航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述

韓建軍 張 華 張 瑞 王 莉 甄 博 劉啟國

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110015）

隨著航空發(fā)動機面臨的可靠性、安全性、經(jīng)濟性和維修保障等問題日益凸顯，傳統(tǒng)的定期維修方式已難以滿足需求。視情維修具有規(guī)模小、效率高、經(jīng)濟性好尤其是可避免重大災(zāi)難性事故的顯著優(yōu)勢，成為航空發(fā)動機必然發(fā)展的先進維修方式。視情維修的前提是要求航空發(fā)動機具有對自身故障的預(yù)測能力，并具有對健康狀態(tài)進行管理的能力，由此產(chǎn)生了航空發(fā)動機健康管理（Engine Health Management，簡稱EHM）的概念。

發(fā)動機健康管理是指利用傳感器獲取發(fā)動機狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，借助各種傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的數(shù)學(xué)方法來評估發(fā)動機及各系統(tǒng)的健康狀態(tài)，預(yù)測發(fā)動機性能狀態(tài)的發(fā)展趨勢和可能發(fā)生的故障，并提供科學(xué)和恰當(dāng)?shù)呐殴屎途S修建議；在結(jié)構(gòu)載荷監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機在保證工作安全條件下的剩余使用壽命進行預(yù)測[1]。采用健康管理技術(shù)，可以實現(xiàn)對發(fā)動機的視情維修，有效降低發(fā)動機的使用費用，并避免重大災(zāi)難性事故的發(fā)生，延長發(fā)動機壽命，顯著提高發(fā)動機的可靠性、維修性、保障性和安全性。

目前我國航空發(fā)動機型號研制中，健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究尚在起步階段，存在諸多技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)，急需借鑒國外先進研制經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)，以推動關(guān)鍵技術(shù)突破。本文將就國內(nèi)外航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)演變進行研究，分析國內(nèi)外技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展差距，并提出我國發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的發(fā)展建議，以期為我國發(fā)動機型號研制提供借鑒和參考。

1 國外航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展過程

民用發(fā)動機方面，國外在20世紀(jì)60年代即開始研究航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)。70年代狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)開始在民用發(fā)動機上應(yīng)用，并取得成功，提高了飛行安全和航班運營效率。80、90年代，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，大大促進了航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)的發(fā)展。波音747/767飛機和空客A310飛機上的發(fā)動機都裝備了狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)。到21世紀(jì)初，歐美等國在B787、A380項目中提出并實施了預(yù)測與健康管理概念，標(biāo)志航空發(fā)動機的視情維修和安全性、維修性與經(jīng)濟性監(jiān)視進入一個新的階段。美國GE公司的GEnx發(fā)動機和英國羅羅公司的Trent 900發(fā)動機所應(yīng)用的健康管理系統(tǒng)是現(xiàn)代發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的典型代表。該健康管理系統(tǒng)分為機載部分和地面部分，其中機載部分首次采用在發(fā)動機上安裝的方式，并借助飛機通訊尋址和報告系統(tǒng)實現(xiàn)基于Web的遠程監(jiān)控與診斷，這是近年來航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。目前國外的健康管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到工程驗證階段，許多技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過演示驗證，并且證明實施健康管理能夠顯著降低發(fā)動機使用和維修保障費用，提高發(fā)動機的可靠性和安全性。

在軍用發(fā)動機方面，60年代羅羅公司研制的MK202“斯貝”發(fā)動機裝備了滑油監(jiān)視系統(tǒng)[2]。70年代，GE公司研制的T700-GE-700和T700-GE-701渦軸發(fā)動機已具備初步健康監(jiān)視系統(tǒng)的組成及功能，能進行基本的狀態(tài)監(jiān)視，完成一些重要部位的故障診斷。T700-GE-701C發(fā)動機的控制系統(tǒng)由DECU（數(shù)字電子控制器）和HMU（液壓機械裝置）組成，并配置一個歷史記錄儀，其健康監(jiān)視功能主要由DECU及歷史記錄儀實現(xiàn)。GE公司在1979年開始為F404-GE-400渦扇發(fā)動機設(shè)計的IECMS是一個實時發(fā)動機監(jiān)視和壽命跟蹤系統(tǒng)。英國則于1975年發(fā)展了發(fā)動機使用情況監(jiān)視系統(tǒng)（EUMS）和低循環(huán)疲勞計數(shù)器（LCFC）。

80年代以后，隨著發(fā)動機和計算機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)日益成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置。英國綜合EUMS和LCFC兩者的經(jīng)驗，發(fā)展了機群通用的單元體診斷系統(tǒng)。1982年美國普惠公司開始發(fā)展F100-PW-200發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，到1987年該系統(tǒng)實現(xiàn)了與飛機綜合和后勤數(shù)據(jù)庫的兼容，系統(tǒng)繼續(xù)得到擴大和改進。80年代末，歐洲4國聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動機提出了具備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷能力的研制要求，其狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷功能集成在FADEC系統(tǒng)中實現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，EJ200發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視功能已經(jīng)比較完善，達到了其研制要求。

90年代，美國F119發(fā)動機研制了診斷與健康管理（DHM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)除具有完善的狀態(tài)監(jiān)視功能外，還具有比較完善的故障診斷能力，只是還沒有達到足夠的診斷精度，也未規(guī)定明確的考核指標(biāo)。F119發(fā)動機DHM系統(tǒng)雖然尚不具備預(yù)測能力，但它是現(xiàn)役航空發(fā)動機中最先進的智能狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)[3][4]。F135發(fā)動機是F119發(fā)動機的后續(xù)改進型號，除了具備完善的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷能力外，還提出了故障預(yù)測的要求，并且也具備了一定的預(yù)測能力。預(yù)測是健康管理系統(tǒng)區(qū)別于以往早期階段的發(fā)動機監(jiān)視診斷系統(tǒng)的顯著特征之一。為此，美國普惠公司投入了大量資源，開發(fā)了新型傳感器和診斷軟件，形成了比較完善的健康管理系統(tǒng)和配套的考核指標(biāo)體系。健康管理技術(shù)在F135發(fā)動機研制中得到充分應(yīng)用，代表了美國目前所能達到的最高水平[3]。

圖1 航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)發(fā)展過程及趨勢

綜上可知，航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如圖1所示的過程。從狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷到預(yù)測與健康管理的逐步發(fā)展和完善過程，即早期階段的發(fā)動機健康管理系統(tǒng)以簡單的或基本的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的形式存在；之后狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)不斷發(fā)展成熟，逐步形成完善的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)；然后逐步與發(fā)動機壽命管理和預(yù)測技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展成為現(xiàn)代意義上完整的航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)。

2 國外航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的演變

美國是目前航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)技術(shù)水平最高的國家，其對發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的要求在美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中均有體現(xiàn)。由于健康管理系統(tǒng)早期主要以狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的形式存在，且狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷依然是現(xiàn)代健康管理系統(tǒng)的主要功能，因此標(biāo)準(zhǔn)中對狀態(tài)監(jiān)視或故障診斷系統(tǒng)的要求可以視作對健康管理系統(tǒng)的要求。

從美國航空發(fā)動機通用規(guī)范的歷史演化過程來看，隨著年代的推進和航空技術(shù)進展，美國一直在不間斷地更新通用規(guī)范的版本，這些版本均對發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)或健康監(jiān)視系統(tǒng)進行了不同程度的要求。表1中列出了美國航空發(fā)動機通用規(guī)范/指南各版本（即從MIL-E-5007D、MIL-E-5007E、JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A到JSSG-2007B）中關(guān)于發(fā)動機監(jiān)視、診斷與健康管理系統(tǒng)相關(guān)的章節(jié)內(nèi)容。從表1中可以看出，自MIL-E-5007D后才開始提出發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視的相關(guān)規(guī)定；MIL-E-5007D、MIL-E-5007E將狀態(tài)監(jiān)視、壽命計數(shù)器等要求放入“測試系統(tǒng)”章節(jié)中；隨著該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗的逐步積累，到JSGS-87231A提出了發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）的概念，到JSSG-2007A發(fā)展成為發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)（EHMS），到JSSG-2007B中進一步擴展為推進與動力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)（PPHMS）。

表1 美國航空發(fā)動機通用規(guī)范/指南各版本條款對比

除美軍標(biāo)外，美國SAE（機動車工程師協(xié)會）也發(fā)布了一系列燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及健康管理系統(tǒng)的設(shè)計、使用和維修。1981年SAE發(fā)布了ARP 1587《航空燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)指南》，該標(biāo)準(zhǔn)基于上世紀(jì)70年代的技術(shù)水平提出，當(dāng)時的技術(shù)遠遠落后于現(xiàn)在的技術(shù)水平。在經(jīng)歷了2次修訂換版后，2007年發(fā)布了ARP 1587B《航空燃氣渦輪發(fā)動機健康管理系統(tǒng)指南》，該標(biāo)準(zhǔn)對航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的要求是基于現(xiàn)代先進的電子和計算機技術(shù)水平提出的。ARP l587B給出了關(guān)于發(fā)動機健康管理系統(tǒng)最頂層的觀點，介紹了發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及概述、效益和能力，并提供了有參考價值的實例，展示了發(fā)動機健康管理系統(tǒng)可能的設(shè)計選擇，定義了一個廣義的發(fā)動機健康管理結(jié)構(gòu)。由于新式的發(fā)動機健康管理系統(tǒng)可包括預(yù)測能力，即根據(jù)探測到的發(fā)動機工作條件的變化預(yù)測何處發(fā)生故障，因此SAE協(xié)會編制了AIR 5871作為ARP l587B的配套標(biāo)準(zhǔn)，來滿足這方面的最新需求。AIR 5871介紹了關(guān)于發(fā)動機健康管理中預(yù)測與診斷技術(shù)的基礎(chǔ)要求及其應(yīng)用，在發(fā)動機健康管理系統(tǒng)應(yīng)用范圍內(nèi)提供了預(yù)測與診斷技術(shù)的清晰定義、研發(fā)途徑和應(yīng)用實例。

綜上可知，航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的演變過程與技術(shù)的演變過程類似，經(jīng)歷了從“測試系統(tǒng)”要求到“機載狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)”要求，最后到“健康管理系統(tǒng)”要求或“健康監(jiān)視系統(tǒng)”要求的發(fā)展歷程，下一步的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢是強調(diào)“預(yù)測”能力。

3 國內(nèi)航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展差距

國內(nèi)開展航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)的研究始于“八五”期間?，F(xiàn)役航空發(fā)動機僅具有狀態(tài)監(jiān)視功能，還不具備故障診斷功能，更不具備健康預(yù)測和壽命管理功能。目前多型在研發(fā)動機型號上具備了對發(fā)動機和數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、對數(shù)控系統(tǒng)的故障診斷和應(yīng)急處理以及數(shù)控系統(tǒng)重構(gòu)的功能，但并不具備對發(fā)動機的故障診斷、故障預(yù)測和壽命管理功能。隨著對發(fā)動機健康管理技術(shù)重視程度的不斷提高，相關(guān)科研單位陸續(xù)開展了探索研究工作，相關(guān)在研型號也已經(jīng)開展發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的工程實施工作；在氣路故障診斷方法、發(fā)動機振動監(jiān)測及其故障診斷系統(tǒng)的研究等方面，取得了一定的突破，但主要針對臺架試驗進行監(jiān)視和離線分析，至今尚未形成自主的可以投入使用的發(fā)動機健康管理系統(tǒng)。

與國外先進國家相比，我國在發(fā)動機健康管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展上存在較大差距。目前我國尚未建立起發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的設(shè)計體系，部分健康管理關(guān)鍵技術(shù)還停留在理論研究階段。在役軍用發(fā)動機主要靠座艙儀表指示參數(shù)或通過飛機參數(shù)記錄系統(tǒng)完成發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視，在民用發(fā)動機方面剛剛展開初步設(shè)計工作。在研發(fā)動機型號雖然已經(jīng)確定了健康管理系統(tǒng)方案，并開展了工程樣件的試制和相關(guān)試驗驗證工作，但氣路參數(shù)分析、故障診斷與預(yù)測、壽命管理等關(guān)鍵技術(shù)還未完全突破，主要原因是在研發(fā)動機沒有完備的發(fā)動機維護信息數(shù)據(jù)庫和故障特征數(shù)據(jù)庫，缺少工程實用的發(fā)動機機載模型，難以提高健康管理系統(tǒng)故障診斷的準(zhǔn)確率。同時，傳感器技術(shù)也限制了健康管理系統(tǒng)的功能和診斷精度。例如進出口異物檢測傳感器、滑油屑末檢測傳感器、滑油油品傳感器等先進傳感器在國外發(fā)動機健康管理系統(tǒng)中已經(jīng)得到成熟應(yīng)用，國內(nèi)上述先進傳感器技術(shù)尚未成熟，并且尚未經(jīng)過型號的實踐檢驗。

4 國內(nèi)航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展差距

目前我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中尚未明確提出發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的概念和要求，只在GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》等發(fā)動機頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中存在對“測試系統(tǒng)”或“狀態(tài)監(jiān)視”的相關(guān)要求。GJB 241A-2010在3.7.6“測試系統(tǒng)”中將原GJB 241-1987的3.7.6.1.2“發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控”修改為了“機載發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)”，規(guī)定了該系統(tǒng)的具體功能和組成，并要求具有機內(nèi)自檢測能力。GJB 241A-2010還增加了3.7.6.1.3“發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視用傳感器”，列出了為滿足狀態(tài)監(jiān)視要求，發(fā)動機傳感器應(yīng)提供的基本參數(shù)。此外，GJB 241A-2010還增加了3.9“測試性”要求，因為測試性是發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但縱觀GJB 241A-2010整個規(guī)范，其中的測試性、維修性要求還基于“定期維修”這一傳統(tǒng)維修方式，尚未列出目前已經(jīng)可用的機內(nèi)測試、故障診斷等方法。這與國內(nèi)目前在役發(fā)動機大多采用機械液壓控制器或模擬式電子控制器的實際現(xiàn)狀是相符的。但目前在研發(fā)動機型號均采用了FADEC系統(tǒng)，且明確提出了發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的研制要求，因此GJB 241A-2010已不能滿足在研發(fā)動機型號健康管理系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

除通用規(guī)范外，我國在上世紀(jì)90年代參照SAE協(xié)會ARP 1587等國外指南，編制并發(fā)布了HB/Z 286系列《航空燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計與實施指南》；此外還編制并發(fā)布了GJB 2875-1997《航空燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則》和GJB 3708-1999《軍用直升機發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)要求》等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)與指南基于我國上世紀(jì)90年代中后期的技術(shù)水平編制，主要側(cè)重于對系統(tǒng)概念、功能、成本分析和實施計劃等的說明，對于基于現(xiàn)代先進技術(shù)的健康管理系統(tǒng)來說，在概念、功能等方面具備一定的參考意義。在技術(shù)方面，這批標(biāo)準(zhǔn)和指南側(cè)重于機上監(jiān)視參數(shù)獲取、記錄和報警以及事后的地面分析檢測，與現(xiàn)代基于診斷與預(yù)測的健康管理系統(tǒng)設(shè)計理念有較大差距。此外這些標(biāo)準(zhǔn)與指南缺少對健康管理系統(tǒng)的具體要求與驗證方法，也未給出定量的指標(biāo)，可操作性較差，對我國在研型號健康管理系統(tǒng)研制工作的指導(dǎo)性較弱。

綜上可知，我國航空發(fā)動機通用規(guī)范的要求還處于“測試系統(tǒng)”或“狀態(tài)監(jiān)視”概念階段，尚未明確提出“健康管理系統(tǒng)”的概念及相關(guān)要求，從概念和頂層要求上落后于美國航空發(fā)動機通用規(guī)范提出的“健康監(jiān)視”或“健康管理”的相關(guān)要求。同時，缺乏航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)通用規(guī)范，導(dǎo)致在研型號健康管理系統(tǒng)研制過程中缺乏頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)，型號專用規(guī)范編制難度大，技術(shù)水平難以滿足研制需求，不能有效指導(dǎo)型號研制。此外，我國HB/Z 286系列標(biāo)準(zhǔn)主要參考早期的SAE標(biāo)準(zhǔn)制定，國外標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化過程存在著諸多技術(shù)不匹配等問題未能完全解決，使得HB/Z 286系列標(biāo)準(zhǔn)對型號研制的指導(dǎo)作用不強。

5 結(jié)論與建議

本文對國內(nèi)外航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)演變進行了研究，得出以下結(jié)論：

5.1 航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展是一個逐漸演變的過程，經(jīng)歷了從狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷到預(yù)測與健康管理的逐步發(fā)展和完善過程。

5.2 航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展也是一個逐漸演變的過程，并與技術(shù)的發(fā)展過程類似，經(jīng)歷了從“測試系統(tǒng)”要求到“機載狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)”要求，最后到“健康管理系統(tǒng)”要求或“健康監(jiān)視系統(tǒng)”要求的發(fā)展歷程，下一步的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢是強調(diào)“預(yù)測”能力；

5.3 我國航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)在氣路參數(shù)分析、故障診斷與預(yù)測、壽命管理和傳感器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面落后于國外先進國家，在先進概念、頂層要求和通用規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)方面也落后于國外先進國家，急需先進標(biāo)準(zhǔn)支撐型號研制和關(guān)鍵技術(shù)突破。

基于目前我國航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的技術(shù)研究和工程研制現(xiàn)狀和需求，建議從以下幾個方面開展相關(guān)研究：

深入了解用戶（或軍方）的使用需求，基于實際的需求制定健康管理系統(tǒng)總體方案；

做好航空發(fā)動機試驗，充分暴露發(fā)動機的故障，廣泛收集發(fā)動機故障信息，補充完善故障模式庫；

開展《航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)通用規(guī)范》及其配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制工作，形成完善的航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)國內(nèi)型號研制和關(guān)鍵技術(shù)突破。

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