■ 范滿意 / 中國航發(fā)研究院

隨著航空發(fā)動機功能結(jié)構(gòu)越來越復雜，以及用戶對發(fā)動機的安全性、可靠性的要求越來越高，健康管理系統(tǒng)成為先進航空發(fā)動機的重要組成部分，該技術(shù)的成熟與工程化應用對航空發(fā)動機的全生命周期具有顯著的提升作用。

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜、工作環(huán)境惡劣，主要工作零部件承受著較高的離心負荷、氣動負荷以及振動交變負荷等，同時還受到外來物的沖擊，以及風沙、潮濕、鹽霧的侵蝕，引起發(fā)動機的性能下降、疲勞損傷增多，甚至產(chǎn)生葉片斷裂、輪盤破損等危及發(fā)動機及飛機安全的事故。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機一次返廠大修需要數(shù)百萬元人民幣的費用支出，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。為了確保飛行安全，業(yè)界從20世紀60年代開始對航空發(fā)動機開展健康狀態(tài)的監(jiān)測，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)動機健康管理系統(tǒng)，如圖1所示。例如，F(xiàn)135發(fā)動機應用健康管理技術(shù)后，排故時間從F119發(fā)動機的20 min縮短到15 min，比現(xiàn)役的F110、F100等發(fā)動機排故時間縮短94%，顯著提高了發(fā)動機維修性和裝備可用率?？梢姡l(fā)動機健康管理系統(tǒng)已成為提高裝備完好率，降低維護成本，實現(xiàn)自主后勤和智能維護等新型維修保障模式的主要支撐技術(shù)。

圖1 航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)

航空發(fā)動機健康管理技術(shù)概述

航空發(fā)動機健康管理是指通過機載系統(tǒng)和非機載系統(tǒng)中的傳感、采集、處理、分析等手段，提供航空發(fā)動機氣路、滑油、振動、壽命等方面的實時或近實時信息，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢分析和壽命管理等功能，從而提醒用戶注意可能影響安全運行的狀況，有針對性地安排檢查維修、排除異常故障、改進功能性能、預測備件需求，進而提高航空發(fā)動機和飛機的安全性、可靠性與維修性。

健康管理系統(tǒng)的功能

健康管理的主要功能包括狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、趨勢分析、壽命管理和使用維護，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機健康管理的功能

狀態(tài)監(jiān)視功能是分析機載實時獲取的發(fā)動機參數(shù)，對參數(shù)與機載發(fā)動機模型對比分析，判斷參數(shù)是否存在超限和異常增量特征，將判斷結(jié)果記錄在機載事件報告中，飛行結(jié)束后將報告發(fā)送給地面系統(tǒng)，指導維護人員開展相關檢查和維護工作。

故障診斷及預測功能一般是由機載和地面故障診斷算法共同實現(xiàn)。機載故障診斷模塊通過特征提取算法對參數(shù)實時分析，提取超限特征和增量異常特征，并將參數(shù)異常特征與部件、系統(tǒng)故障模式的參數(shù)權(quán)值進行實時匹配，計算故障概率，生成機載故障報告。在飛行結(jié)束后，地面系統(tǒng)將根據(jù)下載的機載數(shù)據(jù)，采用基于發(fā)動機數(shù)學模型診斷算法、智能故障診斷算法（神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機）或基于歷史數(shù)據(jù)的故障診斷算法（貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡）等算法，進行綜合診斷分析，預測故障發(fā)生的時間和概率，得到的結(jié)論與機載診斷結(jié)果進行對比分析，當結(jié)論一致時，輸出維修報告指導維護人員操作；當結(jié)論不一致時，進行人工輔助分析確定故障結(jié)論，并對機載或地面故障診斷軟件進行升級和優(yōu)化。

趨勢分析通常分為短時趨勢分析和長期趨勢分析兩種。短時趨勢分析算法實時判斷參數(shù)異常增量特征，為機載狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果。長期趨勢分析主要是側(cè)重于發(fā)動機性能參數(shù)分析，在機載系統(tǒng)中，通過趨勢分析參數(shù)提取算法，提取特定條件下的性能參數(shù)，并記錄趨勢數(shù)據(jù)。在地面系統(tǒng)中，按架次和時間繪制趨勢數(shù)據(jù)圖，與發(fā)動機模型進行對比，分析發(fā)動機衰減狀況，為地面維修和保障資源規(guī)劃提供依據(jù)。

壽命管理功能在機載狀態(tài)下實現(xiàn)發(fā)動機日歷壽命累計、統(tǒng)計發(fā)動機一類/二類循環(huán)，生成壽命統(tǒng)計報告。這些結(jié)果將在飛行結(jié)束后傳輸給地面，在地面健康管理系統(tǒng)中根據(jù)發(fā)動機時壽件清單，采用雨流計數(shù)法或低周循環(huán)疲勞壽命消耗模型等算法，對發(fā)動機關鍵和重要件剩余壽命進行計算，生成壽命消耗報告，并根據(jù)壽命消耗速率，預計維護時間，為發(fā)動機維護準備提供支持。

使用維護是基于狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、趨勢分析、壽命管理等功能，提升對發(fā)動機的狀態(tài)感知能力，并在此基礎上做好零備件的管理以及發(fā)動機維修計劃的更新迭代，達到視情維修的目的。

健康管理與發(fā)動機全生命周期的關系

健康管理在發(fā)動機使用維護階段發(fā)揮非常重要的作用，但是作為一門新興的技術(shù)，健康管理技術(shù)難題的攻克需要在發(fā)動機論證、研制、使用的各階段開展，健康管理與發(fā)動機設計、加工、裝配、試驗、使用、維護之間關系的如圖3所示。

圖3 健康管理與發(fā)動機研制及使用等的邏輯關系

健康管理技術(shù)的階段性應用

健康管理技術(shù)是一種多領域的綜合性技術(shù)，涉及發(fā)動機的多個專業(yè)，需要跨專業(yè)的技術(shù)人員協(xié)同努力才能實現(xiàn)發(fā)動機使用維護方式的變革與技術(shù)成熟突破，健康管理技術(shù)的應用大致可以劃分為3個階段：第一階段是健康管理與發(fā)動機檢測技術(shù)交叉驗證、相互促進的階段，健康管理的監(jiān)測結(jié)果需要與發(fā)動機孔探、滑油離線分析、熒光檢測、無損檢測等測試手段對比分析，提高健康管理對發(fā)動機異常的靈敏度，同時降低由于信號傳輸、發(fā)動機狀態(tài)多變等帶來的虛警，提升發(fā)動機感知與監(jiān)測效率；第二階段是健康管理技術(shù)與發(fā)動機設計、加工、裝配、試驗的相互作用階段，該階段除了繼續(xù)開展健康管理監(jiān)視算法的驗證和優(yōu)化，重點是故障診斷功能的成熟與優(yōu)化，健康管理的診斷結(jié)果可以為發(fā)動機設計、加工、裝配、試驗工作的檢查分析提供參考性指導，與此同時，發(fā)動機設計、加工、裝配、試驗的檢查結(jié)果也可以反過來驗證發(fā)動機故障診斷的結(jié)果，發(fā)動機試驗過程中發(fā)動機異常信息的記錄也可以作為發(fā)動機健康管理算法的開發(fā)或驗證的輸入，從而促進健康管理中故障診斷算法的成熟；第三階段是健康管理與發(fā)動機使用維護的相互作用階段，該階段主要是促進趨勢分析以及壽命管理功能的成熟與優(yōu)化，并開展實際工程條件下的發(fā)動機健康管理功能算法的驗證，同時完成發(fā)動機使用維護措施的改進升級。

健康管理技術(shù)發(fā)展面臨的問題

健康管理技術(shù)目前已有60多年的發(fā)展歷程，在軍用航空發(fā)動機、民用航空發(fā)動機及燃氣輪機應用較為普遍，效果顯著。我國在最近十幾年開展了眾多健康管理技術(shù)的研究，在基于機載自適應模型的故障診斷、基于頻譜分析的故障診斷、滑油的狀態(tài)評估，以及基于人工智能的健康管理技術(shù)研究方面取得了較多的基礎理論成果，基于民用航空發(fā)動機需求開發(fā)了航空發(fā)動機健康管理與維修決策支持系統(tǒng)，但是與國際先進水平相比，技術(shù)成熟度及應用廣度仍有不少差距，健康管理技術(shù)的發(fā)展及應用還面臨以下問題。

一是健康管理功能算法的開發(fā)缺少統(tǒng)一的平臺和規(guī)范，影響算法的測試和應用。當前健康管理功能算法的開發(fā)分散在各個科研院所，算法的開發(fā)接口和平臺不統(tǒng)一，導致健康管理功能算法與驗證平臺的適用性存在風險。

二是發(fā)動機故障模式的產(chǎn)生發(fā)展規(guī)律還未完全掌握。發(fā)動機故障的發(fā)生有其必然原因，可能是設計、材料、加工、裝配、使用、維護中的一種，也有可能是多種因素綜合的結(jié)果，有些是突變型故障，有些可能是緩變型故障，故障的產(chǎn)生發(fā)展時間有長有短，但是僅依靠一個專業(yè)是無法全面掌握發(fā)動機故障的演化規(guī)律，大大影響了健康管理技術(shù)的應用。

三是發(fā)動機故障的獨特性與故障診斷的統(tǒng)一性存在矛盾。故障的發(fā)生往往是在某一臺發(fā)動機某一轉(zhuǎn)速狀態(tài)下發(fā)生，因此，故障帶有單臺發(fā)動機的獨特性和轉(zhuǎn)速狀態(tài)的獨特性，而故障診斷作為健康管理的一項重要功能，希望適用于多臺發(fā)動機多個轉(zhuǎn)速狀態(tài)，甚至適用于發(fā)動機全包線的多個狀態(tài)，因此存在著發(fā)動機故障的獨特性和故障診斷功能的統(tǒng)一性的矛盾。

四是發(fā)動機健康管理功能算法的自動更新學習機制構(gòu)建的問題。健康管理系統(tǒng)本身的使用維護任務繁重是制約健康管理技術(shù)推廣應用的重要因素之一，盡量減少健康管理系統(tǒng)本身的維護任務和時間，提升對發(fā)動機的保障水平是健康管理功能算法開發(fā)過程中需要考慮的問題。

五是壽命管理算法的驗證與機載應用問題。當前壽命管理算法驗證成本高、主要依靠仿真結(jié)果驗證，技術(shù)成熟度有限，同時壽命管理算法如何能在機載環(huán)境下高效地開展工作，實現(xiàn)發(fā)動機壽命消耗的快速評估也是需要重點突破的。

健康管理技術(shù)發(fā)展展望

鑒于我國航空發(fā)動機健康管理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題，在后續(xù)的發(fā)展中可重點加強以下方面的建設。

一是建立統(tǒng)一的開放式健康管理技術(shù)開發(fā)平臺。以工業(yè)部門牽頭，構(gòu)建統(tǒng)一的開放式健康管理技術(shù)開發(fā)平臺，提供標準化的輸入輸出接口與程序規(guī)范，加快健康管理技術(shù)在發(fā)動機各型號的測試應用。

二是針對故障模式的演化規(guī)律開展多專業(yè)聯(lián)合攻關。結(jié)合發(fā)動機性能、結(jié)構(gòu)強度、機械、試驗、氣動等多個專業(yè)開展發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)分析，相互印證，獲取發(fā)動機故障的產(chǎn)生原因、發(fā)展過程中的表現(xiàn)、相互之間的影響，為健康管理系統(tǒng)的工程化應用奠定堅實的理論基礎。

三是加強新感知技術(shù)的研究。加強進出口工質(zhì)傳感器、葉尖間隙傳感器、高壓脈動傳感器、聲信息傳感器、超高頻振動傳感器等先進測量手段的研究，擴充健康管理的信息來源，加強相關監(jiān)測診斷技術(shù)的研究。同時開展新壽命測試手段的研究，支持壽命管理算法的驗證。

四是加強故障預案構(gòu)建。結(jié)合發(fā)動機的故障案例，構(gòu)建發(fā)動機故障預案庫，加強健康管理系統(tǒng)對發(fā)動機設計、材料、加工、裝配、試驗、使用、維護的支撐作用。

結(jié)束語

健康管理技術(shù)作為一門新的綜合性技術(shù)，涉及發(fā)動機的多個方面及全生命周期，在夯實相關技術(shù)基礎的同時，突破故障演化規(guī)律挖掘、新型感知等關鍵技術(shù)，必將提高發(fā)動機整體的安全性和可靠性，減少發(fā)動機非故障維修時間，提升發(fā)動機的完好率。