航空發動機健康管理系統及其標準分析

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

航空發動機健康管理發展過程

航空發動機健康管理（EHM）系統經歷了從狀態監視、故障診斷到預測與健康管理的逐步發展和完善過程。

民用航空發動機健康管理系統的發展

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

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，標志著航空發動機的視情維修和安全性、維修性與經濟性監視已進入了一個新的階段。GE公司的GEnx發動機和羅羅公司的遄達900發動機所應用的健康管理系統是現代EHM系統的典型代表，由機載部分與地面部分共同組成。該健康管理系統功能高度集成，機載部分首次采用在發動機上安裝的方式并借助飛機通信尋址和報告系統，實現基于Web的遠程監控與診斷，這些特征也是近幾年EHM系統的主流發展方向。

軍用航空發動機健康管理系統的發展

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

普惠公司自1982年開始發展F100-PW-200發動機的狀態監視系統，到1987年該系統實現了與飛機綜合與后勤數據庫的兼容，系統繼續得到擴大和改進。美國空軍的發動機健康監視系統可管理所有類型的軍用發動機，其擴展型增加了發動機參數趨勢分析，并向全世界100個空軍基地提供發動機診斷和趨勢分析功能軟件。

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

作為美國第四代戰斗機F-22的配套動力，普惠公司為F119發動機研制了診斷與健康管理（DHM）系統，該系統除具有狀態監視功能外，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，也未規定明確的考核指標。

F135發動機是在F119發動機的基礎上發展而來，除了具備完善的狀態監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系統區別于以往發動機監視診斷系統的顯著特征之一。為此，普惠公司投入了大量資源，開發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和配套的考核指標體系。EHM技術在F135發動機研制中得到充分應用，代表了美軍目前基于狀態的維修（CBM）技術所能達到的最高水平。

航空發動機健康管理標準體系分析

技術標準是實踐經驗的總結，同時又是規范發動機健康管理工作的技術依據。美國汽車工程師協會（SAE）航空航天推進系統健康管理技術委員會組織編制了航空燃氣渦輪發動機健康管理方法的系列標準。

航空發動機通用規范中有關健康管理的規定

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

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

在我國的航空發動機通用規范GJB 241A—2010《航空渦噴和渦扇發動機通用規范》和GJB 242A—2018《航空渦槳和渦軸發動機通用規范》修訂過程中，均在原有機載發動機狀態監視系統要求的基礎上，明確了應具備超限報警、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 通用規范發展歷程

SAE有關發動機健康管理方法標準

為了指導航空燃氣渦輪發動機的狀態監視、故障診斷及健康管理系統的設計、使用和維修，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）發布了31項關于航空燃氣渦輪發動機健康管理的系列標準。

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

由于新式的發動機健康監視系統可包括預測診斷能力，即根據探測到的發動機工作條件的變化預見何處發生故障，AIR 5871《燃氣渦輪發動機預測》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《典型發動機健康管理系統功能與飛機系統集成指南》則為EHM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變化，給出了涉及集成的總體考慮建議。通過展示EHM參數矩陣介紹了典型的EHM系統可能涉及的典型參數類型，提出了信號和數據處理與檢索的認識，并提出了典型EHM參數的功能要求，詳細描述了軍用和商用方面的實施。

發動機健康管理（EHM）系統的組成

按照SAE ARP 1587B《航空燃氣渦輪發動機健康管理系統指南》的描述，EHM系統包括4個重要組成部分：征兆、診斷、預測和規定措施，其功能結構如圖2所示。

圖 2 EHM的構成要素

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；第二步是通過監測某一部件的特性或輸出參數來判斷，包括監視振動水平、磨損屑末。通過建立數據模型進行數據分析，并結合使用經驗來判定該狀態是否正常。

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。由于當前狀態診斷存在不確定性，還需進行故障追蹤和隔離技術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“判斷在多長時間內將達到什么程度”。實質上就是預測哪里正在發生惡化，或者何時會發生什么故障或者失效現象。這也說明有必要確認在發動機運行時，它是否會對飛機安全完成任務的能力產生關鍵影響。例如，在渦輪或者壓氣機葉片允許的損傷容限內，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工作。未來的目標就是做出越來越多的精確預測，減少對規定時間的手工檢查和檢測的依賴。

規定措施

EHM的最后也是最關鍵的一個要素是“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，處理方式就是已經事先規定好的。與診斷過程相似，規定處理過程也可以被分為不同等級。對于一臺發動機來說，處理結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消除了故障征兆，確認診斷或加強了預測。

結束語

航空發動機結構復雜，工作環境惡劣、狀態多變，屬于故障多發系統。通過對關鍵部件進行連續監測，能及早地發現故障前兆，從而增加飛行的安全性。通過狀態監測和故障診斷，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。隨著健康管理系統技術的發展，相關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技術的改進完善。