結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)飛行應(yīng)用的若干問題與關(guān)鍵技術(shù)

高麗敏 楊海楠 趙琳 馬超 龐煒涵 魯明宇 張君一 朱凱歌

摘要：在民機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、飛行及地面維護(hù)的全生命周期，特別是在地面試驗(yàn)與飛行測試中，越來越需要通過采集與處理能反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析。為了推進(jìn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，本文對傳感器、黏結(jié)劑、線纜、接頭和設(shè)備的設(shè)計(jì)及安裝等方面進(jìn)行了研究，分析了系統(tǒng)的性能、環(huán)境、安全性、可靠性和維修性要求，提出了實(shí)現(xiàn)飛行應(yīng)用所需要完成的工作及部分應(yīng)對策略，以期解決結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在民機(jī)應(yīng)用方面的問題，推動其在飛行測試及型號中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測；飛行應(yīng)用；環(huán)境要求；可靠性；安全性；維修性

中圖分類號：V241.01文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.012

近年來，隨著結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的成熟，各飛機(jī)制造商在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的地面試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)工作。波音公司在進(jìn)行全尺寸疲勞測試中應(yīng)用了多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測傳感器。達(dá)美航空公司運(yùn)營的7架波音737客機(jī)上裝備了傳感器用以監(jiān)測中央翼盒鋁合金配件的裂紋?？湛蛯350XWB開展了多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測方法的飛行驗(yàn)證，包括艙門復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)的沖擊實(shí)時(shí)監(jiān)測、垂尾平面連接螺釘?shù)睦祛A(yù)應(yīng)力監(jiān)測、水平安定面的載荷監(jiān)測等，并在2013年首飛的A350上安裝了壓電傳感器，驗(yàn)證傳感器的生存能力和監(jiān)測能力。中國商飛在地面和飛行試驗(yàn)中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的驗(yàn)證，并正在論證結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用場景和具體需求。在ARJ21-700飛機(jī)試飛中，利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的飛行載荷監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)減載優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。目前來看，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證階段逐步走向飛機(jī)地面測試及試飛應(yīng)用中。

從民用飛機(jī)應(yīng)用的角度，本文將對結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)民機(jī)應(yīng)用中涉及的傳感器、黏結(jié)劑、線纜、接頭及設(shè)備等若干應(yīng)用問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要的分析。由于監(jiān)測對象及要求不同，如應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測與損傷監(jiān)測的具體要求差別很大，監(jiān)測算法完全不同，算法及軟件問題將不在文中討論。無論監(jiān)測對象及監(jiān)測要求如何變化，軟件均需要遵守RTCA/DO-178《機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備認(rèn)證中的軟件考慮因素》等要求。

1傳感器及其黏結(jié)劑要求

當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器多以黏結(jié)的方式集成到飛機(jī)上，在飛機(jī)實(shí)際的使用過程中經(jīng)歷的環(huán)境條件與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件相同。傳感器和黏結(jié)劑需要滿足機(jī)載性能、環(huán)境、安全等方面的要求，從而確保傳感器能夠在各種可預(yù)期的運(yùn)行條件下以一定的可靠性置信度完成預(yù)定功能。采用永久的方式集成結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測傳感器是此領(lǐng)域近年來研究的熱點(diǎn)之一，但其對結(jié)構(gòu)本身的影響及應(yīng)用還有很多問題未闡述清楚，需要進(jìn)行大量的地面和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1性能要求

傳感器精度誤差通常是線性度、遲滯和重復(fù)性等參數(shù)的綜合指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析大量傳感測量結(jié)果，為了準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，傳感器在一段較長時(shí)間內(nèi)保持其最大誤差不得高于3%，以滿足機(jī)載測試要求。

用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測的一些傳感器受環(huán)境溫度變化的影響顯著，需要采取溫度補(bǔ)償?shù)确椒ǎ蕴岣弑O(jiān)測的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。溫度補(bǔ)償與標(biāo)定系數(shù)的精度對監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響。例如，采用光纖傳感器進(jìn)行載荷或應(yīng)變監(jiān)測時(shí)，在被測結(jié)構(gòu)上粘貼光纖溫度傳感器進(jìn)行溫補(bǔ)，通過地面標(biāo)定試驗(yàn)，測得光纖傳感器擬合度不低于0.999，對大量傳感測量數(shù)據(jù)分析，傳感器輸出與輸入之間呈較好線性關(guān)系并可滿足機(jī)載測試需求。采用壓電傳感器進(jìn)行損傷監(jiān)測時(shí)，通過地面標(biāo)定試驗(yàn)，測得壓電傳感器補(bǔ)償后與基準(zhǔn)信號相對誤差不得大于-30dB，以保證機(jī)載環(huán)境下識別損傷位置和大小的準(zhǔn)確性。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)隨著環(huán)境侵蝕、材料老化和載荷的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等多種因素的相互作用，將不可避免地導(dǎo)致傳感器的損傷。傳感器損壞或脫黏造成信號異常，則會直接導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。所以傳感器的維護(hù)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效運(yùn)行極為重要。傳感器失效包括傳感器破損、傳輸線路故障、傳感器膠層質(zhì)量退化等。傳感器線路故障以及傳感器損壞，主要通過傳感器信號消失來進(jìn)行判斷，需要將受到損壞的傳感器進(jìn)行替換；傳感器膠層質(zhì)量的診斷基于傳感器信號參數(shù)的正常與否，信號異常說明粘貼不均勻或脫膠，可以通過重新黏結(jié)進(jìn)行修復(fù)。

傳感器的黏結(jié)劑選擇時(shí)，需要選擇與被測結(jié)構(gòu)性能相容的黏結(jié)劑。為保證粘貼于飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面的傳感器在使用中免于脫落，黏結(jié)劑應(yīng)該具備良好的延伸性，當(dāng)被測結(jié)構(gòu)受環(huán)境應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)變時(shí)，以維持傳感器的黏結(jié)安全和正常使用。建議選取可在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化并與傳感器集成的黏結(jié)劑，不需使用高溫固化或紫外固化等額外條件。

1.2環(huán)境要求

傳感器及黏結(jié)劑的環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)滿足被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境要求，考慮到民用飛機(jī)的服役環(huán)境，具體包括高低溫、濕熱、振動、沖擊、低氣壓、鹽霧、吹沙塵、霉菌、流體敏感性等環(huán)境要求[1-2]，見表1。針對表1中的每一項(xiàng)環(huán)境要求，均需要完成一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，證明傳感器與黏結(jié)劑的組合可以在上述環(huán)境條件下正常工作。以隨機(jī)振動為例，傳感器及其黏結(jié)劑需完成的隨機(jī)振動環(huán)境條件見表2。

1.3可靠性要求

傳感器和黏結(jié)劑的可靠性應(yīng)滿足在飛機(jī)服役中預(yù)期的環(huán)境條件（如溫度和濕度的影響）下，仍能使用較長時(shí)間而不發(fā)生失效，且長期保持良好的使用性能，即質(zhì)量穩(wěn)定性，具備較強(qiáng)的抗破壞能力，從而維持傳感器及黏結(jié)劑安全和正常使用。傳感器和黏結(jié)劑的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證依據(jù)GJB899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》[3]和HB6139—1987《航空機(jī)載設(shè)備可靠性試驗(yàn)（鑒定和驗(yàn)收）》[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。傳感器和黏結(jié)劑的可靠性評估，必須結(jié)合試驗(yàn)依據(jù)和服役經(jīng)驗(yàn)支持的重復(fù)載荷和靜力分析，以確定因綜合環(huán)境、疲勞、意外損傷引起的傳感器和黏結(jié)劑預(yù)期的損傷部位和損傷模式，從而建立可靠性壽命統(tǒng)計(jì)模型，預(yù)測傳感器和黏結(jié)劑的壽命。

1.4安全性要求

為了保證飛行安全，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)必須滿足一定的安全性要求，對于傳感器及黏結(jié)劑，閃電防護(hù)和阻燃性要求是其中需要重點(diǎn)考慮的。

傳感器設(shè)計(jì)必須滿足民機(jī)的閃電防護(hù)要求，不致因閃擊而危及飛機(jī)，或具有可接受的分流措施將產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機(jī)。傳感器中的金屬組件應(yīng)合適地搭接到飛機(jī)機(jī)體上（包括機(jī)體外部和機(jī)體內(nèi)部），而傳感器中非金屬組件的設(shè)計(jì)可將產(chǎn)生的電流分流，同時(shí)必須保證飛機(jī)閃電防護(hù)功能的有效性。此外，傳感器及其黏結(jié)劑需要滿足民機(jī)阻燃性的要求。阻燃性表示材料阻止延續(xù)燃燒的程度，旨在通過各種不同的物理和化學(xué)方法防止或減緩點(diǎn)火的進(jìn)一步發(fā)展。傳感器及黏結(jié)劑材料的阻燃防火性需要滿足CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中D分部“設(shè)計(jì)與構(gòu)造”中防火部分中飛機(jī)材料燃燒測試的要求[5]。目前主要通過燃燒速率和極限氧指數(shù)評判阻燃性能。

2線纜及接頭要求

與傳感器相同，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器和設(shè)備之間的線纜及接頭也需要滿足各項(xiàng)機(jī)載方面的要求，從而確保線纜及接頭能夠配合整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)正常完成預(yù)期的工作。由于線纜及接頭與傳感器直接相連，所以其需要滿足的環(huán)境和可靠性要求與傳感器相似，本節(jié)著重介紹性能、安全性和維修性要求。

2.1性能要求

在傳感器集成和組網(wǎng)中，傳感器之間、傳感器與分路器之間、傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間線纜的選擇非常關(guān)鍵，既要保護(hù)內(nèi)部傳輸線，又要輕便，盡量減小附加質(zhì)量。傳感器走線過程中通常需要滿足環(huán)境、曲率、布線空間等要求，為此，傳感器傳輸線纜需要滿足以下特點(diǎn)：（1）柔軟性強(qiáng)、易于彎折；（2）直徑小、重量（質(zhì)量）輕；（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、耐高低溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、阻燃性好、低熱膨脹、高抗蠕變；（4）布置方便、可操作性強(qiáng)等。

同樣，傳感器之間的連接及傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的接頭也是工程應(yīng)用中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在降低損耗的同時(shí)考慮布置足夠的冗余和快速維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)快速可靠的插接方式，形成不同應(yīng)用特點(diǎn)的分線形式，避免信號的損耗，提高安裝和更換維護(hù)的效率。針對結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測對象在飛行工作時(shí)的環(huán)境條件，傳感器接頭在環(huán)境適應(yīng)性、防水性能等方面需滿足以下特點(diǎn)：尺寸小、密封防水、操作快捷方便等。

2.2安全性要求

根據(jù)CCAR-25-R4，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的線纜和接頭屬于電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS），所以線纜和接頭的安全性要求，需要符合CCAR-25-R4中H分部“電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）”中的相關(guān)要求。線纜和接頭要與飛機(jī)結(jié)構(gòu)和其他機(jī)載系統(tǒng)具有適當(dāng)?shù)奈锢砗碗姎飧綦x，以保證線纜和接頭不會發(fā)生摩擦和卡阻，不會影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)正常作動，也不會發(fā)生電氣干擾，以使其對整機(jī)或系統(tǒng)的危險(xiǎn)影響的可能性降至最低。即使線纜和接頭發(fā)生物理和功能失效，也不能對飛機(jī)安全性造成負(fù)面影響。此外，要求線纜和接頭本身以及為其提供保護(hù)的材料必須是阻燃和耐火的。

2.3維修性要求

飛機(jī)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境變化及飛機(jī)的振動等條件可能使線纜及接頭受到損壞。線纜及接頭的維修性設(shè)計(jì)應(yīng)可以使系統(tǒng)便于進(jìn)行信號快速檢查，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障源頭，若線纜及接頭發(fā)生故障，應(yīng)可及時(shí)安裝備份線纜及接頭，保障狀態(tài)監(jiān)測功能的正常工作。為此，航空插拔式接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)由端面上左右兩個(gè)導(dǎo)引孔與導(dǎo)引針進(jìn)行定位對中，實(shí)現(xiàn)信號傳輸線路的快速正確對接，便于安裝與維護(hù)。

另外，考慮到故障診斷性能和維護(hù)維修性能，以便更換發(fā)生故障的線纜段，傳輸線纜應(yīng)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，對于設(shè)備安裝在電子電氣設(shè)備艙中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其線纜至少應(yīng)包括：傳感器引出線，由被監(jiān)測結(jié)構(gòu)到穿艙處、穿艙段、穿艙后與設(shè)備連接段等，如圖1所示。

3設(shè)備要求

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，人機(jī)界面、圖像用戶界面和指定的數(shù)據(jù)采集控制，進(jìn)而能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)輸出和自診斷等。輸出的數(shù)據(jù)傳送至結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析軟件，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析。

總體來講，飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有如下特點(diǎn)：可靠性高、外形尺寸小、重量輕、成本低、工作穩(wěn)定性不受其周圍環(huán)境（如壓力、溫度和濕度等）變化的影響，不受飛機(jī)機(jī)動、振動和加速度的影響[6-7]。

3.1性能要求

在性能方面，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備在全飛行包線內(nèi)應(yīng)具備能夠通過采集和分析獲取的數(shù)據(jù)，監(jiān)測、測量和診斷被監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)的診斷能力。能夠被結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測出的結(jié)構(gòu)狀態(tài)類型應(yīng)包括結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度、損傷及其擴(kuò)展、應(yīng)力、應(yīng)變和載荷等。此外，應(yīng)該在測量前強(qiáng)制性激活系統(tǒng)的自檢功能，自動檢查系統(tǒng)操作性能和完整性，特別要確認(rèn)傳感器數(shù)據(jù)的完整性，以保證不會采集到無效數(shù)據(jù)。

在設(shè)備數(shù)據(jù)采集、存儲與處理方面，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率和時(shí)間間隔應(yīng)可由用戶根據(jù)監(jiān)測需求進(jìn)行設(shè)定；設(shè)備內(nèi)置GPS授時(shí)模塊，具有鎖相石英頻率標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)備數(shù)據(jù)與飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；信號輸出及數(shù)據(jù)傳輸滿足監(jiān)測需求，至少應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集時(shí)間、傳感器編號、能夠反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的有效數(shù)據(jù)。

電氣方面，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)屬于機(jī)載電子電氣設(shè)備，所以應(yīng)滿足CCAR-25-R4中F分部“設(shè)備”中的總則以及電氣系統(tǒng)和設(shè)備的要求。在滿足結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測功能要求的前提下，將設(shè)備耗電量降至最低；任何形式的內(nèi)部供電中斷和直流電源極性反轉(zhuǎn)都不能對設(shè)備造成損壞；設(shè)備不會受到其他機(jī)載系統(tǒng)的電磁干擾，也不會對任何其他系統(tǒng)造成干擾。

3.2環(huán)境要求

根據(jù)飛機(jī)需求，飛機(jī)分為若干艙段，這些飛機(jī)艙段根據(jù)功能的不同，其環(huán)境條件也不同，環(huán)境類型可分為增壓溫度控制區(qū)、增壓溫度部分控制區(qū)、非增壓非溫控區(qū)等，E-E（電子電氣設(shè)備）艙屬于氣密艙，用于安裝飛機(jī)各系統(tǒng)的電子和電氣設(shè)備，具有較高的環(huán)境控制和維修性要求[8]。結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備建議安裝在E-E艙內(nèi)，因?yàn)槠洵h(huán)境要求相對較低，需要滿足的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目相對較少。但也可根據(jù)就近原則，將監(jiān)測設(shè)備安裝在監(jiān)測對象附近的艙段，具體的環(huán)境測試要求要根據(jù)相應(yīng)艙段的環(huán)境條件來確定。根據(jù)RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和測試程序》的要求，以安裝在E-E艙的機(jī)載設(shè)備為例，需要完成的環(huán)境測試試驗(yàn)見表3。

3.3可靠性要求

與傳感器、線纜和接頭相似，設(shè)備的可靠性也應(yīng)滿足在飛機(jī)服役環(huán)境條件下能較長時(shí)間穩(wěn)定工作的要求。設(shè)備的可靠性要求要依據(jù)GJB899A—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。進(jìn)行可靠性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案研究，針對設(shè)備可靠性試驗(yàn)要求，確定可靠性試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方案，并進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展綜合環(huán)境試驗(yàn)的任務(wù)剖面、環(huán)境剖面和試驗(yàn)剖面的研究，確定設(shè)備使用中的環(huán)境條件，據(jù)此確定電應(yīng)力、振動應(yīng)力、溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力，并完成綜合環(huán)境試驗(yàn)，對設(shè)備進(jìn)行可靠性評估，最終完成設(shè)備的開發(fā)、改進(jìn)和定型。

3.4安全性要求

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件作為機(jī)載電子電氣設(shè)備，其安全性需要符合CCAR-25-R4中第1309條款“設(shè)備、系統(tǒng)及安裝”的要求，該條款是整個(gè)飛機(jī)及系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)，對機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備的安裝、不同失效狀態(tài)發(fā)生的概率、故障告警等方面提出了通用要求。設(shè)備自身的失效或故障可能會對飛行安全產(chǎn)生影響，因此需要在設(shè)備安全性評估過程中對其失效模式和影響、失效狀態(tài)類別及安全性需求、系統(tǒng)失效-安全架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評估。設(shè)備的安全性要求即使在失效狀態(tài)下，設(shè)備也不能對飛機(jī)安全造成任何負(fù)面影響；不能對任何乘客和機(jī)組人員造成任何危險(xiǎn)；不能對其他零部件或結(jié)構(gòu)造成損傷或污染；當(dāng)設(shè)備集成在結(jié)構(gòu)中時(shí)，不顯著降低材料結(jié)構(gòu)的完整性（如當(dāng)需要鉆孔安裝時(shí)）。

3.5維修性要求

機(jī)載設(shè)備受到環(huán)境變化及飛機(jī)的振動等影響可能發(fā)生故障，導(dǎo)致狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)失效，此時(shí)則需要對設(shè)備進(jìn)行維修或更換。為了滿足設(shè)備的維修性要求，在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就要考慮到其維修性，不但需要設(shè)備具有自我檢測和故障診斷功能，還要使其容易安裝、維修和更換[10]。提高設(shè)備的小型化和模塊化設(shè)計(jì)，便于維修更換發(fā)生故障的部件。例如，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)具備信號發(fā)生模塊（主動式設(shè)備）、信號采集模塊、通道切換模塊、信號調(diào)理模塊、采集控制模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等，任何模塊發(fā)生故障時(shí)都應(yīng)當(dāng)可以單獨(dú)進(jìn)行維修或更換。

4安裝要求

將符合要求的傳感器、線纜、設(shè)備等硬件集成于飛機(jī)上，完成結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝。安裝質(zhì)量的好壞將直接影響狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)精度及飛行安全[11]。結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝主要分為傳感器布設(shè)與安裝、線纜敷設(shè)和設(shè)備安裝。

4.1傳感器布設(shè)與安裝

飛行應(yīng)用安裝方案中的傳感器布設(shè)與安裝主要包括傳感器布設(shè)、傳感器安裝和傳感器檢查等。

為了更好地達(dá)到測試目的和測試需求，往往需要針對被測結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)及優(yōu)化傳感器布設(shè)方案，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器具體布設(shè)要求如下：（1）傳感器布設(shè)應(yīng)該確保被測結(jié)構(gòu)力學(xué)特性不受影響；（2）傳感器構(gòu)成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足可靠性要求；（3）在確保辨識精度和可靠性的條件下，應(yīng)盡量減少傳感器數(shù)量，最大限度降低對被測結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度；（4）在測量關(guān)鍵區(qū)域時(shí)，適量增加傳感器密度。

所以，針對安裝結(jié)構(gòu)受力特性和運(yùn)動行程，結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布設(shè)要求，應(yīng)設(shè)計(jì)傳感器布設(shè)方案，詳細(xì)說明傳感器位置、個(gè)數(shù)、備份情況、溫度補(bǔ)償信息等。傳感器安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)傳感器布設(shè)方案，結(jié)合結(jié)構(gòu)特性，給出傳感器安裝方案。詳細(xì)說明傳感器安裝步驟、黏結(jié)劑選取類型及固化條件、傳感器保護(hù)、注意事項(xiàng)等信息，建議選取常溫常壓固化類型的黏結(jié)劑，否則還需評估固化條件是否對被測結(jié)構(gòu)有影響。傳感器保護(hù)措施一般為硅膠保護(hù)。

為了確保安裝于被測結(jié)構(gòu)上的傳感器能夠進(jìn)行有效監(jiān)測，需要進(jìn)行傳感器檢查，根據(jù)傳感器特征指標(biāo)對安裝前后的傳感器進(jìn)行測試檢查，確保傳感器安裝前及安裝后性能完好。

4.2線纜敷設(shè)

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)線纜敷設(shè)是指將從飛機(jī)被測結(jié)構(gòu)傳感器線纜引出端，到采集設(shè)備前端之間的線纜敷設(shè)到飛機(jī)上的流程。線纜安裝主要包括線纜長度設(shè)計(jì)、分段設(shè)計(jì)、線纜敷設(shè)及線纜檢查。

線纜敷設(shè)安裝前，應(yīng)根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)模，估算出安裝結(jié)構(gòu)與監(jiān)測設(shè)備之間的總長度，如果監(jiān)測設(shè)備放置在飛機(jī)增壓控溫艙，則需要額外考慮穿艙線纜和穿艙后線纜的長度。長度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮冗余度。在線纜總長度確定后，要依據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)對線纜進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，分段線纜之間用航插接頭連接。以傳感器安裝在飛機(jī)平尾上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為例，圖2為平尾到垂尾線纜敷設(shè)分段示意圖，分段設(shè)計(jì)時(shí)將此段線纜共分成三段，第一段在平尾結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設(shè)，第二段在垂尾結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設(shè)，第三段是垂尾后端線纜敷設(shè)。

線纜敷設(shè)時(shí)，從傳感器引出端第一個(gè)分支點(diǎn)開始就逐一用卡箍或系帶進(jìn)行固定，其中捆扎或固定間距建議選取為0.25～0.3m。在固定線纜時(shí)，應(yīng)確保平順、避免交叉、不得扭曲，兩個(gè)固定點(diǎn)之間的線纜不允許過緊或過松。由于安裝于結(jié)構(gòu)上的傳感器引出端線纜較細(xì)，在與其他傳感器的分支線束合并前，應(yīng)做好保護(hù)工作[12]。如圖2所示，平尾結(jié)構(gòu)前的傳感器引出端即為需要進(jìn)行額外保護(hù)的區(qū)域。當(dāng)線纜敷設(shè)需進(jìn)行穿艙時(shí)，需將所有線纜敷設(shè)完成后，適當(dāng)調(diào)節(jié)穿艙線纜位置，防止由于某一端過緊而造成線纜應(yīng)力過大，調(diào)節(jié)好之后再將穿艙孔進(jìn)行密封。

線纜敷設(shè)前應(yīng)先進(jìn)行全面檢查，確保敷設(shè)線纜完好，符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還應(yīng)檢查飛機(jī)上線纜的敷設(shè)路徑，確保實(shí)施的可行性。當(dāng)線纜敷設(shè)完成后，還應(yīng)對線纜是否能夠正常傳輸信號進(jìn)行檢查。若信號傳輸正常，則表示線纜敷設(shè)成功，若信號傳輸異常，則采用逐級排查法進(jìn)行篩查，以靠近設(shè)備端的線纜為第一級，以傳感器引出端為最后一級，逐級向下檢查，替換異常線纜。以共二級線纜為例，逐級排查法流程圖如圖3所示。

4.3設(shè)備安裝

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備安裝時(shí)，需將設(shè)備固定到飛機(jī)上并連接電源，確保設(shè)備能夠正常采集傳感器信號，安裝過程分為機(jī)械安裝和電氣安裝。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備機(jī)械安裝前，應(yīng)設(shè)計(jì)設(shè)備安裝方式、安裝尺寸、安裝位置等。機(jī)械安裝時(shí)，應(yīng)選取滿足強(qiáng)度、長度和直徑要求的螺栓或螺釘，以保證能夠承受飛行中出現(xiàn)的最大過載；應(yīng)選取合適的設(shè)備支撐件（如支板和托架等），使其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證在飛機(jī)所有飛行狀態(tài)下均能對設(shè)備提供固定支持；監(jiān)測設(shè)備周圍應(yīng)留有足夠的空間，保證設(shè)備通風(fēng)和安裝可達(dá)性。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備電氣安裝前，根據(jù)飛機(jī)電力系統(tǒng)電源特性設(shè)計(jì)設(shè)備接線接頭和與機(jī)載電源對接的方式。電氣安裝的絕緣電源線敷設(shè)時(shí)不能干擾飛機(jī)上的其他線纜。如果監(jiān)測設(shè)備還有其他模塊需要和飛機(jī)對接，應(yīng)在設(shè)備安裝時(shí)一并實(shí)施。如結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備需要與飛機(jī)GPS信號同步，應(yīng)提前確認(rèn)飛機(jī)GPS輸出信號格式和輸出接頭類型，準(zhǔn)備相應(yīng)的對接線纜，在設(shè)備安裝時(shí)一并進(jìn)行敷設(shè)。

另外，在滿足監(jiān)測需求的同時(shí)，確定了設(shè)備安裝區(qū)域后，不僅要考慮設(shè)備本身所需的安裝空間，還要考慮到相關(guān)線纜和接頭插拔所需要的路徑和空間，以及維護(hù)維修和更換設(shè)備時(shí)使用工具所需要的必要空間，確保不與鄰近的飛機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)備發(fā)生干涉，滿足維護(hù)維修的可達(dá)性要求。

5結(jié)論

本文對結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在民機(jī)應(yīng)用中涉及的傳感器、黏結(jié)劑、線纜、接頭及設(shè)備等若干應(yīng)用問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要的分析，得出如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到一定的性能要求，使其能夠以較高的準(zhǔn)確性和精度對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以提高飛行安全性。

（2）系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的環(huán)境試驗(yàn)要求，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行環(huán)境測試，具體試驗(yàn)項(xiàng)目和測試條件根據(jù)系統(tǒng)安裝位置進(jìn)行確定。

（3）系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的可靠性要求，在飛行環(huán)境條件下能夠以較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性長時(shí)間地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測功能。

（4）系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的安全性要求，即使在失效的狀態(tài)下也不能對飛行安全造成任何負(fù)面影響；系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的維修性要求，能夠方便快捷地進(jìn)行自診斷，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，并能進(jìn)行及時(shí)維修或更換，保證正常的監(jiān)測功能。

（5）在進(jìn)行系統(tǒng)安裝前，要進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)規(guī)劃，實(shí)施安裝時(shí)，要在對飛機(jī)結(jié)構(gòu)不造成負(fù)面影響的前提下，滿足系統(tǒng)安裝要求，保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常監(jiān)測功能。

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作者簡介

高麗敏（1983-）女，博士，研究員。主要研究方向：復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。

Tel：010-57808823

E-mail：gaolimin@comac.cc

楊海楠（1988-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)。

趙琳（1982-）女，博士，高級工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)。

馬超（1992-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測信號采集及處理技術(shù)。

龐煒涵（1992-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：適航符合性分析及驗(yàn)證技術(shù)。

魯明宇（1983-）女，博士，高級工程師。主要研究方向：基于狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重技術(shù)。

張君一（1979-）女，博士，研究員。主要研究方向：安全性及可靠性技術(shù)。

朱凱歌（1986-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：基于壓電傳感器的損傷監(jiān)測技術(shù)。

Issues and Key Technologies in Flight Application of Structural Condition Monitoring Technology

Gao Limin1，2，*，Yang Hainan1，2，Zhao Lin1，2，Ma Chao1，2，Pang Weihan1，2，Lu Mingyu1，2，Zhang Junyi1，2，Zhu Kaige1，2

1. COMAC Beijing Aircraft Technology Research Institute，Beijing 102211，China

2. Beijing Key Laboratory of Civil Aircraft Structure and Composite Materials，Beijing 102211，China

Abstract： In the whole life cycle of civil aircraft structure design， manufacturing， flight and ground maintenance， especially in the ground test and flight test of the structures， it is necessary to collect and process the data that can reflect the structure state， and to monitor and analyze the structure state in real time. In order to promote the application of structural condition monitoring technology， this paper studies the design and installation of sensors， adhesives， cables， connectors and equipment， analyzes the performance， environment， safety， reliability and maintainability requirements of the system， and puts forward the work to be completed and some countermeasures to realize the flight application， so as to solve the issues of structural condition monitoring system in aircraft application， promoting its application in flight test.

Key Words： structural condition monitoring； flight application； environmental requirements； reliability； safety； maintainability