王志軍 肖歡暢

摘要：航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測是預(yù)測發(fā)動機故障、分析與改善污染物排放的有效途徑。本文介紹了四種非接觸、可視化、高精度、實時在線的無損檢測技術(shù)：被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術(shù)、靜電監(jiān)測技術(shù)、電容層析成像（ECT）技術(shù)、激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)，并對每項技術(shù)的監(jiān)測過程、實施局限性進行概述。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;故障預(yù)警;尾氣監(jiān)測;無損檢測技術(shù)

中圖分類號：V263.6?文獻標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0068-02

航空發(fā)動機作為飛機的最核心部件，保證其正常穩(wěn)定運行是減少飛機飛行故障、降低飛行重大事故的重要內(nèi)容。根據(jù)我國二十一世紀(jì)以來的飛行故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于發(fā)動機故障直接或間接造成的重大飛行事故超過總機械和機務(wù)故障的百分之六十[1]。因此，加強對航空發(fā)動機運行狀態(tài)的監(jiān)控，尤其是在飛行時的實時在線監(jiān)測對飛機的飛行運輸安全有著至關(guān)重要的作用，并且可以提前預(yù)知航空發(fā)動機的安全隱患，提供故障的早期預(yù)警信息，降低發(fā)動機的維護成本。

1?航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測

通過監(jiān)測航空發(fā)動機尾氣是監(jiān)控其運行狀態(tài)的有效途徑，發(fā)動機尾氣的形成與其中燃料的燃燒程度密切相關(guān)，對尾氣中煙塵粒子的分析可以確定其燃燒效率，在一定程度上反映發(fā)動機的工作狀態(tài)及老化程度，這對發(fā)動機故障的提前預(yù)警有著極其重要的研究意義[2]。同時，發(fā)動機尾氣的排放對環(huán)境的污染也有著不可忽視的影響，尾氣的監(jiān)測可測量與控制污染排放，對航空燃油的改進與優(yōu)化提供最直接的數(shù)據(jù)。因此，航空發(fā)動機尾氣的測量與監(jiān)控是預(yù)測發(fā)動機故障、分析與改善污染物排放的有效途徑。

2?航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測常采用離線采樣法，需要將發(fā)動機保持在一個恒定的運行條件下，然后利用相關(guān)的傳感器等其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備對尾氣定時定點數(shù)據(jù)獲取，該方法由于其設(shè)備昂貴、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采集操作復(fù)雜、單次采集耗時長等局限性，一般只適用于試驗階段。隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列先進的非接觸、可視化、高精度的無損檢測技術(shù)被引入進來。本文主要就無損檢測中的利用被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術(shù)[3]、靜電監(jiān)測技術(shù)[2，4-5]、電容層析成像（ECT）技術(shù)[6-7]、激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)[8-10]進行論述。

2.1 被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術(shù)。被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術(shù)，是利用FTIR光譜儀系統(tǒng)，結(jié)合紅外輻射光譜的能力分布和氣體濃度的算法模型，根據(jù)測得的光譜圖對紅外發(fā)射光譜進行定量分析，計算出航空發(fā)動機尾氣中CO2、CO、NO等氣體的組分濃度，進而實現(xiàn)對航空發(fā)動機的尾氣監(jiān)測及故障預(yù)警。

2.2靜電監(jiān)測技術(shù)?；陟o電感應(yīng)的航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測技術(shù)是一種通過識別尾氣中電荷載體信息來實施航空發(fā)動機監(jiān)測的方法。發(fā)動機正常工作時，氣路中的帶電顆粒的電荷水平穩(wěn)定在正常的范圍中定，而航空發(fā)動機出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生異常帶電顆粒，從而引起氣路中電荷水平的變化超出正常的范圍。航空發(fā)動機尾氣中，異常帶電顆粒的生成和來源，包括進氣道吸入物與壓氣機葉片等部件高速摩擦碰撞損傷、發(fā)動機非正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生物。靜電監(jiān)測技術(shù)通過對尾氣中異常帶電顆粒的監(jiān)測，實現(xiàn)航空發(fā)動機的故障預(yù)警。

2.3電容層析成像（ECT）技術(shù)。電容層析成像（ECT）技術(shù)作為一項對電容敏感，且響應(yīng)速度快、與被測物流非接觸、安裝簡便及成本低的過程層析成像技術(shù)，該技術(shù)作為一種無損檢測的手段，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測方面，ECT技術(shù)將多個ECT電極板合理的安放發(fā)動機尾氣流場中，通過發(fā)動機尾氣流場中的微粒電離，獲取流場邊界電容信息，進而得到流場中微粒的空間分布情況，利用圖形重建算法在線重建出高清晰度、高實時性的圖像，再通過對成像圖像的分析，進而實現(xiàn)對航空發(fā)動機的監(jiān)測與故障預(yù)警。

2.4 激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)。激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)是一種先進的在線無損檢測技術(shù)，該技術(shù)通過高能激光照射耐火或金屬粒子使其發(fā)生黑體輻射現(xiàn)象，在激光結(jié)束后，遠高于環(huán)境溫度的顆粒迅速冷卻，伴隨產(chǎn)生的熾光也隨之衰減至消失，通過采集熾光的光強及衰減曲線即可分析被測顆粒的大小。在航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測中，利用激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)，高能激光將發(fā)動機尾氣中的顆粒物誘導(dǎo)激發(fā)形成亮斑點，然后使用高速相機對亮斑進行成像，建立尾氣粒子的空間流場分布模型，，為監(jiān)控航空發(fā)動機的工作狀態(tài)提供直觀的測量數(shù)據(jù)，實時在線對飛行故障進行預(yù)測。

3?總結(jié)與展望

本文中涉及到四種航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測技術(shù)，每種技術(shù)都有其各自特點：被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術(shù)，能夠在非接觸情況下實現(xiàn)對輻射源的絕對光譜能量分布和氣體濃度等信息的獲取，但難以滿足航空發(fā)動機尾氣實時在線的數(shù)據(jù)采集;發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測技術(shù)能夠通過識別尾氣中電荷載體信息來實現(xiàn)尾氣的監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)判斷發(fā)動機氣路性能異?；蚬收?，但是對于航空發(fā)動機在線監(jiān)測時，就需要將傳感器按照一定分布置于發(fā)動機尾氣氣路管道中，同時采集的尾氣信息也僅局限于尾氣流場的邊緣，對流場核心區(qū)域的信息采集較為困難;應(yīng)用逐漸廣泛的電容層析成像（ECT）技術(shù)，可以通過發(fā)動機尾氣流場中的微粒電離，獲取流場邊界電容信息，進而得到流場中微粒的空間分布情況，但是ECT技術(shù)是通過對電荷的分析獲取相關(guān)信息，不能得到流場中微粒的現(xiàn)實尺寸和形狀特征;激光誘導(dǎo)白熾技術(shù)在航空發(fā)動機尾氣流場監(jiān)測方面。當(dāng)前還處于探索階段，還未形成相關(guān)配套的硬件監(jiān)測設(shè)備，只實現(xiàn)了對尾氣顆粒物分布的小范圍平面測量。

航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測是監(jiān)控發(fā)動機工作狀態(tài)的有效方法，隨著故障檢測的技術(shù)革新和標(biāo)準(zhǔn)提高，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)將會逐漸不滿足監(jiān)測的要求，而各類非接觸、可視化、高精度、實時在線的無損檢測技術(shù)，在攻克當(dāng)前所存在的難題后，將是實現(xiàn)航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測的理想手段。

參考文獻：

[1] 彭淑宏. 航空發(fā)動機氣路故障診斷技術(shù)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2012