航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）是指最大限度地利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同的數(shù)據(jù)資源，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障進(jìn)行診斷、健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而增強(qiáng)飛行任務(wù)的安全性、可靠性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維護(hù)費(fèi)用和維修時(shí)間。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理發(fā)展過(guò)程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）系統(tǒng)經(jīng)歷了從狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷到預(yù)測(cè)與健康管理的逐步發(fā)展和完善過(guò)程。

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的發(fā)展

美國(guó)在20世紀(jì)60年代末開(kāi)始研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代開(kāi)始在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用并取得成功，提高了飛行安全和航班運(yùn)營(yíng)效率。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也大大促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

到21世紀(jì)初，歐美等國(guó)在波音787、空客A380項(xiàng)目中提出并實(shí)施了預(yù)測(cè)與健康管理概念，標(biāo)志著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的視情維修和安全性、維修性與經(jīng)濟(jì)性監(jiān)視已進(jìn)入了一個(gè)新的階段。GE公司的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)和羅羅公司的遄達(dá)900發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的健康管理系統(tǒng)是現(xiàn)代EHM系統(tǒng)的典型代表，由機(jī)載部分與地面部分共同組成。該健康管理系統(tǒng)功能高度集成，機(jī)載部分首次采用在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝的方式并借助飛機(jī)通信尋址和報(bào)告系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷，這些特征也是近幾年EHM系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的發(fā)展

GE公司1969年開(kāi)始研制的T700-GE-700和T700-GE-701渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已能進(jìn)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)由數(shù)字電子控制器（DECU）和機(jī)械液壓裝置（HMU）組成，并配置一個(gè)歷史記錄儀，其健康監(jiān)視功能主要由DECU及歷史記錄儀實(shí)現(xiàn)。此外，GE公司在1979年開(kāi)始為F404-GE-400渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)（IECMS）是一個(gè)實(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)日益成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置。

普惠公司自1982年開(kāi)始發(fā)展F100-PW-200發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，到1987年該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與飛機(jī)綜合與后勤數(shù)據(jù)庫(kù)的兼容，系統(tǒng)繼續(xù)得到擴(kuò)大和改進(jìn)。美國(guó)空軍的發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)可管理所有類型的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，其擴(kuò)展型增加了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)趨勢(shì)分析，并向全世界100個(gè)空軍基地提供發(fā)動(dòng)機(jī)診斷和趨勢(shì)分析功能軟件。

20世紀(jì)80年代末90年代初，歐洲四國(guó)開(kāi)始聯(lián)合研制先進(jìn)雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)EJ200，該發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求中除了強(qiáng)調(diào)高推重比和低耗油率之外，特別強(qiáng)調(diào)高可靠性、耐久性和維修性以及全生命周期費(fèi)用的降低，因此對(duì)EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)提出了狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷能力的要求。事實(shí)上，EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)具有的狀態(tài)監(jiān)視功能已經(jīng)比較完善，但其功能并非由EHM系統(tǒng)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，而是集成在全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)中，由FADEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷功能。

作為美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22的配套動(dòng)力，普惠公司為F119發(fā)動(dòng)機(jī)研制了診斷與健康管理（DHM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)除具有狀態(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(méi)有達(dá)到足夠的診斷精度，也未規(guī)定明確的考核指標(biāo)。

F135發(fā)動(dòng)機(jī)是在F119發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，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(cè)的要求，并且也具備了一定的預(yù)測(cè)能力。預(yù)測(cè)是EHM系統(tǒng)區(qū)別于以往發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視診斷系統(tǒng)的顯著特征之一。為此，普惠公司投入了大量資源，開(kāi)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。EHM技術(shù)在F135發(fā)動(dòng)機(jī)研制中得到充分應(yīng)用，代表了美軍目前基于狀態(tài)的維修（CBM）技術(shù)所能達(dá)到的最高水平。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系分析

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，同時(shí)又是規(guī)范發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理工作的技術(shù)依據(jù)。美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）航空航天推進(jìn)系統(tǒng)健康管理技術(shù)委員會(huì)組織編制了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理方法的系列標(biāo)準(zhǔn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中有關(guān)健康管理的規(guī)定

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，美國(guó)編制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范（MIL-E-5007、8593），經(jīng)過(guò)歷次修訂、換版，直到2011年發(fā)布了JSSG-2007C《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范指南》，見(jiàn)圖1。自MIL-E-5007D開(kāi)始提出發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視的相關(guān)規(guī)定，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，在JSGS-87231A中提出了發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）的概念，在JSSG-2007A中發(fā)展成為發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)（EHMS），在JSSG-2007B中進(jìn)一步擴(kuò)展為推進(jìn)與動(dòng)力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)（PPHMS）。

從美國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范的發(fā)展歷史來(lái)看，均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)提出了不同程度的要求并逐步完善。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，通用規(guī)范也在不斷修改和更新，其技術(shù)要求和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)生了很大變化，也體現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)基本技術(shù)要求，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用等工作有章可循。通用規(guī)范是發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制工作的指導(dǎo)性文件和研制依據(jù)，也是使用方驗(yàn)收發(fā)動(dòng)機(jī)的重要驗(yàn)收依據(jù)。根據(jù)各具體型號(hào)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)通用規(guī)范的剪裁，便可形成具體的航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范。

在我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范GJB 241A—2010《航空渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》和GJB 242A—2018《航空渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》修訂過(guò)程中，均在原有機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，明確了應(yīng)具備超限報(bào)警、振動(dòng)分析、性能惡化趨勢(shì)分析等故障分析、檢測(cè)和預(yù)警功能。

圖 1 通用規(guī)范發(fā)展歷程

SAE有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理方法標(biāo)準(zhǔn)

為了指導(dǎo)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用和維修，SAE航空航天理事會(huì)推進(jìn)系統(tǒng)分部下設(shè)的航空航天推進(jìn)系統(tǒng)健康管理技術(shù)委員會(huì)（E-32）發(fā)布了31項(xiàng)關(guān)于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理的系列標(biāo)準(zhǔn)。

1981年，SAE發(fā)布了ARP 1587《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)指南》，當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)還處于高速發(fā)展階段，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品還比較落后，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度還很低，輸入輸出設(shè)備還很笨重。ARP 1587對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的要求也是基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平提出的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)在的健康管理技術(shù)水平。2007年，E-32修訂出版了ARP 1587B《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)指南》，其中對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的要求是基于現(xiàn)代先進(jìn)的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)水平提出的。ARP l587B給出了關(guān)于EHM系統(tǒng)最頂層的觀點(diǎn)，介紹了EHM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(jià)值的實(shí)例，展示了EHM系統(tǒng)可能的設(shè)計(jì)選擇，定義了一個(gè)廣義的EHM結(jié)構(gòu)。

由于新式的發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)可包括預(yù)測(cè)診斷能力，即根據(jù)探測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件的變化預(yù)見(jiàn)何處發(fā)生故障，AIR 5871《燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)》的編制滿足了這方面的最新需求，是ARP l587B的配套標(biāo)準(zhǔn)。

2008年頒布的AIR 4061B《典型發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)功能與飛機(jī)系統(tǒng)集成指南》則為EHM系統(tǒng)的功能與飛機(jī)系統(tǒng)（包括其主動(dòng)力和其他輔助動(dòng)力單元（APU））的集成提供了最好的實(shí)行準(zhǔn)則。AIR 4061B提供了典型EHM功能集成的概述，提出了與不同飛機(jī)集成時(shí)的一些系統(tǒng)變化，給出了涉及集成的總體考慮建議。通過(guò)展示EHM參數(shù)矩陣介紹了典型的EHM系統(tǒng)可能涉及的典型參數(shù)類型，提出了信號(hào)和數(shù)據(jù)處理與檢索的認(rèn)識(shí)，并提出了典型EHM參數(shù)的功能要求，詳細(xì)描述了軍用和商用方面的實(shí)施。

發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）系統(tǒng)的組成

按照SAE ARP 1587B《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)指南》的描述，EHM系統(tǒng)包括4個(gè)重要組成部分：征兆、診斷、預(yù)測(cè)和規(guī)定措施，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 EHM的構(gòu)成要素

征兆

EHM的第一個(gè)要素是“征兆”，闡明EHM第一階段的工作，就是要了解當(dāng)前情況并能識(shí)別出異常征兆。

識(shí)別“征兆”可以結(jié)合以下兩個(gè)步驟：第一步就是綜合每個(gè)部件使用和損傷的歷史記錄來(lái)評(píng)估當(dāng)前情況；第二步是通過(guò)監(jiān)測(cè)某一部件的特性或輸出參數(shù)來(lái)判斷，包括監(jiān)視振動(dòng)水平、磨損屑末。通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定該狀態(tài)是否正常。

診斷

EHM的第二個(gè)要素是“診斷”，它是征兆分析過(guò)程，目的是掌握故障原因。由于當(dāng)前狀態(tài)診斷存在不確定性，還需進(jìn)行故障追蹤和隔離技術(shù)來(lái)判斷潛在的故障原因。故障原因越復(fù)雜，要找到根本原因所進(jìn)行的分析就越多。此外，如果一個(gè)故障征兆需要特殊的診斷工作，也就意味著該故障很復(fù)雜并且預(yù)測(cè)很困難，為此應(yīng)將各種問(wèn)題通過(guò)故障模式影響及危害性分析（FMECA）進(jìn)行判斷。

預(yù)測(cè)

EHM的第三個(gè)要素是“判斷在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將達(dá)到什么程度”。實(shí)質(zhì)上就是預(yù)測(cè)哪里正在發(fā)生惡化，或者何時(shí)會(huì)發(fā)生什么故障或者失效現(xiàn)象。這也說(shuō)明有必要確認(rèn)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，它是否會(huì)對(duì)飛機(jī)安全完成任務(wù)的能力產(chǎn)生關(guān)鍵影響。例如，在渦輪或者壓氣機(jī)葉片允許的損傷容限內(nèi)，預(yù)測(cè)工作就是確認(rèn)葉片可以在下一個(gè)計(jì)劃中的孔探儀檢查之前持續(xù)工作。未來(lái)的目標(biāo)就是做出越來(lái)越多的精確預(yù)測(cè)，減少對(duì)規(guī)定時(shí)間的手工檢查和檢測(cè)的依賴。

規(guī)定措施

EHM的最后也是最關(guān)鍵的一個(gè)要素是“決定要怎么處理這個(gè)故障征兆的一個(gè)過(guò)程”。如果該征兆是由一個(gè)特定的故障引起的，處理方式就是已經(jīng)事先規(guī)定好的。與診斷過(guò)程相似，規(guī)定處理過(guò)程也可以被分為不同等級(jí)。對(duì)于一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，處理結(jié)果可能是一個(gè)單純的維護(hù)決定，也可能是更換一個(gè)部件或者整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。另一方面就是追蹤處理措施的完成情況，確定采取的措施已經(jīng)消除了故障征兆，確認(rèn)診斷或加強(qiáng)了預(yù)測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣、狀態(tài)多變，屬于故障多發(fā)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，能及早地發(fā)現(xiàn)故障前兆，從而增加飛行的安全性。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，可以選擇正確的維護(hù)方法，減少無(wú)故障的檢查，從而減少維護(hù)費(fèi)用。隨著健康管理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求也逐漸向故障診斷和預(yù)測(cè)延伸，以滿足實(shí)際使用需求，進(jìn)而推動(dòng)和引導(dǎo)健康管理系統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)完善。