直升機動力系統診斷、預測和健康管理技術研究

丁杰，陳圣斌，郝宗敏

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

美國航空管理局航空應用技術管理中心和西科斯基飛機公司在2012～2014年聯合負責完成了一項“基于能力的使用和支撐技術-航空（COST-A）計劃”。這項計劃的目標是為旋翼航空器的6個主要系統開發、演示/試驗一套高價值的診斷、預測和系統健康管理技術以降低目前過重的維修負擔，降低使用維修費用，提高飛行安全性和使用可用度，旋翼航空器6個主要系統之一即是動力系統。

1 COST-A系統結構

根據COST-A計劃，動力系統這一工作的主要目標是開發相應的診斷和預測運算律，以便對動力系統關鍵部件的健康提供深入了解。對發動機主要的關鍵外場可更換單元等開發各自的診斷運算律用于評估發動機燃氣通路、整機和每個主要模塊（燃氣發生器、動力渦輪）的健康和評估傳感器的性能，以確認其偏差。將所有這些運算律的信息融合在一起，并利用一系列的推理運算律，將狀態指示數據轉換成可實施的信息以便支持維修決策。在這份報告中，細地討論了上述幾項COST-A計劃的動力系統技術，并利用案例精心地闡述了診斷和推理功能。

由于動力系統的診斷和預測技術都綜合于COST-A系統中，因此，這里首先論述了COST-A系統結構。COST-A系統結構是由硬件和軟件單元組成，包括機上和地面功能。這種結構分為兩類：“基礎結構”和“事務處理邏輯”。

1.1 基礎結構單元和體系結構

綜合系統分為兩個主要的分系統，機載系統（OBS）和地面系統（GBS）。

（1）機載系統（OBS）。這一機載系統。是在安裝于大多數旋翼航空器的健康和使用監控系統（HUMS）的基礎上構建的，主要是通過在這一典型的HUMS系統上附加相應的裝置構建成機載系統（OBS），包括光電主網絡、OBS軟件、新的預測和健康管理裝置電路板、網絡和采集接口裝置，各個診斷和參數處理運算律全部綜合到同一機載軟件系統中進行驗證試驗。

（2）地面系統（GBS）。飛機筆記本、部隊服務器，它提供了地面診斷、預測和維修規劃工具以便能進一步降低模糊性，并預測今后的健康趨勢，利用機群歷史數據的運算技術，給出維修決策。

1.2 事務邏輯和推理結構

組成COST-A邏輯和推理結構的高層次的程序表示在圖1中，包括診斷、維修集生成、故障模式推理、機載維修推理、健康累積評估、飛機筆記本顯示和部隊服務器程序。

2 動力診斷單元

作為這一工作的一部分，動力系統開發或改進了幾個診斷單元，這包括用以評估主發動機燃氣通道健康的運算

律，發動機各個外場可更換單元和動力系統其他主要部件的診斷。

圖1 COST-A軟件和推理結構

2.1 改進功率保證

改進功率保證的主要目標是，改進旋翼航空器自動功率保證計算運算律。發動機扭矩系數（ETF）是整個發動機健康指示，陸軍、海軍和直升機其他用戶使用ETF來確定發動機性能退化到予以更換的時間點。

影響ETF測量精度的一個主要因素是：當前是否正從發動機提取引氣，以用來發動機防冰或通過環境控制系統給座艙加溫，在提取引氣時進行ETF測量，發動機將出現亞健康（非健康）狀態。在COST-A計劃中開發了發動機防冰和直升機加溫使用的引氣補償方法以減少這種事件發生時的ETF誤差，這一補償功能已經綜合到自動功率保證運算律中，以便在COST-A機載系統中實時使用。

2.2 外場可更換單元（LRU）診斷

發動機的許多LRU研發了診斷方法，這就可能大大地降低整個維修負擔。這一部分所討論的所有運算律都是集中在COST-A的機載系統中使用。在COST-A中開發的發動機主要LRU的診斷方法對象為以下部件：防冰/氣動引氣活門、流體-機械裝置、進氣道粒子分離器壓氣機、主發動機氣動起動機、交輸引氣活門。

2.3 地面系統軟件

為了補充或增強OBS（機載系統）的診斷能力，開發了多個GBS軟件模塊，這一GBS軟件包包括的主要是輔助動力裝置（APU）和主發動機的診斷。這兩個診斷采用基于模型的方法進行診斷，它通過收集APU或主發動機的測量數據，對照主結構部件（即壓縮機、渦輪機）內失效部件的故障特征和傳感器的偏離故障（如溫度、速度等）與故障模型確定的診斷結果最相符的的基準項目相比較。

3 動力系統故障案例

3.1 診斷程序

這一案例進行分析的第一步就是執行診斷程序，這一程序本身是由幾個分程序組成的。

（1）診斷程序說明。①傳感器數據：表示傳感器數據的收集、匯總和調整，以便為數據控制運算律使用。②數據控制運算律：將原始數據處理成有用輸出參數，以用于生成狀態指示。③診斷運算律：將傳感器的原始數據轉換成狀態指示。④部件健康指標生成運算律，將多個狀態指示融合成每一部件的健康指標。⑤建立標準化的門限值，并將其應用于部件的健康指標。

（2）動力系統案例診斷說明。傳感器數據在網絡和采集接口裝置內轉換成輸出線索，這就使數據傳輸到PHMU（預測和健康管理裝置）電路板上，動力系統這一數據在PHMU內的診斷運算律的運行包括：①改進的功率保證；②防冰/起動引氣活門診斷。

（3）地面主發動機診斷。地面發動機診斷設計成分析一組所記錄的傳感器數據。在COST-A綜合的OBS（機載系統）內改進的功率保證運算律運行產生的實時ETF的實際輸出中。在整個飛行過程中，只要每一時間段產生了新的輸出，健康指標生成運算律也將各個狀態指示融合成健康指標，這些健康是利用前面所說的顏色標識進行顯示。

3.2 維修集生成程序

（1）程序功能。維修集生成程序的目標是，對由診斷程序所確定的不正常狀態而生成的維修集，確定是否存在模糊性。

（2）實例說明。對于這一案例的故障后區域，由于診斷和改進功率保證運算律的輸出結果，使得1#PT1（1#發動力渦輪）和1#發GG1（1#燃氣發生器）都偏離正常狀態，并超過了“綠”到“黃”的閾值，1#發的防冰起動引氣活門的閾值超過所有方式而進入紅區，維修集生成功能利用查詢（圖2）建立了已知或給定這些閾值超過情況下可能的維修措施。由于閾值和維修工作之間的連接性大于1對1，它們產生的觀測、檢查和維修活動的維修措施集要進入推理結構后續的分析，以進一步化解模糊性。

圖2 維修集生成結果

3.3 故障模式推理

如果飛行人員或維修人員可能采取的維修集仍是模糊的（即維修集生成運算律的輸出是1對多個，而不是1對1的維修集），那么就是實施故障/失效模式的推理程序。

（1）故障模式（F/FM）推理功能。在動力系統故障案例的故障后區域，3個CI都超過了特定閾值，ETF退化的CI信號指示旗來自1#發動機功率保證運算律，CI信號指示旗來自1#發的防冰起動引氣活門診斷運算律，而核心損傷CI來自1#發地面診斷，其相應的數據段是有效的。

（2）動力系統級F/FM推理機。系統級推理機評估有效數據（例證）段，評估了相關性模型上下關系內的有效和無效數據（例證）狀態集。其輸出在已知的數據狀態特定特征條件下，是最有可能發生的故障模式排序表。

案例最前面的兩個故障/失效模式是：①1#發動機AISBV（防冰/起動引氣活門）粘接--0.905。②1#發動機HMU（流體機械裝置）黏結/性能退化—0.5000。

3.4 機載維修推理

維修推理機在排序好的F/FM集和最有可能要對已確認的F/FMs的推薦的維修集之間進行相互映對，所產生的維修推薦集是與所識別的F/FMs相關的維修措施表。維修措施對應著與其鏈接的最高序列的任一有效故障模式。

這包括：（1）哪個閾值已超出正常范圍。（2）著陸時或離機之前推薦的監視或觀測。（3）如果其中某些部件表明其健康不正常時，可能現在就要予以檢查。（4）可能要采取一組內所有可能的糾正措施。（5）對這些最有可能處理或解決問題的糾正措施排序。

3.5 健康累積評估

分系統和系統健康累積評估，將組成部件的狀態指示CI或健康指標融合上一層次的健康指示。在這一案例故障前區域，所有的各個部件健康指標都是綠色。這樣，如果使用精確的遺傳圖進行健康評估，那么整個動力系統的健康是綠色的。這就指示目前系統是正常和健康的。

當考慮這一案例故障后的區域，1#發動機的AISBV的紅色健康指示累積到整個動力系統為紅色健康指示，這就表明要采取維修措施。

3.6 飛機筆記本顯示

ACN飛機筆記本顯示器，對機載系統計算的所有信息提供了直接的存儲之地，也作為一個通路，以便將機載系統的數據傳輸到部隊（大隊級或營級）服務器。

空勤人員可能要看顏色識別動力系統部件的健康顯示，此顯示給出最有可能的故障根因是AISBV，接著，空勤人員可能要進行所建議的觀測，記錄COST-A系統對AISBV故障所推薦的維修程序，然后，將這一信息下傳到維修規劃活動。

4 結語

該文詳細論述了動力系統的故障診斷和推理技術，以便將該系統多種觀測數據轉化為維修人員可實施的維修措施。

文中使用了一較為復雜的案例，以演示/驗證了COST-A綜合化系統的成功應用，并達到了在典型系統環境中所要求的性能。

動力系統所研發和改進的技術將隨同COST-A系統將在機上進行飛行試驗以提升其技術成熟度水平，以便不久的未來，在傳統的直升機和新研的旋翼航空器上應用。到那時，將實現基于狀態維修（CBM），降低維修負擔，提高旋翼航空器的安全性和使用可用度。