何宇廷

（空軍工程大學航空工程學院，西安710038）

0 引 言

健康監(jiān)測技術(shù)是提高現(xiàn)代裝備使用安全性、戰(zhàn)備完好率、快速出動能力，實現(xiàn)視情維修、快捷維修、精準維修、降低維修費用的關(guān)鍵技術(shù)。美國國防部要求所有武器裝備都應(yīng)采用健康監(jiān)控技術(shù)，我國在《國家“十二五”科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》和《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中也將發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備裝置的健康監(jiān)控與失效控制技術(shù)列為重點攻關(guān)技術(shù)。

至今，國內(nèi)外圍繞該技術(shù)已開展了近30年的研究，并取得了很多重要的進展。美國針對F-16、F-18、F-35等飛行器，進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的原理演示、驗證和應(yīng)用［1-4］，F(xiàn)-35裝備了PHM系統(tǒng)［5］（預(yù)測與健康管理），該系統(tǒng)采用先進的傳感器，借助各種算法和智能模型實現(xiàn)對飛行器狀態(tài)的管理和預(yù)測；歐洲委員會資助了MONITOR研究項目，旨在探索并提供飛行器機身結(jié)構(gòu)損傷探測和預(yù)測所必須的技術(shù)；D.Betz等［6］把FBG溫度和應(yīng)變傳感器安裝在A 340-600客機的機身，實現(xiàn)了對該型客機結(jié)構(gòu)的載荷標定；德國Fraunhofer學院開發(fā)了一種用于飛行器結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測的振蕩壓電作動器系統(tǒng)，根據(jù)壓電陶瓷傳感系統(tǒng)對于存在裂紋結(jié)構(gòu)和完好結(jié)構(gòu)部件內(nèi)產(chǎn)生的振蕩頻率的不同，確定出飛行器結(jié)構(gòu)的裂紋損傷［7］；加拿大Sherbrooke大學在加拿大太空署資助下完成了飛行器在線疲勞裂紋監(jiān)測項目CRIAQ，采用先進的微機電激勵器和傳感器，完成了在民用飛行器機身結(jié)構(gòu)上的驗證測試［8］；澳大利亞國防科學技術(shù)組織（DSTO）研制的用于結(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測的智能補丁“Smart Patch”已在F-18機翼前緣上進行了實驗［9］。

國內(nèi)，健康監(jiān)測研究大量集中在傳統(tǒng)機械學科對機械設(shè)備（大部分為旋轉(zhuǎn)機械）的故障診斷和建筑（橋梁）結(jié)構(gòu)損傷狀況的監(jiān)控。在航空航天領(lǐng)域開展的研究較晚，但在國家自然科學基金委員會、攀登計劃項目等機構(gòu)的大力支持與資助下，取得了一定的適用性成果，并且形成了一批骨干科研單位［10］。南京航空航天大學在裂紋監(jiān)測方面的研究主要集中在復(fù)合材料領(lǐng)域，提出了復(fù)合材料構(gòu)件缺陷及損傷類型的小波分析特性提取和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控新理論［11-13］；國防科技大學和北京航空航天大學開展了液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)損傷監(jiān)測研究［14-16］，在傳感器技術(shù)、故障分析與仿真、故障檢測與診斷等方面進行了卓有成效的研究工作；西北工業(yè)大學可靠性工程研究所進行了航天運輸系統(tǒng)——重復(fù)使用運載器（Reusable Launch Vehicle，簡稱RLV）疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)的原理及方案的初步研究，完善了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、防熱系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和有效載荷釋放與回收系統(tǒng)的健康監(jiān)控和故障檢測子系統(tǒng)的初步方案設(shè)計，并開展了RLV的使用維護技術(shù)研究［17］；西安交通大學航空航天學院研發(fā)了“飛行器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)原位監(jiān)測系統(tǒng)”［18-22］；空軍工程大學開發(fā)了物理氣相沉積（PVD）薄膜傳感器和柔性渦流陣列傳感器，研制了配套軟硬件系統(tǒng)［23-26］。

上述裝備健康監(jiān)控技術(shù)的研究，重點關(guān)注信號感知與識別方面。對于怎樣判定裝備的健康狀態(tài)并利用這些健康狀態(tài)信息等研究工作相對薄弱，但是這卻是健康監(jiān)控技術(shù)在裝備上工程應(yīng)用的落地技術(shù)，必須加以解決。因此，本文提出表征飛行器各系統(tǒng)及整機健康程度的度量參數(shù)——“健康度”。首先給出飛行器各系統(tǒng)和整機健康度的計算確定方法，其次建立基于“健康度”參量的飛行器各系統(tǒng)/整機健康狀態(tài)評價方法——健康、亞健康和不健康三級評價法，最后以示例給出基于健康狀態(tài)的飛行器各系統(tǒng)/整機精準維修保障策略。

1 飛行器健康程度的表征參數(shù)——健康度

飛行器的健康狀態(tài)是一種實時狀態(tài)特性，可用健康度來表征。健康度是指在規(guī)定的條件下，執(zhí)行規(guī)定任務(wù)時，飛行器（裝備）保持功能狀態(tài)完好的程度，其取值范圍為0～1。健康度公式如式（1）所示。

式中：t為時間變量；H(t)為飛行器的健康度，是時間的函數(shù)；Sa(t)為飛行器在工作狀態(tài)時，特征參數(shù)的實際值；Sd(t)為飛行器在功能狀態(tài)完好時，特征參數(shù)的期望值。

飛行器的健康度又可以分為基本健康度和任務(wù)健康度。基本健康度反映飛行器整體中各系統(tǒng)部件在執(zhí)行任務(wù)時的實際功能狀態(tài)完好程度，而任務(wù)健康度反映飛行器在執(zhí)行任務(wù)時針對可完成任務(wù)的預(yù)期程度所表現(xiàn)出來的功能狀態(tài)完好程度。一般由于余度等技術(shù)的應(yīng)用，飛行器的任務(wù)健康度總是大于或者等于基本健康度。

由于飛行器是由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機載機電系統(tǒng)、機載電子系統(tǒng)等組成，因此，可以類似地給出飛行器結(jié)構(gòu)健康度、飛行器機電系統(tǒng)/設(shè)備健康度、飛行器電子系統(tǒng)/設(shè)備健康度。

1.1 飛行器結(jié)構(gòu)健康度

對于飛行器結(jié)構(gòu)而言，裂紋損傷是其最主要的失效模式，因此可用裂紋長度作為健康度的參數(shù)，定義健康度為

式中：t為時間變量；H S（t）為結(jié)構(gòu)件的健康度，是時間的函數(shù)；L a(t)為結(jié)構(gòu)件在工作狀態(tài)時的實際裂紋長度；L c(t)為結(jié)構(gòu)件在破壞時的臨界裂紋長度。對于單個元件的結(jié)構(gòu)件，其基本健康度等于任務(wù)健康度。

對于由多個結(jié)構(gòu)元件組成的單路徑傳力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)定各元件的健康度為H S1、H S2、H S3…H Sn，則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的任務(wù)健康度可以取為系統(tǒng)各元件健康度的最小值：

此時，單路徑傳力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本健康度也可以由串聯(lián)模型計算得到，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本健康度串聯(lián)模型Fig.1 Series model of basic health degree of structural system

對于由多個結(jié)構(gòu)元件組成的多路徑傳力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其任務(wù)健康度可以取為系統(tǒng)各元件健康度的最大值：

此時，多路徑傳力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本健康度仍然可以由串聯(lián)模型計算得到，如式（3）所示。

對于由多個結(jié)構(gòu)元件組成的既含有單路徑傳力結(jié)構(gòu)又含有多路徑傳力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，基本健康度可以由串聯(lián)模型計算得到，如式（3）所示。

而此時的任務(wù)健康度可以由串并聯(lián)模型計算得到，只不過并聯(lián)部分的健康度取各組成部分最大值而串聯(lián)部分取各組成部分健康度的最小值，如圖2所示，其中H Si（i∈n）為飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各元件的健康度。

圖2 任務(wù)健康度串并聯(lián)模型Fig.2 Series-parallel model of mission health degree

1.2 機載機電設(shè)備健康度

飛行器的機電設(shè)備很多，不同種類的機電設(shè)備可以選用不同的特性參數(shù)來表征其健康狀態(tài)。機載燃油泵是飛行器上典型的機電設(shè)備，工作環(huán)境惡劣，長期受到振動、沖擊、高速、高低溫頻繁轉(zhuǎn)換等嚴酷服役環(huán)境的影響，導致其發(fā)生故障或失效的幾率大幅增加［27］。本文以燃油泵為例來分析其健康度的表征方法。燃油泵性能的衰減伴隨著泵出口壓力的下降，因此引入油泵出口穩(wěn)態(tài)壓力定義燃油泵的健康度為

式中：t為工作時間；E pe(t)指燃油泵實際工作狀態(tài)時的出口穩(wěn)態(tài)壓力；E pa(t)指燃油泵理想狀態(tài)的出口穩(wěn)態(tài)壓力。

1.3 機載電子設(shè)備健康度

機載電子設(shè)備種類很多，一般由電子芯片和互聯(lián)結(jié)構(gòu)（焊點）構(gòu)成，大量的電子芯片和互聯(lián)結(jié)構(gòu)組成了板卡，各類板卡組合在一起形成了產(chǎn)品。電子芯片失效和互聯(lián)結(jié)構(gòu)斷裂是導致電子設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因，本文從電子芯片和互聯(lián)結(jié)構(gòu)出發(fā)確定健康度的表征計算方法，進而確定板卡和電子產(chǎn)品健康度的確定方法。

（1）芯 片

正常工作條件下芯片的失效是一個耗損的過程。因此可以通過芯片的當量工作時間定義芯片的基本健康度為

式中：t為工作時間；L E(t)為正常工作條件下芯片的總壽命；L F(t)為實際工作狀態(tài)下芯片的當量工作時間。

（2）焊 點

板卡中典型互聯(lián)結(jié)構(gòu)（如焊點）在使用過程中會出現(xiàn)微裂紋萌生與擴展，伴隨著等效電阻增加，因此引入焊點的接觸電阻值來定義焊點的基本健康度為

式中：t為工作時間；Rf(t)為失效時板卡焊點的接觸電阻值；R a(t)為實際工作狀態(tài)時板卡焊點的接觸電阻值。

（3）板 卡

芯片及器件等通過典型互聯(lián)結(jié)構(gòu)（如焊點）串聯(lián)在一起，形成了電路板卡。因此串聯(lián)在一起的各部件組成的電子設(shè)備板卡的基本健康度等于任務(wù)健康度，如圖3所示，其中H Di，H Wi（i∈n）分別為板卡中各芯片和焊點的基本健康度。

圖3 電子設(shè)備板卡基本健康度模型Fig.3 Basic health degree model of electronic equipment board card

對于采用余度設(shè)計的板卡，其基本健康度仍然采用串聯(lián)模型計算，而任務(wù)健康度則應(yīng)采用串并聯(lián)模型計算。

（4）產(chǎn) 品

不同板卡組合在一起構(gòu)成了電子產(chǎn)品。在沒有余度設(shè)計的情況下，各板卡之間主要呈現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此組成產(chǎn)品的各板卡健康度決定了產(chǎn)品的健康度。此時產(chǎn)品的基本健康度與任務(wù)健康度相同，如圖4所示，其中H Ci（i∈n）為組成產(chǎn)品的各板卡的基本健康度。

圖4 產(chǎn)品基本健康度與任務(wù)健康度模型Fig.4 Basic health degree and mission health degree model of product

如果電子產(chǎn)品的組成板卡有余度設(shè)計，則電子產(chǎn)品的基本健康度仍然采用串聯(lián)模型求得，而任務(wù)健康度則需要采用串并聯(lián)模型求得，如圖5所示。

圖5 板卡任務(wù)健康度模型Fig.5 Mission health degree model of card

1.4 飛行器整機健康度

對于飛行器整機而言，其健康度也可以分為基本健康度和任務(wù)健康度?；窘】刀确从筹w行器整體各系統(tǒng)部件的實際功能狀態(tài)完好程度，而任務(wù)健康度反映飛行器在執(zhí)行任務(wù)時所表現(xiàn)出來的功能狀態(tài)完好程度。當飛行器各系統(tǒng)無備份時，任一系統(tǒng)的實效將導致裝備的失效，各系統(tǒng)之間表現(xiàn)為串聯(lián)關(guān)系，此時其基本健康度可以采用串聯(lián)模型求得，如圖6所示，其中H Bi（i∈n）為軍用飛行器各系統(tǒng)的基本健康度。此時，飛行器的任務(wù)健康度仍然可以采用串聯(lián)模型求得，只不過各組成系統(tǒng)的健康度要采用任務(wù)健康度。

圖6 飛機系統(tǒng)串聯(lián)健康度模型Fig.6 Series health degree model of aircraft system

當飛行器的重要系統(tǒng)有備份時，某一系統(tǒng)的失效不一定會導致裝備的失效，各系統(tǒng)之間表現(xiàn)為串并聯(lián)關(guān)系。此時其基本健康度仍然可以采用串聯(lián)模型求得，但是其任務(wù)健康度卻應(yīng)該采用串并聯(lián)模型求得，如圖7所示，其中H Mi（i∈n）為飛行器各系統(tǒng)的任務(wù)健康度。

圖7 飛機系統(tǒng)串并聯(lián)健康度模型Fig.7 Series-parallel health degree model of aircraft system

2 飛行器健康狀態(tài)的評價方法

在給出飛行器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)健康度定義及其計算方法的基礎(chǔ)上，可以依據(jù)健康度（基本健康度或者任務(wù)健康度）數(shù)值的不同，將飛行器或者各組成系統(tǒng)、各組成元器件的健康狀態(tài)劃分為健康、亞健康以及不健康三種狀態(tài)，如圖8所示。當飛行器或者各組成系統(tǒng)、各組成元器件的健康狀態(tài)為健康時，則其不需要維修就可以繼續(xù)服役工作；當其健康狀態(tài)為亞健康時，其可以繼續(xù)服役工作，但要求此時需要制定維修計劃；當其健康狀態(tài)為不健康時，則不可以繼續(xù)服役工作，此時必須按已經(jīng)制定好的維修計劃對飛行器或者各組成系統(tǒng)、各組成元器件進行維修，以恢復(fù)其使用完整性（或者軍用飛行器的作戰(zhàn)完整性）。

圖8 結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的劃分Fig.8 Expressions of structural health status

以飛行器某結(jié)構(gòu)件為例，根據(jù)其重要性和結(jié)構(gòu)特征設(shè)定基本健康度為90%～100%時，此時結(jié)構(gòu)健康，不需要進行修理；當結(jié)構(gòu)基本健康度為30%～90%時，此時結(jié)構(gòu)處于亞健康狀態(tài)，需要制定維修計劃；當結(jié)構(gòu)基本健康度低于30%時，此時結(jié)構(gòu)不健康，需要馬上進行修理。需要說明的是，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)只能監(jiān)測而不能改變結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，只有修理或維護可以提高或者恢復(fù)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

對于飛行器整機以及其組成的機電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，可以類似地評價其健康程度，只不過各健康程度之間的門檻值不同而已。

3 基于健康狀態(tài)的飛行器精準維修策略

從上述分析可以看出，依據(jù)飛行器各系統(tǒng)設(shè)備的健康狀態(tài)進行維修將可以實現(xiàn)精準維修、快捷維修，提高裝備的安全性、完好性和利用率。這也真正地使飛行器的維修活動在經(jīng)歷事后維修、計劃維修后跨入到視情維修（CBM）。對維修對象按設(shè)備予以分類，依據(jù)飛行器各系統(tǒng)設(shè)備的健康狀態(tài)，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備的安全性、重要度、經(jīng)濟性等因素，制定相應(yīng)的視情維修策略。三種健康狀態(tài)的劃分以結(jié)構(gòu)安全隱患、正常工作和維修成本等因素為依據(jù)。當系統(tǒng)設(shè)備處于健康狀態(tài)時，可以繼續(xù)使用，不需要維修；當系統(tǒng)設(shè)備處于亞健康狀態(tài)時，需要適時制定維修計劃；而當系統(tǒng)設(shè)備處于不健康狀態(tài)時，則需要立即開展維修工作。本文以飛行器結(jié)構(gòu)為例來說明基于健康狀態(tài)的視情維修應(yīng)用方法。

某飛機結(jié)構(gòu)使用一段時間后，應(yīng)用加裝的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到機翼前大梁、機翼2#長桁、機翼5#長桁、機身5#隔框和機身起落架接頭發(fā)現(xiàn)裂紋。根據(jù)各裂紋件承受的載荷及相應(yīng)材料的斷裂韌性值求得各構(gòu)件的臨界裂紋長度值，結(jié)合監(jiān)測到的各構(gòu)件實際裂紋長度，計算得到各構(gòu)件的基本健康度分別為65%、50%、53%、100%和80%，如表1所示。

表1 基于健康狀態(tài)的飛行器結(jié)構(gòu)視情維修方法Table 1 Condition-based maintenance method of aircraft structure based on health status

根據(jù)結(jié)構(gòu)件健康程度的判據(jù)和各結(jié)構(gòu)件的實際健康度可以判斷為：除機身5#隔框的健康狀態(tài)為健康外，其余結(jié)構(gòu)件均為亞健康狀態(tài)，需要制定維修計劃。根據(jù)各結(jié)構(gòu)件的裂紋擴展速率可以計算得知機翼前大梁、機翼2#長桁、機翼5#長桁和機身起落架接頭裂紋擴展到需要修理的不健康狀態(tài)（基本健康度30%）時的工作時間分別為500、210、280和530 fh。再綜合考慮飛機的出勤率和經(jīng)濟性要求，最后確定再過210 fh時對機翼2#長桁和機翼5#長桁進行修理，過500 fh后組織對機翼前大梁和機身起落架接頭進行修理，對機身5#隔框不進行修理。根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)制定的維修計劃，到時按計劃進行精準維修，就可以保持飛機結(jié)構(gòu)的使用完整性。

對于飛行器機載機電設(shè)備和機載電子設(shè)備，可以用類似的方法依據(jù)健康度制定視情維修方法。只不過對于機載電子設(shè)備，雖然芯片和互聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了板卡和產(chǎn)品的健康度，但是考慮到外場一線主要具備“板級”以上維修能力，在外場僅進行板卡和產(chǎn)品的視情維修。

對于飛行器整機，依據(jù)功能又可以將各系統(tǒng)劃分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等，上述系統(tǒng)基本上都是由結(jié)構(gòu)件、機電系統(tǒng)件和電子系統(tǒng)元器件組成。因此，對于飛機整機的視情維修計劃也可以按各功能系統(tǒng)給出，最后形成整機的維修計劃。基于健康狀態(tài)的飛行器整機視情維修方法示例如表2所示。由于飛行器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜，距離不健康狀態(tài)剩余工作時間差異較大，結(jié)合經(jīng)濟性與出勤率的要求，需要制定梯次維修計劃。示例給出了再過70、220、527和1 500 fh時分別對各系統(tǒng)進行視情維修的方案。

表2 基于健康狀態(tài)的軍用飛行器整機視情維修方法Table 2 Condition-based maintenance method of military aircraft based on health status

4 結(jié) 論

（1）本文提出了表征飛行器各系統(tǒng)及整機健康程度的度量參數(shù)——“健康度”，并將其分為基本健康度和任務(wù)健康度，取值在0～1之間。

（2）給出了飛行器各系統(tǒng)和整機健康度的計算確定方法——串聯(lián)法和并聯(lián)法，得到了芯片、焊點、板卡、產(chǎn)品的健康度模型。

（3）建立了基于“健康度”參量的飛行器各系統(tǒng)/整機健康狀態(tài)評價方法——健康、亞健康和不健康三級評價法，可以用于評價飛行器整機以及其機電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的健康程度。

（4）以示例給出了基于健康狀態(tài)的飛行器各系統(tǒng)/整機精準維修保障策略——健康時不用維修、亞健康時制定維修計劃、不健康時必須維修的總體策略以及與經(jīng)濟性要求相結(jié)合的最終實施策略。健康度的定義與表征、應(yīng)用方法也可以應(yīng)用于其他設(shè)備系統(tǒng)的健康監(jiān)控。