根據各結構件的裂紋擴展速率可以計算得知機翼前大梁、機翼2#長桁、機翼5#長桁和機身起落架接頭裂紋擴展到需要修理的不健康狀態（基本健康度30%）時的工作時間分別為500、210、280和530 fh。再綜合考慮飛機的出勤率和經濟性要求，最后確定再過210 fh時對機翼2#長桁和機翼5#長桁進行修理，過500 fh后組織對機翼前大梁和機身起落架接頭進行修理，對機身5#隔框不進行修理。根據飛機結構的健康狀態制定的維修計劃，到時按計劃進行精準維修，就可以保持飛機結構的使用完整性。

對于飛行器機載機電設備和機載電子設備，可以用類似的方法依據健康度制定視情維修方法。只不過對于機載電子設備，雖然芯片和互聯結構決定了板卡和產品的健康度，但是考慮到外場一線主要具備“板級”以上維修能力，在外場僅進行板卡和產品的視情維修。

對于飛行器整機，依據功能又可以將各系統劃分為結構系統、燃油系統、液壓系統、冷氣系統、環控系統、電氣系統、電子系統、推進系統等，上述系統基本上都是由結構件、機電系統件和電子系統元器件組成。因此，對于飛機整機的視情維修計劃也可以按各功能系統給出，最后形成整機的維修計劃。基于健康狀態的飛行器整機視情維修方法示例如表2所示。由于飛行器結構和系統復雜，距離不健康狀態剩余工作時間差異較大，結合經濟性與出勤率的要求，需要制定梯次維修計劃。示例給出了再過70、220、527和1 500 fh時分別對各系統進行視情維修的方案。

表2 基于健康狀態的軍用飛行器整機視情維修方法Table 2 Condition-based maintenance method of military aircraft based on health status

4 結 論

（1）本文提出了表征飛行器各系統及整機健康程度的度量參數——“健康度”，并將其分為基本健康度和任務健康度，取值在0～1之間。

（2）給出了飛行器各系統和整機健康度的計算確定方法——串聯法和并聯法，得到了芯片、焊點、板卡、產品的健康度模型。

（3）建立了基于“健康度”參量的飛行器各系統/整機健康狀態評價方法——健康、亞健康和不健康三級評價法，可以用于評價飛行器整機以及其機電系統和電子系統的健康程度。

（4）以示例給出了基于健康狀態的飛行器各系統/整機精準維修保障策略——健康時不用維修、亞健康時制定維修計劃、不健康時必須維修的總體策略以及與經濟性要求相結合的最終實施策略。健康度的定義與表征、應用方法也可以應用于其他設備系統的健康監控。