HUMS對無人直升機維修任務的應用研究

健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)（Healthy and Usage Monitoring System，HUMS）是一個集航空電子設備、地面支持設備及機載計算機監(jiān)視診斷產(chǎn)品于一體的復雜系統(tǒng)。它包含一系列的傳感器，并通過各種算法監(jiān)控發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)和機體結構的狀態(tài)，健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)主要由狀態(tài)監(jiān)控和使用監(jiān)控兩部分組成。健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)在無人直升機上的應用技術，是故障預測與健康管理系統(tǒng)在無人直升機領域衍生出的一種新型應用技術。相比于固定翼飛機，無人直升機旋翼系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的結構更為復雜，其使用過程中發(fā)生的故障，將對無人直升機的飛行安全產(chǎn)生嚴重威脅，可通過健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)實時采集與分析機載傳感器所產(chǎn)生的信號，對超過閾值的信號進行告警，第一時間提醒飛行操作員可能存在的故障隱患，及時召回無人直升機，在地面準確排查和維修直升機部件故障，從而避免了潛在故障的持續(xù)發(fā)展，不僅能保障飛行安全，還能降低維護費用、延長部件使用時間、縮短維護時間、降低對維護人員的技能要求等。通俗地理解，如果把直升機的維修過程比喻成醫(yī)生給病人看病的過程，健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)就相當于檢查病人身體用的“聽診器”，但聽診器相對簡單，健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)更為復雜，通過傳感器系統(tǒng)、機載數(shù)據(jù)與處理器，顯示/存儲器、便攜式輔助終端和地面站等聯(lián)動協(xié)同工作，測量采集無人直升機的相關參數(shù)，進行處理并分析，據(jù)此來全面評價直升機的健康狀態(tài)。

國內(nèi)外現(xiàn)狀

在過去的二十年間，國外直升機健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS）已從實驗環(huán)境轉變?yōu)樵诿裼谩④娪弥鄙龣C上實際應用的機載設備，并形成了一套基于狀態(tài)維修的流程與方法。美國對于HUMS系統(tǒng)的研究起步較早，并在軍用直升機上進行了廣泛應用?，F(xiàn)階段美國直升機HUMS的發(fā)展已擴展到對直升機健康狀態(tài)和排故方案的綜合分析處理上，通過在機載HUMS系統(tǒng)上擴展一種健康診斷和交互式推理的相關性模型，采集直升機使用和維修保障時的各種信息并建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對直升機全面綜合的健康監(jiān)控及維修保障。20世紀90年代初，美國軍用直升機在美國五角大樓支持下的“視情維護”項目中，因HUMS系統(tǒng)的裝機使用受益匪淺，美國陸軍指出HUMS系統(tǒng)減少了52%的計劃外維護工時/飛行時間，減少了48%的任務中止率和5%的運營準備率，商用直升機領域近年來也對HUMS系統(tǒng)應用帶來的效益給予了極大的重視，近海飛行的直升機開始被強制安裝HUMS系統(tǒng)，空客表示其公司下屬的450架直升機已經(jīng)應用了HUMS系統(tǒng)。美國聯(lián)邦航空管理局通過對單個飛機的使用監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，主旋翼使用HUMS系統(tǒng)的直升機壽命延長。支努干直升機在改裝HUMS系統(tǒng)方面的經(jīng)驗顯示，測試時間顯著縮短，飛行小時記錄與飛行員報告相比準確度提高了20%。有報道稱，與沒有裝備HUMS系統(tǒng)的運營相比，裝有HUMS的運營增加了27%的可用性。在歐洲適航規(guī)定中，已經(jīng)強制要求一些類型的直升機按照HUMS系統(tǒng)。在HUMS系統(tǒng)應用方面，軍機相對民機落后一些。目前，國外直升機HUMS技術已經(jīng)發(fā)展到了第三代，和第一代HUMS系統(tǒng)相比，第二代HUMS系統(tǒng)更小、更輕，可靠性更高，功能也更強大，可以給駕駛員提供實時信息。而目前第三代HUMS系統(tǒng)使用工業(yè)標準的處理器和模塊化的軟件系統(tǒng)可降低成本。

相較于國外直升機HUMS系統(tǒng)的研究，我國直升機的HUMS技術研究起步較晚，與國外差距較大，缺乏相關設計和飛行經(jīng)驗，機載HUMS系統(tǒng)僅在某些型號上進行了試用，整體研究應用還處于初始階段，如在某軍民通用的輕型直升機上通過合理布置傳感器來實現(xiàn)直升機飛行監(jiān)控與關鍵部件壽命預測；又如在另一國產(chǎn)科研試驗直升機的發(fā)動機、主減速器、機體和尾槳等布置了振動傳感器采集了震動信號，并對信號進行了判斷分析，對異常信號進行提示和告警等；通過“十五”期間對HUMS系統(tǒng)的總體技術研究和概念建立，歷經(jīng)“十一五”“十二五”和“十三五”對HUMS系統(tǒng)的深入研究、應用試驗驗證和技術提煉，不僅夯實了HUMS的技術基礎，還大幅度提升了HUMS的技術成熟度。

HUMS在無人直升機上的應用分析

HUMS系統(tǒng)首次裝機并應用于某型無人直升機，在四個方面實現(xiàn)了突破性的應用，效果良好，獲得用戶的肯定。

一是對無人直升機上的關鍵位置進行異常振動監(jiān)測。在無人直升機旋翼系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機和機體結構上，結合構型特點及理論振動的初步分析，合理布置振動傳感器，通過HUMS實時采集無人直升機飛行中的振動信息，并存儲在數(shù)據(jù)卡內(nèi)。當無人直升機振動監(jiān)測點的振動值超過閾值時，該系統(tǒng)會產(chǎn)生振動超限告警信號，并下傳到地面站進行告警。地面人員可在飛行任務完成后，將存儲在數(shù)據(jù)卡內(nèi)的振動信息進行下載，同時解析無人直升機在飛行過程中的振動情況。

二是通過HUMS系統(tǒng)實時采集記錄無人直升機的飛行數(shù)據(jù)，包括速度、高度、油量等，并存儲在數(shù)據(jù)卡內(nèi)。地面維護人員通過分析對比數(shù)據(jù)卡內(nèi)的飛參數(shù)據(jù)與振動數(shù)據(jù)，及時了解無人直升機在不同狀態(tài)下的飛行情況和振動情況，同時進行數(shù)據(jù)綜合分析，對直升機進行“健康診斷”。

三是通過HUMS系統(tǒng)及時收集無人直升機上的故障告警信息和機內(nèi)自檢測（BIT）信息。HUMS能夠?qū)o人直升機異常情況進行故障告警信息提示，以及對機上電子設備的機內(nèi)自檢測（BIT）信息進行實時收集并上傳至地面接收站。地面人員在地面接收站通過將這些故障告警信息及BIT信息與飛行數(shù)據(jù)進行對比分析后，可對無人直升機的“健康狀態(tài)”進行綜合分析并反饋給地面接收站。

四是通過HUMS系統(tǒng)對無人直升機上的輔助機上設備進行維修。將便攜式維修輔助設備與HUMS系統(tǒng)的終端連接，可以在不開啟地面站的情況下實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時讀取，包括振動數(shù)據(jù)、飛參數(shù)據(jù)、故障告警信息，以及機內(nèi)自檢測（BIT）信息等。便攜式維修輔助設備既可以實現(xiàn)對機上電子設備的通電及簡單操作，又可以使機上電子設備運行自身的維護程序，在便攜式維修輔助設備界面上顯示維護程序的運行結果。通過HUMS可以及時處理無人直升機出現(xiàn)的問題和故障，降低了事故發(fā)生率；配合便攜式維修輔助設備可以實現(xiàn)對無人直升機電子設備的簡單操作，縮短了維護時問并提高了維修效率。

雖然將HUMS系統(tǒng)應用在無人直升機上實現(xiàn)了對振動信號、飛行參數(shù)、告警信息、維護信息的采集與存儲，同時通過便攜式維修輔助設備可縮短維修保障時問，大大提高維修保障效率。但是，HUMS系統(tǒng)在實際的應用過程中，仍存在一些不足，比如振動閾值的確定缺乏合理方法，由于我國關于無人直升機領域的研究起步較晚，缺乏飛行數(shù)據(jù)的相關積累。雖然HUMS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對無人直升機三大動部件振動數(shù)據(jù)的采集，但是振動數(shù)據(jù)對部件的影響卻不明確。例如，振動值的閾值所對應的部件損壞程度，直升機不同狀態(tài)下對振動數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響等。綜上，科學制定振動閾值是HUMS系統(tǒng)首要解決的問題。振動閾值的確定屬于系統(tǒng)工程問題，應通過積累無人直升機在各種典型飛行任務剖面下三大動部件的正常振動數(shù)據(jù)，建立正常振動數(shù)據(jù)庫。此外，還要考慮無人直升機損傷程度對振動數(shù)據(jù)的影響，研究分析各個動部件在各種失效模式下的振動數(shù)據(jù)，建立異常振動數(shù)據(jù)庫。根據(jù)正常振動數(shù)據(jù)與異常振動數(shù)據(jù)的對比分析，結合采集的飛行參數(shù)進行綜合判別，研究并制定臨界功能失效邊界安全振動閾值，以及綜合判斷邏輯。只有將多種因素綜合考慮，并依靠數(shù)據(jù)的積累，才能得到一個科學的振動閾值。

數(shù)據(jù)分析及故障診斷繁瑣，是目前HUMS系統(tǒng)的另一個不足的地方。雖然HUMS可以采集和解析無人直升機上的飛行參數(shù)及電子設備的數(shù)據(jù)信息，但由于數(shù)據(jù)量和分系統(tǒng)繁多，必須由專業(yè)人員對數(shù)據(jù)進行解析和判讀，這直接導致了維修保障的效率低下。未來，可在HUMS系統(tǒng)內(nèi)加入故障分析模塊，結合機上其他電子設備的固有測試性設計和診斷設計成果測試性綜合診斷技術，通過算法及軟件分析，將分析結果傳遞給地面站或便攜式維修輔助設備。維修人員可直接通過分析結果來判斷無人直升機的健康狀態(tài)并開展維修活動，提高維修效率。

結束語

HUMS系統(tǒng)作為直升機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷設備，有效提高了直升機裝備的維修保障能力，不僅對無人直升機各部分的維修任務造成一定的影響，還可以輔助調(diào)整傳統(tǒng)的維修任務，延長檢查間隔時間，簡化檢查程序，降低檢查難度。HUMS系統(tǒng)的應用，還可以促進無人直升機由定時維修向視情維修轉變，一方面，通過HUMS系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控并實行視情維修，可以大幅度減少由定期維修帶來的維修人力、物力和財力的高昂耗費；另一方面，通過HUMS系統(tǒng)進行快速故障定位并采取準確的維修活動，可以大幅縮短維修停機時間，提高維修效率，從而有效保障無人直升機的可靠度和出勤率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。