結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)提高飛行器性能
——訪飛行器健康管理專家卿新林教授

本刊記者 李 丹

卿新林 Qing Xinlin

國家“千人計劃”專家

Expert of Thousand Talents Plan

廈門大學(xué)航空航天學(xué)院教授

Professor of Aerospace Engineering,Xiamen University

清華大學(xué)航空航天學(xué)院（原工程力學(xué)系）博士，美國斯坦福大學(xué)航空航天系博士后，第六批中央“千人計劃”國家特聘專家，國家外專局高端外專項目《大型客機項目》入選者。現(xiàn)任廈門大學(xué)航空航天學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師、飛行器健康管理研究團隊負責(zé)人；曾任中國商飛公司特聘研究員、北京研究中心民機健康管理研究部負責(zé)人。主要學(xué)術(shù)兼職有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測國際航空工業(yè)指導(dǎo)委員會技術(shù)委員會理事，中國儀器儀表學(xué)會設(shè)備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警分會副理事長，民機結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員，上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)中心技術(shù)委員會委員，西北工業(yè)大學(xué)講座教授、博士生導(dǎo)師。發(fā)表論文130多篇，獲得美國授權(quán)發(fā)明專利16項。

：您是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的專家，尤其是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，請為我們簡要地介紹一下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在先進復(fù)合材料中應(yīng)用的重要性和前景。

卿新林：飛行器結(jié)構(gòu)正朝著大型化與智能化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的大型化與智能化對材料性能提出了更為嚴格的要求，不僅要求材料具有更高的強度和剛度以減輕結(jié)構(gòu)重量，同時要求材料在特殊服役條件下具有特殊的性能。先進復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、材料力學(xué)性能可設(shè)計、易于整體成型等優(yōu)點，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計的最理想材料，在飛行器結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的特點及所受載荷和使用環(huán)境的復(fù)雜性，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性與耐久性分析變得非常困難?，F(xiàn)有的設(shè)計、制造與檢測技術(shù)都存在不少限制，復(fù)合材料的優(yōu)越性能在大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上還遠沒有得以充分發(fā)揮，其應(yīng)用增長速度及所帶來的經(jīng)濟效益與復(fù)合材料所能提供的優(yōu)越性能還不匹配。

類似于人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)。通過在結(jié)構(gòu)上內(nèi)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)、操作以及服役環(huán)境等信息，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果可進一步用于結(jié)構(gòu)健康狀況預(yù)判及輔助相應(yīng)的控制決策，建立基于結(jié)構(gòu)實際健康狀況與性能的視情維護策略。在民用航空領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)被視為保障復(fù)合材料大量使用和提高飛行安全性、降低維護費用的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、服役到維護修理的全壽命周期中都具有重要作用。

首先，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役過程的損傷檢測提供有效的技術(shù)手段。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷模式具有不易被觀察與檢測的特點，如果這些損傷/破壞在產(chǎn)生的初期不能被使用者與維護者及時發(fā)現(xiàn)，就有可能導(dǎo)致突發(fā)性破壞，造成結(jié)構(gòu)失效，引起意想不到的災(zāi)難性事故?，F(xiàn)有的無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測中可以發(fā)揮一定的作用，但這些技術(shù)無法對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進行實時監(jiān)測，現(xiàn)場檢測局限性大，無法檢測隱藏部位的損傷，人工干預(yù)多，人為因素影響大，且非常費時,特別是現(xiàn)代飛機的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，大型民機復(fù)合材料機翼壁板長達十幾米甚至幾十米，現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)不僅檢測成本相當(dāng)高昂，而且檢測速度和效率都將難以滿足制造商、客戶及維護部門的要求。與現(xiàn)有無損檢測技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)、人為干預(yù)少、無需進入被檢測區(qū)域。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是變革飛行器傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)維護策略、實現(xiàn)視情維護的基礎(chǔ)，基于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)的視情維護將保證維護工作的科學(xué)性，避免維護過?；蛘呔S護不足現(xiàn)象，使維護任務(wù)處于合理狀態(tài)，是新一代飛行器維護技術(shù)的發(fā)展趨勢。特別是基于結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測的預(yù)測維修將使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護管理更加積極主動、提前介入，以進一步提高飛行器的安全性和經(jīng)濟性。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過程中可以發(fā)揮重要作用。制造成本過高與產(chǎn)能太低是大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中需要解決的主要問題，這也是工信部在智能制造2025中要解決的關(guān)鍵問題。比如，復(fù)合材料樹脂傳遞成型（RTM）制造工藝在復(fù)雜大型三維結(jié)構(gòu)制造方面具有低成本與大批量生產(chǎn)的潛力，但目前缺少對RTM工藝過程的實時監(jiān)控，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在RTM制造工藝中能夠?qū)崟r確定三維樹脂流動前沿，檢測孔洞和異物，監(jiān)測局部材料特性和固化度，并提供樹脂流動、固化和缺陷緩解的主動反饋優(yōu)化控制技術(shù)，從而提高質(zhì)量、增加產(chǎn)量、降低成本和廢品率，實現(xiàn)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的智能制造。

我之前總會認為，在越野活動中，速度應(yīng)該遠排在駕駛技巧或者車輛通過性這些因素的后面，但全新AMG G 63卻用實際行動告訴我，速度在很多時候同樣重要。雖然每次短暫休息時，發(fā)動機艙內(nèi)的風(fēng)扇都會用巨大的轟鳴聲告訴我這套動力總成和驅(qū)動系統(tǒng)剛才是有多么努力，但當(dāng)我再次在積雪中磨煉自己的雙手和雙腳時，它們卻總會給我提供最為可靠和充沛的前進力量。

同時，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在基于損傷容限的結(jié)構(gòu)設(shè)計中可為結(jié)構(gòu)減重提供技術(shù)支撐?，F(xiàn)有假設(shè)隱藏損傷存在于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的保守設(shè)計方法未能使復(fù)合材料的優(yōu)越性能得到充分的利用，由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供結(jié)構(gòu)在整個服役過程中的健康狀態(tài)，微小損傷能得到及早發(fā)現(xiàn)并及時維修，從而改進基于目視檢測的損傷容限設(shè)計理念。

：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如何？您所帶領(lǐng)的團隊作了哪些研究工作？

卿新林：美歐國家非常重視航空航天工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究，到目前為止，無論是在基礎(chǔ)理論研究，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，還是裝機驗證及實際應(yīng)用，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)都取得重要進展，在美國NASA及DOD的多個研究項目中都采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。在民用航空領(lǐng)域，波音、空客、巴西航空、龐巴迪等公司也非常重視結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，他們一方面不斷獲取新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，一方面開展技術(shù)成熟度較高的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的裝機驗證，比如他們幾年前就開始了基于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的飛行驗證試驗，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在民機結(jié)構(gòu)（特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）上的推廣應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。

國內(nèi)學(xué)者在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一些單項技術(shù)原理性研究方面一直緊跟美歐國家，取得了一批有重要影響的學(xué)術(shù)成果。近年來，國內(nèi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究突飛猛進，在某些方面，已經(jīng)處于國際先進水平。由中航工業(yè)飛機強度研究所牽頭承擔(dān)的工信部民機預(yù)研項目民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)對撞擊載荷與損傷的監(jiān)測、光纖應(yīng)變測量的基本原理進行了大量研究，提高了這一技術(shù)的成熟度。中國商飛公司北京研究中心在工信部民機預(yù)研專項以及北京市科委等的支持下，協(xié)同南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)以及中國商飛公司客戶服務(wù)中心等對大型民機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的體系構(gòu)架與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)進行了大量研究，提出并建立了大型客機集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)架，奠定了基于分布式傳感器陣列的大型民機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)；根據(jù)大型民機未來運營維護技術(shù)支援的需求，建立了大型民機結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)庫框架，提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)實施流程和基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)的視情維護策略。這些工作為民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)進一步研發(fā)與應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

盡管國內(nèi)在軍機上對基于壓電傳感器、光纖傳感器以及智能涂層等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)進行了少量的裝機驗證，但到目前為止，還沒有開展任何形式的民機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)飛行驗證試驗。國內(nèi)迫切需要利用各種可能的資源，在不斷研究新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的同時，開展成熟度較高的民機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的飛行驗證，進一步提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的技術(shù)成熟度，盡快推廣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，為保證國產(chǎn)大型民機的安全低成本運營、提高市場競爭力提供技術(shù)支持。

本人自2010年10月回國加盟中國商飛公司北京研究中心后，在工信部民機預(yù)研專項、國家自然科學(xué)基金和863計劃等的資助下，和團隊成員一起對大型民機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的體系構(gòu)架與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)進行了大量研究，提出了提高壓電傳感器高應(yīng)變承受能力的預(yù)壓應(yīng)力法和應(yīng)變傳遞方式優(yōu)化法，發(fā)展了大型傳感器陣列技術(shù)、主被動一體化監(jiān)測技術(shù)以及多功能信息處理技術(shù)，建立了集主被動傳感為一體的定量化和高可靠性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)建了大型民機集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)試驗與驗證平臺；同時對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的前沿技術(shù)開展了一些探索，比如提出和發(fā)展分布式多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測技術(shù)、智能螺栓技術(shù)等。

目前，我所在的廈門大學(xué)飛行器健康管理研究團隊正在開展飛行器全壽命周期的健康管理研究，主要包括先進傳感技術(shù)、復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)以及發(fā)動機的健康監(jiān)測與安全評定，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的視情維護策略以及先進維修技術(shù)的研究。

：航空領(lǐng)域國內(nèi)外的主要差距在哪些方面？從您的研究領(lǐng)域來看還有哪些技術(shù)需要攻克？

卿新林：在民用航空領(lǐng)域，近幾年國內(nèi)取得了很多重要進展，比如ARJ21交付使用、C919成功總裝下線、遠程寬體客機研制即將開展。但無可否認，國內(nèi)航空領(lǐng)域與美國相比還存在較為明顯的差距，這種差距主要體現(xiàn)在兩個方面：一是關(guān)鍵技術(shù)與經(jīng)驗的擁有，一是技術(shù)創(chuàng)新。比如，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上，先進設(shè)計分析手段及技術(shù)體系缺乏，高性能材料體系未充分驗證，制造技術(shù)自動化程度低，結(jié)構(gòu)維護保障技術(shù)體系不足，適航經(jīng)驗缺乏。在新技術(shù)的應(yīng)用上，國際上的主要航空公司都非常重視技術(shù)創(chuàng)新，比如空客公司甚至提出Innovation to Business （I2B）的理念，他們投入大量人力物力支持技術(shù)創(chuàng)新。而我們在民用航空領(lǐng)域主要是跟蹤和研究波音、空客公司已經(jīng)在使用的成熟技術(shù)，對他們正在研究并在未來型號上有很好應(yīng)用前景的新技術(shù)的關(guān)注與研究投入很少。

在我所從事的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康管理領(lǐng)域，目前需要攻克的主要技術(shù)難題是發(fā)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從“生”到“老”的全壽命周期健康管理技術(shù)。包括在“生”——制造階段，如何實現(xiàn)自主性和智能性，以確保結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量；在服役階段至“老”——修補階段，如何有效監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，充分發(fā)揮其潛在效益。具體說來，就是要以分布式多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，發(fā)展基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、壽命預(yù)測和維護新方法，創(chuàng)建面向飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命周期健康監(jiān)控的決策支持基礎(chǔ)理論。攻克這些難題可徹底改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、制造工藝以及檢測與維護技術(shù)，對于實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化、充分利用復(fù)合材料的優(yōu)越性能、大幅降低復(fù)合材料制造與運營維護成本具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。

：在國家各項政策的支持下，飛行器健康管理將會迎來怎樣的發(fā)展機遇？

卿新林：在“十三五”規(guī)劃提出的國家計劃實施100個重大工程及項目中，多個項目涉及到航空航天領(lǐng)域，這對我們航空航天領(lǐng)域的科技工作者來說，無疑是一個自己施展才華同時也為國家貢獻力量的極好機會。需要特別提出的是，在工信部于2015年10月30日中發(fā)布的《中國制造2025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，明確將“突破飛行器健康管理瓶頸技術(shù)，實現(xiàn)在新裝備上的初步應(yīng)用；提高健康管理的智能化、綜合化水平，建立以網(wǎng)絡(luò)為中心的智能化服務(wù)保障體系”作為“航空航天裝備—飛機”領(lǐng)域的5個關(guān)鍵共性技術(shù)之一；將“先進健康管理系統(tǒng)整機驗證；主動綜合控制的健康管理系統(tǒng)和整機驗證”作為“航空航天裝備—航空發(fā)動機”的7個關(guān)鍵零部件之一。毫無疑問，在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi),飛行器健康管理將是航空航天領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。