航空發(fā)動機健康管理（EHM）是指最大限度地利用航空發(fā)動機不同的數(shù)據(jù)資源，對發(fā)動機的故障進行診斷、健康狀態(tài)進行預報，從而增強飛行任務(wù)的安全性、可靠性，提高發(fā)動機的使用效率，減少發(fā)動機的使用維護費用和維修時間。

航空發(fā)動機健康管理發(fā)展過程

航空發(fā)動機健康管理（EHM）系統(tǒng)經(jīng)歷了從狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷到預測與健康管理的逐步發(fā)展和完善過程。

民用航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的發(fā)展

美國在20世紀60年代末開始研究航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)，20世紀70年代開始在民用航空發(fā)動機上應(yīng)用并取得成功，提高了飛行安全和航班運營效率。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，也大大促進了航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

到21世紀初，歐美等國在波音787、空客A380項目中提出并實施了預測與健康管理概念，標志著航空發(fā)動機的視情維修和安全性、維修性與經(jīng)濟性監(jiān)視已進入了一個新的階段。GE公司的GEnx發(fā)動機和羅羅公司的遄達900發(fā)動機所應(yīng)用的健康管理系統(tǒng)是現(xiàn)代EHM系統(tǒng)的典型代表，由機載部分與地面部分共同組成。該健康管理系統(tǒng)功能高度集成，機載部分首次采用在發(fā)動機上安裝的方式并借助飛機通信尋址和報告系統(tǒng)，實現(xiàn)基于Web的遠程監(jiān)控與診斷，這些特征也是近幾年EHM系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

軍用航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的發(fā)展

GE公司1969年開始研制的T700-GE-700和T700-GE-701渦軸發(fā)動機已能進行基本的狀態(tài)監(jiān)視，完成一些重要部位的故障診斷。T700-GE-701C發(fā)動機的控制系統(tǒng)由數(shù)字電子控制器（DECU）和機械液壓裝置（HMU）組成，并配置一個歷史記錄儀，其健康監(jiān)視功能主要由DECU及歷史記錄儀實現(xiàn)。此外，GE公司在1979年開始為F404-GE-400渦扇發(fā)動機設(shè)計的機載發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)（IECMS）是一個實時的發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)。20世紀80年代隨著發(fā)動機和計算機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)日益成為一種標準配置。

普惠公司自1982年開始發(fā)展F100-PW-200發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，到1987年該系統(tǒng)實現(xiàn)了與飛機綜合與后勤數(shù)據(jù)庫的兼容，系統(tǒng)繼續(xù)得到擴大和改進。美國空軍的發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)可管理所有類型的軍用發(fā)動機，其擴展型增加了發(fā)動機參數(shù)趨勢分析，并向全世界100個空軍基地提供發(fā)動機診斷和趨勢分析功能軟件。

20世紀80年代末90年代初，歐洲四國開始聯(lián)合研制先進雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機EJ200，該發(fā)動機的設(shè)計要求中除了強調(diào)高推重比和低耗油率之外，特別強調(diào)高可靠性、耐久性和維修性以及全生命周期費用的降低，因此對EJ200發(fā)動機提出了狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷能力的要求。事實上，EJ200發(fā)動機具有的狀態(tài)監(jiān)視功能已經(jīng)比較完善，但其功能并非由EHM系統(tǒng)單獨實現(xiàn)，而是集成在全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)中，由FADEC系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷功能。

作為美國第四代戰(zhàn)斗機F-22的配套動力，普惠公司為F119發(fā)動機研制了診斷與健康管理（DHM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)除具有狀態(tài)監(jiān)視功能外，還具有比較完善的故障診斷能力，只是還沒有達到足夠的診斷精度，也未規(guī)定明確的考核指標。

F135發(fā)動機是在F119發(fā)動機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，除了具備完善的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷能力外，還提出了故障預測的要求，并且也具備了一定的預測能力。預測是EHM系統(tǒng)區(qū)別于以往發(fā)動機監(jiān)視診斷系統(tǒng)的顯著特征之一。為此，普惠公司投入了大量資源，開發(fā)了新型傳感器和診斷軟件，形成了比較完善的健康管理系統(tǒng)和配套的考核指標體系。EHM技術(shù)在F135發(fā)動機研制中得到充分應(yīng)用，代表了美軍目前基于狀態(tài)的維修（CBM）技術(shù)所能達到的最高水平。

航空發(fā)動機健康管理標準體系分析

技術(shù)標準是實踐經(jīng)驗的總結(jié)，同時又是規(guī)范發(fā)動機健康管理工作的技術(shù)依據(jù)。美國汽車工程師協(xié)會（SAE）航空航天推進系統(tǒng)健康管理技術(shù)委員會組織編制了航空燃氣渦輪發(fā)動機健康管理方法的系列標準。

航空發(fā)動機通用規(guī)范中有關(guān)健康管理的規(guī)定

從20世紀50年代開始，美國編制了航空發(fā)動機通用規(guī)范（MIL-E-5007、8593），經(jīng)過歷次修訂、換版，直到2011年發(fā)布了JSSG-2007C《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機通用規(guī)范指南》，見圖1。自MIL-E-5007D開始提出發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視的相關(guān)規(guī)定，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗的逐步積累，在JSGS-87231A中提出了發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）的概念，在JSSG-2007A中發(fā)展成為發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)（EHMS），在JSSG-2007B中進一步擴展為推進與動力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)（PPHMS）。

從美國的航空發(fā)動機通用規(guī)范的發(fā)展歷史來看，均對發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)提出了不同程度的要求并逐步完善。由于航空發(fā)動機在設(shè)計、制造、試驗和使用等方面都取得了長足的進步，通用規(guī)范也在不斷修改和更新，其技術(shù)要求和試驗驗證發(fā)生了很大變化，也體現(xiàn)了對產(chǎn)品的各項基本技術(shù)要求，使產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗、使用等工作有章可循。通用規(guī)范是發(fā)動機型號研制工作的指導性文件和研制依據(jù)，也是使用方驗收發(fā)動機的重要驗收依據(jù)。根據(jù)各具體型號的特點，通過對通用規(guī)范的剪裁，便可形成具體的航空發(fā)動機型號規(guī)范。

在我國的航空發(fā)動機通用規(guī)范GJB 241A—2010《航空渦噴和渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》和GJB 242A—2018《航空渦槳和渦軸發(fā)動機通用規(guī)范》修訂過程中，均在原有機載發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，明確了應(yīng)具備超限報警、振動分析、性能惡化趨勢分析等故障分析、檢測和預警功能。

圖 1 通用規(guī)范發(fā)展歷程

SAE有關(guān)發(fā)動機健康管理方法標準

為了指導航空燃氣渦輪發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及健康管理系統(tǒng)的設(shè)計、使用和維修，SAE航空航天理事會推進系統(tǒng)分部下設(shè)的航空航天推進系統(tǒng)健康管理技術(shù)委員會（E-32）發(fā)布了31項關(guān)于航空燃氣渦輪發(fā)動機健康管理的系列標準。

1981年，SAE發(fā)布了ARP 1587《航空燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)指南》，當時的電子技術(shù)還處于高速發(fā)展階段，實際應(yīng)用的產(chǎn)品還比較落后，計算機運算速度還很低，輸入輸出設(shè)備還很笨重。ARP 1587對航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的要求也是基于當時的技術(shù)水平提出的，遠遠落后于現(xiàn)在的健康管理技術(shù)水平。2007年，E-32修訂出版了ARP 1587B《航空燃氣渦輪發(fā)動機健康管理系統(tǒng)指南》，其中對航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的要求是基于現(xiàn)代先進的電子和計算機技術(shù)水平提出的。ARP l587B給出了關(guān)于EHM系統(tǒng)最頂層的觀點，介紹了EHM系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及概述、效益和能力，并提供了有參考價值的實例，展示了EHM系統(tǒng)可能的設(shè)計選擇，定義了一個廣義的EHM結(jié)構(gòu)。

由于新式的發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)可包括預測診斷能力，即根據(jù)探測到的發(fā)動機工作條件的變化預見何處發(fā)生故障，AIR 5871《燃氣渦輪發(fā)動機預測》的編制滿足了這方面的最新需求，是ARP l587B的配套標準。

2008年頒布的AIR 4061B《典型發(fā)動機健康管理系統(tǒng)功能與飛機系統(tǒng)集成指南》則為EHM系統(tǒng)的功能與飛機系統(tǒng)（包括其主動力和其他輔助動力單元（APU））的集成提供了最好的實行準則。AIR 4061B提供了典型EHM功能集成的概述，提出了與不同飛機集成時的一些系統(tǒng)變化，給出了涉及集成的總體考慮建議。通過展示EHM參數(shù)矩陣介紹了典型的EHM系統(tǒng)可能涉及的典型參數(shù)類型，提出了信號和數(shù)據(jù)處理與檢索的認識，并提出了典型EHM參數(shù)的功能要求，詳細描述了軍用和商用方面的實施。

發(fā)動機健康管理（EHM）系統(tǒng)的組成

按照SAE ARP 1587B《航空燃氣渦輪發(fā)動機健康管理系統(tǒng)指南》的描述，EHM系統(tǒng)包括4個重要組成部分：征兆、診斷、預測和規(guī)定措施，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 EHM的構(gòu)成要素

征兆

EHM的第一個要素是“征兆”，闡明EHM第一階段的工作，就是要了解當前情況并能識別出異常征兆。

識別“征兆”可以結(jié)合以下兩個步驟：第一步就是綜合每個部件使用和損傷的歷史記錄來評估當前情況；第二步是通過監(jiān)測某一部件的特性或輸出參數(shù)來判斷，包括監(jiān)視振動水平、磨損屑末。通過建立數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合使用經(jīng)驗來判定該狀態(tài)是否正常。

診斷

EHM的第二個要素是“診斷”，它是征兆分析過程，目的是掌握故障原因。由于當前狀態(tài)診斷存在不確定性，還需進行故障追蹤和隔離技術(shù)來判斷潛在的故障原因。故障原因越復雜，要找到根本原因所進行的分析就越多。此外，如果一個故障征兆需要特殊的診斷工作，也就意味著該故障很復雜并且預測很困難，為此應(yīng)將各種問題通過故障模式影響及危害性分析（FMECA）進行判斷。

預測

EHM的第三個要素是“判斷在多長時間內(nèi)將達到什么程度”。實質(zhì)上就是預測哪里正在發(fā)生惡化，或者何時會發(fā)生什么故障或者失效現(xiàn)象。這也說明有必要確認在發(fā)動機運行時，它是否會對飛機安全完成任務(wù)的能力產(chǎn)生關(guān)鍵影響。例如，在渦輪或者壓氣機葉片允許的損傷容限內(nèi)，預測工作就是確認葉片可以在下一個計劃中的孔探儀檢查之前持續(xù)工作。未來的目標就是做出越來越多的精確預測，減少對規(guī)定時間的手工檢查和檢測的依賴。

規(guī)定措施

EHM的最后也是最關(guān)鍵的一個要素是“決定要怎么處理這個故障征兆的一個過程”。如果該征兆是由一個特定的故障引起的，處理方式就是已經(jīng)事先規(guī)定好的。與診斷過程相似，規(guī)定處理過程也可以被分為不同等級。對于一臺發(fā)動機來說，處理結(jié)果可能是一個單純的維護決定，也可能是更換一個部件或者整臺發(fā)動機。另一方面就是追蹤處理措施的完成情況，確定采取的措施已經(jīng)消除了故障征兆，確認診斷或加強了預測。

結(jié)束語

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，工作環(huán)境惡劣、狀態(tài)多變，屬于故障多發(fā)系統(tǒng)。通過對關(guān)鍵部件進行連續(xù)監(jiān)測，能及早地發(fā)現(xiàn)故障前兆，從而增加飛行的安全性。通過狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，可以選擇正確的維護方法，減少無故障的檢查，從而減少維護費用。隨著健康管理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的標準要求也逐漸向故障診斷和預測延伸，以滿足實際使用需求，進而推動和引導健康管理系統(tǒng)技術(shù)的改進完善。