本刊記者 李 丹

卿新林 Qing Xinlin

國(guó)家“千人計(jì)劃”專家

Expert of Thousand Talents Plan

廈門大學(xué)航空航天學(xué)院教授

Professor of Aerospace Engineering,Xiamen University

清華大學(xué)航空航天學(xué)院（原工程力學(xué)系）博士，美國(guó)斯坦福大學(xué)航空航天系博士后，第六批中央“千人計(jì)劃”國(guó)家特聘專家，國(guó)家外專局高端外專項(xiàng)目《大型客機(jī)項(xiàng)目》入選者?，F(xiàn)任廈門大學(xué)航空航天學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師、飛行器健康管理研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人；曾任中國(guó)商飛公司特聘研究員、北京研究中心民機(jī)健康管理研究部負(fù)責(zé)人。主要學(xué)術(shù)兼職有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)國(guó)際航空工業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)技術(shù)委員會(huì)理事，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)設(shè)備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警分會(huì)副理事長(zhǎng)，民機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，上海民用飛機(jī)健康監(jiān)控工程技術(shù)中心技術(shù)委員會(huì)委員，西北工業(yè)大學(xué)講座教授、博士生導(dǎo)師。發(fā)表論文130多篇，獲得美國(guó)授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng)。

：您是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的專家，尤其是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，請(qǐng)為我們簡(jiǎn)要地介紹一下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在先進(jìn)復(fù)合材料中應(yīng)用的重要性和前景。

卿新林：飛行器結(jié)構(gòu)正朝著大型化與智能化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的大型化與智能化對(duì)材料性能提出了更為嚴(yán)格的要求，不僅要求材料具有更高的強(qiáng)度和剛度以減輕結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)要求材料在特殊服役條件下具有特殊的性能。先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、材料力學(xué)性能可設(shè)計(jì)、易于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最理想材料，在飛行器結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)及所受載荷和使用環(huán)境的復(fù)雜性，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性與耐久性分析變得非常困難?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)技術(shù)都存在不少限制，復(fù)合材料的優(yōu)越性能在大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上還遠(yuǎn)沒有得以充分發(fā)揮，其應(yīng)用增長(zhǎng)速度及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益與復(fù)合材料所能提供的優(yōu)越性能還不匹配。

類似于人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)。通過在結(jié)構(gòu)上內(nèi)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)、操作以及服役環(huán)境等信息，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果可進(jìn)一步用于結(jié)構(gòu)健康狀況預(yù)判及輔助相應(yīng)的控制決策，建立基于結(jié)構(gòu)實(shí)際健康狀況與性能的視情維護(hù)策略。在民用航空領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被視為保障復(fù)合材料大量使用和提高飛行安全性、降低維護(hù)費(fèi)用的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、服役到維護(hù)修理的全壽命周期中都具有重要作用。

首先，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役過程的損傷檢測(cè)提供有效的技術(shù)手段。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷模式具有不易被觀察與檢測(cè)的特點(diǎn)，如果這些損傷/破壞在產(chǎn)生的初期不能被使用者與維護(hù)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就有可能導(dǎo)致突發(fā)性破壞，造成結(jié)構(gòu)失效，引起意想不到的災(zāi)難性事故。現(xiàn)有的無損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中可以發(fā)揮一定的作用，但這些技術(shù)無法對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)局限性大，無法檢測(cè)隱藏部位的損傷，人工干預(yù)多，人為因素影響大，且非常費(fèi)時(shí),特別是現(xiàn)代飛機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，大型民機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼壁板長(zhǎng)達(dá)十幾米甚至幾十米，現(xiàn)有的無損檢測(cè)技術(shù)不僅檢測(cè)成本相當(dāng)高昂，而且檢測(cè)速度和效率都將難以滿足制造商、客戶及維護(hù)部門的要求。與現(xiàn)有無損檢測(cè)技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)、人為干預(yù)少、無需進(jìn)入被檢測(cè)區(qū)域。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是變革飛行器傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)維護(hù)策略、實(shí)現(xiàn)視情維護(hù)的基礎(chǔ)，基于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)的視情維護(hù)將保證維護(hù)工作的科學(xué)性，避免維護(hù)過?；蛘呔S護(hù)不足現(xiàn)象，使維護(hù)任務(wù)處于合理狀態(tài)，是新一代飛行器維護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。特別是基于結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)維修將使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護(hù)管理更加積極主動(dòng)、提前介入，以進(jìn)一步提高飛行器的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過程中可以發(fā)揮重要作用。制造成本過高與產(chǎn)能太低是大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中需要解決的主要問題，這也是工信部在智能制造2025中要解決的關(guān)鍵問題。比如，復(fù)合材料樹脂傳遞成型（RTM）制造工藝在復(fù)雜大型三維結(jié)構(gòu)制造方面具有低成本與大批量生產(chǎn)的潛力，但目前缺少對(duì)RTM工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在RTM制造工藝中能夠?qū)崟r(shí)確定三維樹脂流動(dòng)前沿，檢測(cè)孔洞和異物，監(jiān)測(cè)局部材料特性和固化度，并提供樹脂流動(dòng)、固化和缺陷緩解的主動(dòng)反饋優(yōu)化控制技術(shù)，從而提高質(zhì)量、增加產(chǎn)量、降低成本和廢品率，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的智能制造。

我之前總會(huì)認(rèn)為，在越野活動(dòng)中，速度應(yīng)該遠(yuǎn)排在駕駛技巧或者車輛通過性這些因素的后面，但全新AMG G 63卻用實(shí)際行動(dòng)告訴我，速度在很多時(shí)候同樣重要。雖然每次短暫休息時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)扇都會(huì)用巨大的轟鳴聲告訴我這套動(dòng)力總成和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛才是有多么努力，但當(dāng)我再次在積雪中磨煉自己的雙手和雙腳時(shí)，它們卻總會(huì)給我提供最為可靠和充沛的前進(jìn)力量。

同時(shí)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在基于損傷容限的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可為結(jié)構(gòu)減重提供技術(shù)支撐。現(xiàn)有假設(shè)隱藏?fù)p傷存在于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的保守設(shè)計(jì)方法未能使復(fù)合材料的優(yōu)越性能得到充分的利用，由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提供結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役過程中的健康狀態(tài)，微小損傷能得到及早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)維修，從而改進(jìn)基于目視檢測(cè)的損傷容限設(shè)計(jì)理念。

：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀如何？您所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)作了哪些研究工作？

卿新林：美歐國(guó)家非常重視航空航天工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，到目前為止，無論是在基礎(chǔ)理論研究，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，還是裝機(jī)驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)都取得重要進(jìn)展，在美國(guó)NASA及DOD的多個(gè)研究項(xiàng)目中都采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。在民用航空領(lǐng)域，波音、空客、巴西航空、龐巴迪等公司也非常重視結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，他們一方面不斷獲取新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，一方面開展技術(shù)成熟度較高的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的裝機(jī)驗(yàn)證，比如他們幾年前就開始了基于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在民機(jī)結(jié)構(gòu)（特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）上的推廣應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一些單項(xiàng)技術(shù)原理性研究方面一直緊跟美歐國(guó)家，取得了一批有重要影響的學(xué)術(shù)成果。近年來，國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究突飛猛進(jìn)，在某些方面，已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平。由中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所牽頭承擔(dān)的工信部民機(jī)預(yù)研項(xiàng)目民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)對(duì)撞擊載荷與損傷的監(jiān)測(cè)、光纖應(yīng)變測(cè)量的基本原理進(jìn)行了大量研究，提高了這一技術(shù)的成熟度。中國(guó)商飛公司北京研究中心在工信部民機(jī)預(yù)研專項(xiàng)以及北京市科委等的支持下，協(xié)同南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)以及中國(guó)商飛公司客戶服務(wù)中心等對(duì)大型民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的體系構(gòu)架與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究，提出并建立了大型客機(jī)集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)架，奠定了基于分布式傳感器陣列的大型民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)；根據(jù)大型民機(jī)未來運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)支援的需求，建立了大型民機(jī)結(jié)構(gòu)健康管理數(shù)據(jù)庫(kù)框架，提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施流程和基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)的視情維護(hù)策略。這些工作為民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

盡管國(guó)內(nèi)在軍機(jī)上對(duì)基于壓電傳感器、光纖傳感器以及智能涂層等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了少量的裝機(jī)驗(yàn)證，但到目前為止，還沒有開展任何形式的民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)迫切需要利用各種可能的資源，在不斷研究新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的同時(shí)，開展成熟度較高的民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的飛行驗(yàn)證，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)成熟度，盡快推廣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，為保證國(guó)產(chǎn)大型民機(jī)的安全低成本運(yùn)營(yíng)、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供技術(shù)支持。

本人自2010年10月回國(guó)加盟中國(guó)商飛公司北京研究中心后，在工信部民機(jī)預(yù)研專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和863計(jì)劃等的資助下，和團(tuán)隊(duì)成員一起對(duì)大型民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的體系構(gòu)架與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究，提出了提高壓電傳感器高應(yīng)變承受能力的預(yù)壓應(yīng)力法和應(yīng)變傳遞方式優(yōu)化法，發(fā)展了大型傳感器陣列技術(shù)、主被動(dòng)一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)以及多功能信息處理技術(shù)，建立了集主被動(dòng)傳感為一體的定量化和高可靠性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)建了大型民機(jī)集成化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn)與驗(yàn)證平臺(tái)；同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的前沿技術(shù)開展了一些探索，比如提出和發(fā)展分布式多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)技術(shù)、智能螺栓技術(shù)等。

目前，我所在的廈門大學(xué)飛行器健康管理研究團(tuán)隊(duì)正在開展飛行器全壽命周期的健康管理研究，主要包括先進(jìn)傳感技術(shù)、復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的視情維護(hù)策略以及先進(jìn)維修技術(shù)的研究。

：航空領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的主要差距在哪些方面？從您的研究領(lǐng)域來看還有哪些技術(shù)需要攻克？

卿新林：在民用航空領(lǐng)域，近幾年國(guó)內(nèi)取得了很多重要進(jìn)展，比如ARJ21交付使用、C919成功總裝下線、遠(yuǎn)程寬體客機(jī)研制即將開展。但無可否認(rèn)，國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域與美國(guó)相比還存在較為明顯的差距，這種差距主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是關(guān)鍵技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的擁有，一是技術(shù)創(chuàng)新。比如，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上，先進(jìn)設(shè)計(jì)分析手段及技術(shù)體系缺乏，高性能材料體系未充分驗(yàn)證，制造技術(shù)自動(dòng)化程度低，結(jié)構(gòu)維護(hù)保障技術(shù)體系不足，適航經(jīng)驗(yàn)缺乏。在新技術(shù)的應(yīng)用上，國(guó)際上的主要航空公司都非常重視技術(shù)創(chuàng)新，比如空客公司甚至提出Innovation to Business （I2B）的理念，他們投入大量人力物力支持技術(shù)創(chuàng)新。而我們?cè)诿裼煤娇疹I(lǐng)域主要是跟蹤和研究波音、空客公司已經(jīng)在使用的成熟技術(shù)，對(duì)他們正在研究并在未來型號(hào)上有很好應(yīng)用前景的新技術(shù)的關(guān)注與研究投入很少。

在我所從事的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康管理領(lǐng)域，目前需要攻克的主要技術(shù)難題是發(fā)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從“生”到“老”的全壽命周期健康管理技術(shù)。包括在“生”——制造階段，如何實(shí)現(xiàn)自主性和智能性，以確保結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量；在服役階段至“老”——修補(bǔ)階段，如何有效監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，充分發(fā)揮其潛在效益。具體說來，就是要以分布式多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，發(fā)展基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)和維護(hù)新方法，創(chuàng)建面向飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命周期健康監(jiān)控的決策支持基礎(chǔ)理論。攻克這些難題可徹底改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、制造工藝以及檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化、充分利用復(fù)合材料的優(yōu)越性能、大幅降低復(fù)合材料制造與運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

：在國(guó)家各項(xiàng)政策的支持下，飛行器健康管理將會(huì)迎來怎樣的發(fā)展機(jī)遇？

卿新林：在“十三五”規(guī)劃提出的國(guó)家計(jì)劃實(shí)施100個(gè)重大工程及項(xiàng)目中，多個(gè)項(xiàng)目涉及到航空航天領(lǐng)域，這對(duì)我們航空航天領(lǐng)域的科技工作者來說，無疑是一個(gè)自己施展才華同時(shí)也為國(guó)家貢獻(xiàn)力量的極好機(jī)會(huì)。需要特別提出的是，在工信部于2015年10月30日中發(fā)布的《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，明確將“突破飛行器健康管理瓶頸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在新裝備上的初步應(yīng)用；提高健康管理的智能化、綜合化水平，建立以網(wǎng)絡(luò)為中心的智能化服務(wù)保障體系”作為“航空航天裝備—飛機(jī)”領(lǐng)域的5個(gè)關(guān)鍵共性技術(shù)之一；將“先進(jìn)健康管理系統(tǒng)整機(jī)驗(yàn)證；主動(dòng)綜合控制的健康管理系統(tǒng)和整機(jī)驗(yàn)證”作為“航空航天裝備—航空發(fā)動(dòng)機(jī)”的7個(gè)關(guān)鍵零部件之一。毫無疑問，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),飛行器健康管理將是航空航天領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。