航空發動機健康管理系統標準探討

于宏軍 韓建軍 張 華 甄 博

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

對于新設計的軍、民用發動機，發動機健康管理系統是發動機不可缺少的組成部分。目前已開展發動機健康管理系統的先期研究工作，在我國新型渦扇、渦軸發動機研制中將發動機健康管理系統作為研發的重要系統之一。對發動機健康管理系統標準開展研究，將進一步夯實發動機健康管理專業領域技術基礎，為發動機健康管理系統產品的定義和研制提出明確的技術要求。

國內外航空發動機健康管理技術研究取得的成果需要規范及時進行提煉、協調和固化，可為我國航空燃氣渦輪發動機健康管理系統的研制、運行和維護等提供重大的技術引領和支撐。同時發動機健康管理系統的機載分系統、地面分系統各硬件設備及軟件的集成及其接口要求，需要規范來進行統一和協調。

1 國外發動機健康管理系統技術及標準情況

在美國IHPTET計劃和其后續VAATE計劃中，包含了健康管理系統研制的內容，健康管理系統技術早在2000年就被列入美國國防部的《軍用關鍵技術》報告中。國外新型軍用飛機如F–22、F–35、EF2000戰斗機及其發動機都不同程度地采用了診斷/健康管理技術，這對于提高飛行安全、減少維修人力、增加出動架次率、實現基于狀態的維修（CBM）和自主式保障發揮著重要作用。

發動機健康管理系統是整個飛機健康管理系統的一個關鍵組成部分。在1991年開始工程研制的為F22戰斗機配套的F119發動機上，已具有較完善的“診斷與健康管理”（DHM）系統，盡管沒有達到足夠的診斷精度，也未規定明確的考核指標。其采用的DHM系統雖然尚不具備預測能力，卻是現役航空發動機中具有的最先進的智能狀態監視和故障診斷系統。F119發動機DHM系統與控制系統結為一體，其系統硬件由控制系統電子設備和各種診斷傳感器構成，其中控制系統電子設備包括兩個FADEC（全權限數字電子控制系統）裝置和一個CEDU（綜合發動機診斷裝置）。這些裝置之間的通信是利用同步串行雙向鏈路完成的，在FADEC之間有兩條鏈路。F－22飛機借助MIL–STD–1553B總線與發動機FADEC和 CEDU通信，通過該總線將發動機操作指令從駕駛艙傳送給發動機，以及向駕駛艙提供發動機性能反饋信息。

隨著IHPTET等計劃的實施，美國國防部和SAE等行業協會也將其技術研究成果不斷地納入到各自的標準規范中，規定了新的技術要求，健康管理便是前沿關鍵技術之一。美國自MIL–E–5007D《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》后開始提出發動機狀態監視的相關規定；MIL–E–5007D、MIL–E–5007E將狀態監視等要求放入“測試系統”章節中；隨著該領域技術的不斷發展，應用經驗的逐步積累， JSGS–87231A《航空渦噴渦扇渦槳發動機通用規范》提出了發動機監視系統（EMS）的概念，JSSG–2007A發展成為發動機健康監視系統（發動機健康管理），JSSG–2007B中擴展為推進與動力系統健康監視系統（PPHMS），各版本規范相關技術要素對比分析詳見圖1。

美國SAE航空航天理事會推進系統分部下設的航空航天推進系統健康管理技術委員會（E–32）也發布了一系列燃氣渦輪發動機監視系統/健康管理系統指南共30余項，包括有限監視系統指南、滑油系統監視指南、振動監視系統指南、使用壽命監視

圖1 美軍標通用規范健康管理系統技術演變

2 國內發動機健康管理系統技術及標準情況

采用健康管理技術，可以有效降低飛機和發動機的使用費用、延長發動機壽命、提高發動機的可靠性、維修性和安全性，我國新型渦扇、渦軸發動機研制中均要求具備故障監測和診斷與健康管理能力，由于我國該項技術研究起步晚、基礎薄弱，距離工程應用仍有較大差距。國內開展發動機狀態監視和故障診斷系統的研究始于“八五”期間，目前僅具有對發動機進行狀態監控的功能，還不具備故障診斷功能，更不具備健康預測和壽命管理功能。在氣路故障診斷方法、發動機振動監測及其故障診斷系統的研制等方和零件管理指南、發動機健康管理指南、輔助動力裝置（APU）健康管理指南等，用于指導航空燃氣渦輪動力裝置的狀態監視、故障診斷及健康管理系統的設計、使用和維修。以牽頭規范SAE ARP 1587為例，將上世紀90年代初頒布的SAE ARP 1587和2008年頒布的SAE ARP 1587B的技術要求進行了梳理和對比分析，詳見圖2。面，取得了一定的突破，但主要是針對臺架試驗進行的監視和離線分析，至今沒有形成自主的可以投入使用的發動機健康管理系統。

圖2 SAE標準健康管理系統技術演變

圖3 GJB241、GJB241A、GJB241A使用指南健康管理系統技術演變

標準規范方面，已完成修訂的GJB 241A–2010在3.7.6測試系統中將原GJB 241–1987的3.7.6.1.2“發動機狀態監控”修改了“機載發動機狀態監視系統”，規定了該系統的具體功能，說明了其組成，并要求具有機內測試和自檢測能力。還增加了3.7.6.1.3“發動機狀態監視用傳感器”，列出了為滿足發動機狀態監視要求，發動機傳感器應提供的基本參數。詳見圖3。然而，由于GJB 241A–2010基本相當于其藍本5007E的技術水平，僅部分參考了JSGS–87231A的技術內容，因此GJB 241A–2010也不能較好地滿足當前發動機研制中健康管理系統的迫切需求，且遠遠落后于國外先進航空發動機健康管理系統技術水平。

上世紀90年代，我國參照SAE ARP 1587《飛機燃氣渦輪發動機監視系統指南》、SAE AIR 1828《航空燃氣渦輪發動機滑油系統監視指南》、SAE AIR 1839《航空燃氣渦輪發動機振動監視指南》等國外飛機燃氣渦輪發動機監視系統指南，編制并發布了相應的航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南，包括《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 總則》（HB/Z 286.1–1996）、《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 性能監視》（HB/Z 286.2–1996）、《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 滑油監視》（HB/Z 286.3–1996）、《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 振動監視》（HB/Z 286.4–1996）、《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 壽命監視》（HB/Z 286.5–1996）、《航空燃氣渦輪發動機監視系統設計與實施指南 溫度監視》（HB/Z 286.6–1996）、監視系統與機載系統的一體化設計（HB/Z 286.7–1996），還編制了國軍標《發動機監測與診斷系統通用技術要求》，對比分析詳見圖4。

圖4 我國現有行業級標準健康管理系統技術演變

與國外相比，我國在發動機健康管理技術水平和標準規范上都存在很大的差距。主要體現在以下幾個方面：

一是工程應用尚處于起步階段。美國第四代發動機F119/F135已具備較完善的診斷與健康管理（DHM）系統，具有最先進的監測和故障診斷功能，而我國新型發動機健康管理系統仍處于研制的初期，因此，其發動機健康管理系統的頂層技術規范要求尚在摸索階段；

二是通用規范對系統要求不足。GJB 241是以5007D為藍本編制，提出的狀態監視的要求反映了上世紀70年代該領域的技術水平。GJB 241A 修訂中參考5007E，吸收了87231和2007部分要求，但該專業領域的新技術要求并未納入241A的修訂中，對新型渦扇、渦軸發動機健康管理系統研制指導作用針對性不是很強。

三是現行標準的技術水平落后。該技術領域的現行配套標準規范多參考上世紀八、九十年代的SAE ARP 1587等標準編制，仍停留在發動機監視系統的水平，致使目前標準技術內容落后、可操作性較差，主要為指導性質的指南，側重于系統研制、成本分析和實施計劃等頂層規劃。在技術方面，則側重于機上監視參數獲取、記錄和報警以及事后的地面分析檢測。它們對于基于現代先進技術的涵蓋燃氣渦輪發動機健康管理系統的功能、性能、機載分系統和地面站的設計與結構、驗證、主要監測項目及要求等來說，已不再適用，遠遠落后于當今以SAE ARP 1587B 為代表的系列新技術規范。

根據國外先進標準技術內容以及發動機健康管理系統技術發展需要，發動機健康管理系統規范主要研究內容包括航空發動機健康管理系統通用規范研究、航空發動機使用壽命監測規范研究、航空發動機狀態監測系列規范研究和航空發動機機載與地面基數據管理系列規范研究等。

3 發動機健康管理系統規范主要內容

3.1 航空發動機健康管理系統通用規范研究

針對航空發動機研制需求，跟蹤和分析國內外發動機健康管理技術發展狀況，結合型號發動機健康管理系統關鍵技術驗證以及發動機主機、關鍵部件和各系統的故障診斷、故障預測等部分關鍵技術研究和驗證，對國外航空發動機健康管理系統指南中的頂層要求、系統的整體結構、效益和能力、應用實例以及可能的系統設計選擇進行分析研究，完成我國的健康管理系統通用規范的研究。需要形成的規范為：

系統通用規范，包括系統的功能、性能、硬件與軟件設計、機載分系統的電磁兼容性、環境適應性、互換性以及系統試驗驗證和評估驗證要求等技術要素；

燃氣渦輪發動機有限監視系統指南，包括對氣路性能、機械參數以及低循環疲勞計數和發動機歷史記錄等系統的監視，以及典型測量系統的精度等技術要素；

發動機監視系統可靠性和有效性，包括從設計思想、軟件、硬件、傳感器、操作流程、人員培訓、服務介紹和技術支持等多個角度考慮的技術要素。

3.2 航空發動機使用壽命監測規范研究

結合當前在航空發動機使用壽命監測領域所使用的要求和技術，同時考慮壽命有限零件的失效原因、發動機壽命預測和使用情況測定等新技術的潛在影響，參考國外先進發動機使用壽命監測和零件管理標準規范，完成航空發動機使用壽命監測指南的研究。需要形成的規范主要研究內容包括：

壽命限制準則、使用壽命算法；使用壽命數據的采集和管理；零件壽命跟蹤、設計反饋等。

3.3 航空發動機狀態監測系列規范研究

結合發動機性能參數監測技術研究、滑油系統、燃油系統及軸承等主要系統和部件的故障診斷技術研究、健康預測方案研究以及部分關鍵技術的驗證，完成航空發動機健康管理系統主要監視項目，如發動機溫度等性能參數、發動機滑油系統、發動機燃油系統、發動機傳動系統以及氣路和振動監測和診斷技術規范研究。需要形成的規范為：

航空發動機溫度監測指南，包括監測方法、系統、選擇標準以及硬件類型和當前的應用等要素；

航空發動機滑油系統監測指南，包括常規檢查的檢查與分析方法和設備等技術要素，含滑油系統性能監控、滑油屑末監控、滑油狀態監測及基本要求等；

航空發動機傳動系統監測指南，包括渦噴、渦扇、渦軸渦槳和發動機傳動系統的監測方法要素，含部件、界面、傳動裝置、齒輪箱、懸掛軸承、軸系和相關旋轉附件、螺旋槳等；

航空發動機振動監測系統指南，包括發動機振動監測系統及其組件的選擇、安裝、健康診斷及應用等要素；

航空發動機氣路系統監測指南，包括靜電技術要求、進出氣路碎片監視系統的應用要求等要素；

APU健康管理指南，包括APU健康管理功能、程序開發等要素。

3.4 航空發動機機載與地面基數據管理系列規范研究

分析發動機監視功能與飛機機載系統的綜合集成要求、地面站的建立要求、軟件接口要求、數據交換要求等，對航空發動機機載與地面基數據管理系列規范開展研究，需要形成的規范為：

發動機監視功能與機載系統集成，包括發動機健康管理系統的功能與飛機系統（包括其主動力和其他輔助動力單元 （APU））的集成要求；

發動機狀態監視地面站建立指南，包括系統功能、輸入數據、數據庫管理系統、輸出數據需求、用戶需求、系統研發因素等要素；

地面基監視系統使用的標準軟件接口，包括軟件輸入和輸出接口規范；

HUMS數據交換規范，包括健康與使用監視系統數據交換要求等。

4 結論

本文對國內外航空發動機健康管理系統標準展開了研究，并對需編制的發動機健康管理系統規范展開了具體討論。無論是在技術發展還是操作實現上，發動機健康管理系統是個快速發展的學科，它已成為綜合的、完整的飛機健康管理系統的子集。發動機健康管理系統關注的是早期的故障檢測，確認它們的真實性，隔離故障源，確定必要的操作和/或維修措施，并確保在故障轉換為失效和/或中斷操作者的維修計劃前完成上述工作。這些都在發動機健康管理系統規范中具有明確規定。因此認真開展航空發動機健康管理系統標準研究對我國航空發動機健康管理系統研制參考意義重大。