結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

Paul Seidenman David J. Spanovich

使用傳感器監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)的健康狀況從原理上分析是一種非常有效的途徑，而且如桑迪亞國家實驗室和SMS 公司等機構(gòu)已經(jīng)對一些真空比較監(jiān)測傳感器開展了廣泛的飛行試驗，因此，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這種監(jiān)測技術(shù)極具應(yīng)用潛力，如可將非計劃維修轉(zhuǎn)化為計劃性維修，或者代替耗時耗力的無損檢測等。但無論開展哪種應(yīng)用，均需獲得局方的批準(zhǔn)，而目前的形勢是局方仍較為謹(jǐn)慎。

如果飛機機體結(jié)構(gòu)檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋，那么飛機就要按規(guī)定停飛，直到修理完畢才能放行。相比之下，如果通過增加檢測頻次為帶有已知毛細(xì)裂紋的發(fā)動機渦輪葉片保駕護(hù)航，在其被確定何時必須予以更換之前，它仍可以繼續(xù)在翼飛行。目前，航空界正在尋求對采用高科技傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）的監(jiān)管認(rèn)證。

據(jù)位于新墨西哥州阿爾伯克基市的全球領(lǐng)先結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研發(fā)中心桑迪亞國家實驗室介紹，他們主要使用的傳感器技術(shù)有5 種，分別是真空比較監(jiān)測（CVM）、壓電（PZT）、光纖、碳納米管和聲-超聲（AU）監(jiān)測。每種技術(shù)都有其獨特的檢測方式，都能夠獲取與特定類型損傷相關(guān)的特征數(shù)據(jù)。

真空比較監(jiān)測和壓電監(jiān)測技術(shù)相對較為成熟。真空比較監(jiān)測傳感器是一種自粘彈性貼片，其尺寸與一張信用卡大小相似。通過對傳感器內(nèi)的一排相互連接的通道施加真空壓力，就可以測量出真空度的任何變化，從而顯示出裂紋。

位于加利福尼亞州的Acellent Technologies 公司認(rèn)為，壓電傳感器比真空比較監(jiān)測更具優(yōu)勢，真空比較監(jiān)測傳感器是“點傳感器”，它必須準(zhǔn)確地放在預(yù)計會出現(xiàn)裂紋等損傷的位置上才能檢測到。而壓電傳感器是采用“網(wǎng)絡(luò)設(shè)計”，能夠監(jiān)測整個區(qū)域的損傷情況，如Acellent Technologies 的智能層傳感器（Smart Layer sensors）。

桑迪亞國家實驗室展示的一個用于飛機健康監(jiān)測的自粘性真空比較監(jiān)測傳感器。

與真空比較監(jiān)測相比，壓電智能層傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以在超聲波和聲波模式下檢測裂紋。在超聲波模式下，傳感器可以周期性地提供有關(guān)損傷位置和尺寸的信息；在聲學(xué)模式下，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠“監(jiān)聽”外部沖擊，并提供結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度。

目前，Acellent Technologies 的壓電智能層傳感器已成功通過了MIL-STD 810G 標(biāo)準(zhǔn)和雷擊測試，可用于任何金屬或復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，這類傳感器已經(jīng)在試件、組件和飛行測試級別進(jìn)行了廣泛的測試和驗證，證明了其能夠用于損傷檢測。Acellent Technologies 公司表示，波音和韓國航宇工業(yè)公司（KAI）都采用了壓電技術(shù)，并認(rèn)為該項技術(shù)的成熟度已經(jīng)達(dá)到了“就緒”的水平；空客也已在A350 上完成了飛行測試。

運營商所獲益處

達(dá)美航空公司表示，對航空公司而言，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可能會改變機體維修的游戲規(guī)則，將非計劃檢修轉(zhuǎn)變?yōu)橛媱澗S修，傳感器提供的數(shù)據(jù)能夠讓航空公司以更高效、更具成本效益的方式安全管理機隊。有了SHM 后，就不必讓損傷飛機立即停飛進(jìn)行維修，而是采取在翼健康監(jiān)測就好，必要時再開展有計劃的維修。因為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有助于確定裂紋是否需要立即修復(fù)，或者是否可以等到下次的定檢維修期，或選擇其他方便的時機。

用于對飛機結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程目視檢查的真空比較監(jiān)測系統(tǒng)。

這樣的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測機制除了可以提高飛行安全性，與目前的定期檢修機制相比，可以持續(xù)、實時地進(jìn)行監(jiān)測。目前雖然技術(shù)準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒，但仍有很多工作要做，如說服監(jiān)管機構(gòu)制定數(shù)據(jù)驅(qū)動、特定間隔的維護(hù)計劃。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在近期的應(yīng)用將只限于替代常規(guī)檢修，這也是運營商獲得的最基本益處。

事實上，達(dá)美航空目前正在按照適航指令（AD）的要求，對波音737NG機隊的后壓力艙壁緊固件進(jìn)行1200 飛行循環(huán)的重復(fù)檢測。達(dá)美航空已經(jīng)要求采用符合性替代方法（AMOC），利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)替代適航指令要求的渦流檢測。波音和空客機隊的其他應(yīng)用也在準(zhǔn)備進(jìn)行符合性替代。據(jù)稱，在波音737NG 系列飛機上實施渦流檢測需要拆除一個廚房，但如果在該區(qū)域安裝了傳感器，技術(shù)人員只需要在真正檢測到問題時再拆除廚房。這樣就為航空公司節(jié)省了大量的維修支出，并可通過提高飛機的可用性增加營收。

達(dá)美航空公司自2005 年以來一直是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測行業(yè)的領(lǐng)頭羊，而且西北航空公司在2004—2007 年間在兩臺DC-9 飛機上也安裝了真空比較監(jiān)測傳感器。2009 年這兩家公司合并，且于2005—2012 年在波音757 和767 飛機上安裝了飛行傳感器。

達(dá)美航空公司實施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一開始的主要工作是數(shù)據(jù)收集，并了解傳感器在真實環(huán)境下的工況問題，隨后在2014 年FAA 資助的一個項目順利解決了支撐SHM 應(yīng)用的認(rèn)證指導(dǎo)問題。在此項目下，達(dá)美航空與波音公司、桑迪亞國家實驗室和Anodyne電子制造公司合作，在7 架波音737-700 飛機的中央翼箱安裝了10 個真空比較監(jiān)測傳感器，選擇中央翼箱是因為該區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)，傳感器的安裝是由波音公司起草的維修公告修訂版批準(zhǔn)的。在安裝傳感器后這7 架飛機迄今已累計飛行11 萬飛行小時和5.6萬個飛行循環(huán)。

除此之外，Azul 聯(lián)合巴西航空工業(yè)公司在E190 噴氣式飛機上也安裝過結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器，加拿大Jazz 航空公司的CRJ 飛機在2009—2010 年也搭載了傳感器飛行。達(dá)美航空認(rèn)為，算上西北航空公司和達(dá)美航空公司的測試，真空比較監(jiān)測傳感器已經(jīng)飛行了大約150 萬小時。事實證明，這些傳感器在飛行周期、增壓、振動、污染物等所有可能影響飛行的工作條件下均能正常工作。

可替代無損檢測

桑迪亞國家實驗室表示，目前的研究重點是將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測作為無損檢測（NDT）任務(wù)的替代。因為當(dāng)前的無損檢測中經(jīng)常會包含各種人工檢測方法，這種勞動密集型的檢測方式要求檢測人員要親身檢測出“可疑的結(jié)構(gòu)”，這其中手工檢測是必需的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的替代方案是在飛機上安裝一系列嵌入式傳感器，用來快速提醒操作人員某個結(jié)構(gòu)正在發(fā)生某種類型的損傷。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，傳感器不僅針對特定的飛機部件，還包括需要檢測的損傷類型。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，檢修將從以往的“熱點”監(jiān)控向更廣泛的飛機部件發(fā)展。

但在每種損傷檢測上應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測都要經(jīng)過評估，比如裂紋、腐蝕或脫膠，位置是在表面或亞表面等，所需的靈敏度、結(jié)構(gòu)的材料和幾何形狀等等，然后根據(jù)這些信息設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)。在某些情況下，一個區(qū)域可能會檢測到幾種類型的損傷?？傊?，希望未來能夠?qū)嵤┗跔顟B(tài)的維修（CВM），屆時航空公司可以自動從傳感器獲取信息，并利用這些信息做出維修決策。

桑迪亞國家實驗室強調(diào)，雖然通常情況下可能不需要太多的性能數(shù)據(jù)，但是應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測始終需要一些特定的測試。如此一來，更多的飛行履歷和大量的成功應(yīng)用將有助于加快結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的快速推廣。桑迪亞國家實驗室目前正在收集這些數(shù)據(jù)，但是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和其他新技術(shù)的特性都要求在應(yīng)用之前獲得非常全面的性能數(shù)據(jù)。所以如果進(jìn)展順利，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的每一種應(yīng)用性能都會更加智能，這樣就簡化了從確定采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)到最終在商用飛機上安裝和日常使用的整個過程。

SMS 公司的真空比較監(jiān)測傳感器，安裝在達(dá)美航空公司的波音737NG 飛機壓力艙壁的緊固件上。達(dá)美航空公司要求授權(quán)使用真空比較監(jiān)測技術(shù)作為與緊固件相關(guān)的符合性替代方法，以替代適航指令中要求的渦流檢查。

位于澳大利亞珀斯的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)（SMS）公司是達(dá)美航空公司737 翼盒安裝的真空比較監(jiān)測傳感器的供應(yīng)商。該公司表示，SMS 的下一步任務(wù)是獲得認(rèn)證，以便將傳感器應(yīng)用于強制性檢測。該公司在2019 年1 月向美國聯(lián)邦航空局（FAA）提交了認(rèn)證請求。由于FAA認(rèn)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一種“新興技術(shù)”，因此正在制訂政策問題文件，為監(jiān)管檢查員提供指導(dǎo)依據(jù)，供其在未來認(rèn)證該技術(shù)的其他應(yīng)用時參考，畢竟這一技術(shù)應(yīng)用未來將會逐步推廣開來。

一旦某個區(qū)域確定應(yīng)用傳感器，SMS 公司就會設(shè)計一種監(jiān)測表面裂紋的傳感器構(gòu)型。雖然被監(jiān)測的材料不同，檢測精度也有所不同，但通常傳感器最小可以檢測到0.1 英寸的裂縫，而且還能監(jiān)測裂紋的擴展情況，直到達(dá)到原始制造商要求修理的尺寸（這要根據(jù)原始制造商的損傷容限模型來判斷）。

據(jù)介紹，SMS 公司是唯一一家通過波音認(rèn)證提供真空比較監(jiān)測技術(shù)的公司。SMS 公司用于SHM 的真空比較監(jiān)測產(chǎn)品具有自主專利技術(shù)。目前該公司的真空比較監(jiān)測技術(shù)在全球擁有超過30 項專利，而且還有14 項正在申請中，包括表面裂紋檢測、復(fù)合材料內(nèi)部分層檢測和復(fù)合材料粘接檢測等。

SMS 公司根據(jù)當(dāng)前檢修過程所需的工時和飛機停場時間，為其傳感器選擇了目標(biāo)應(yīng)用。最優(yōu)先考慮的兩項是波音737NG 尾部壓力艙壁和適用于所有窄體飛機的Wi-Fi 天線安裝結(jié)構(gòu)。后壓力艙壁的適航指令要求檢查艙壁左側(cè)5 ～7L的縱梁和右側(cè)5 ～9R 的縱梁，之所以選擇真空比較監(jiān)測技術(shù)，是因為使用傳統(tǒng)的低頻渦流探頭檢測時，可能會出現(xiàn)大量的假陽性讀數(shù)，但采用傳感器可以減少這種誤判。許多低頻渦流檢測的假陽性率平均為3%～5%。為了確認(rèn)艙壁前側(cè)是否存在裂紋，不良的結(jié)果是否會導(dǎo)致不必要的飛機停飛和廚房拆除，采用傳感器更方便。

在Wi-Fi 天線方面，達(dá)美工程公司（Delta Engineering，不隸屬于Delta 航空公司）持有的補充型號認(rèn)證（現(xiàn)已授權(quán)Gogo 公司）已向美國聯(lián)邦航空局申請對持續(xù)適航性指南進(jìn)行修訂，把真空比較監(jiān)測傳感器納入目視和渦流結(jié)構(gòu)檢查的選項。

盡管美國聯(lián)邦航空局沒有回應(yīng)征求意見書（RFC），但是歐洲航空安全局（EASA）給出了謹(jǐn)慎的回應(yīng)，表示“EASA并不認(rèn)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會改變現(xiàn)有的損傷容限理念，在考慮結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的潛在應(yīng)用時，將采取保守的‘循序漸進(jìn)’方法，而且EASA 已經(jīng)與原始制造商在公共論壇上進(jìn)行過公開討論。只是現(xiàn)在還不能確定使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測就是允許飛機帶裂紋進(jìn)行飛行?！?/p>