航空發動機健康管理系統功能架構

健康管理技術不僅能夠對發動機的各個截面的狀態進行監測和故障診斷，同時具有趨勢預測和發動機全生命周期管理的功能。發動機健康管理技術實現了從傳統的定期維修方式到視情維修乃至預測維修的轉變，成為發動機安全性、可靠性的必要保障措施。

航空發動機狀態監視和故障診斷系統的研究始于20世紀60年代末，70年代開始在民用發動機上應用，并成功地提高了飛行安全和航班運營效率。波音777、 波 音747-400、A320、A330等機型都配備了飛機健康管理（Aircraft Health Management，AHM）系統，均具有發動機健康管理（Engine Health Management，EHM）功能;目前波音787、A380配裝的GEnx、遄達900等發動機均配備了獨立的發動機健康管理系統。從使用效果來看，民用飛機（如波音747、波音777等機型）采用的健康管理技術可降低20%的維修成本，可使航空公司節省約25%的因航班延誤或取消而導致的費用。

發動機健康管理系統需求分析

健康管理系統定義及作用

健康管理系統起源于狀態監控系統，由早期的重點參數監測和回放功能轉變為現在的實時狀態監測、故障診斷、趨勢分析、壽命管理與維修決策支持等功能。

發動機健康管理是指通過獲取發動機相關數據信息，對發動機整機、各系統和部件進行綜合監測分析，評估發動機的健康狀態并提出維修建議，以實現對發動機的視情維修。

健康管理系統的重點是將各種算法和智能模型以及先進的傳感器集成在一起，用于預測、診斷、監控和管理發動機狀態，以實現維修思想和維修策略的轉變：一是維修思想從以預防為主向以可靠性為中心進行轉變，由傳統的基于傳感器的故障診斷向基于智能系統的預測發動機狀態的轉變；二是維修策略從定時維修向視情維修轉變，由事后維修和定期維修向基于狀態的視情維修及預測維修轉換。

健康管理系統需求分析

發動機的性能在不斷提升，結構日益復雜，對發動機的可靠性和維修性提出了更高的要求。實際上，不論發動機的設計、材料和工藝水平，還是使用、維修的管理水平都不能保證發動機在使用中不出現故障。因此，用戶對發動機的供應方提出了健康管理的需求。

健康管理系統的主要目標是發動機的安全性、可靠性和維修性，健康管理系統是發動機從定期維修向視情維修轉變和零部件視情生產的基礎。

從使用目標角度，配備發動機健康管理系統應該達到以下目標：有效提高發動機的安全性和可靠性；延長發動機使用壽命；提高發動機的使用效率；降低維修成本；具備支持維修編制計劃和安排維修日程。

從功能角度出發，健康管理系統在設計時提出了以下需求：航空發動機在工作狀態下能夠對發動機各個截面、各個工作狀態進行實時監控，及時發現異常或失效情況；健康管理系統應能夠對發動機異常和失效進行分析，對未來可能發生的故障進行提前預警并給出分析信息；健康管理系統應對發動機各部分機械結構的情況進行記錄和監控，便于視情維修的實現；健康管理系統應具備對發動機性能進行評估的功能，為機務人員提供維修建議。

典型的軍用發動機健康管理系統

F119發動機健康管理系統

F119發動機的健康管理系統主要通過獨立的發動機健康管理監測單元與電子控制器共同實現發動機的故障監測、隔離等功能，配合地面保障設備具備實現發動機的趨勢分析與維修保障的功能。

F119發動機機載健康管理系統通過STORM模型，實現氣路性能監測、振動監測、滑油監測和壽命管理等功能。機載健康管理系統具備檢測、診斷發動機故障的功能，能夠在線統計關鍵部件的壽命使用情況，存儲健康管理數據和維修所需數據。當出現異常時，能夠向飛行員發送不同等級的告警信息。

地面系統主要由地面保障設備對機載數據進行二次分析，完成關鍵部件的壽命管理，并針對故障或異常進行維修處置。

EJ200發動機健康管理系統

歐洲EJ200發動機的EHM系統采用的也是機載系統和地面支持系統的結構方案，如圖1所示。機上主要功能為機內自檢測、故障檢測、壽命消耗計算和存儲記錄；地面支持保障系統（如圖2所示）則完成性能關鍵參數趨勢分析、詳細的故障診斷和隔離、壽命管理、發動機機群管理以及后勤規劃等。

圖1 EJ200發動機健康管理系統功能與架構

圖2 EJ200地面EHM系統功能

F135發動機健康管理系統

F135發動機配裝的健康管理系統被認為是美國基于狀態維修技術的最高水平。F135發動機健康管理系統由機載智能實時監控系統和地面飛機綜合管理系統組成，通過先進傳感器和智能診斷算法實現準確檢測隔離故障功能，在診斷預測基礎上具備維修決策和資源管理等功能。

航空發動機健康管理系統功能架構

圖3 健康管理系統使用模式

發動機健康管理系統能夠對發動機狀態進行實時監控，自動定位已發生故障的部附件并預測潛在的故障，自動提交診斷和預測報告給飛機綜合管理系統，提供維修提示；逐步實現視情維修，減少發動機定檢及維修次數，減少維修人員工作量、備件數量及停機時間，從而減少維修費用；最終提高發動機可靠性、維修性和保障性。

健康管理系統通常由機載子系統和地面子系統組成。通過獲取飛機、發動機相關數據信息，采用機載和地面健康管理算法相結合的方式，實現發動機狀態監視、故障診斷及預測、趨勢分析、壽命管理功能，機載系統為飛行員提供告警信息，地面系統為地面維修人員提供維修建議，為維修保障提供規劃。

機載子系統一般由機載監測單元、專用傳感器、發動機電纜和機載健康管理軟件等組成。通過對發動機數據的采集、處理、分析和記錄，實現對發動機狀態實時監測、故障診斷和壽命統計分析等功能。

地面子系統一般由地面數據處理計算機、數據管理中心和地面健康管理軟件組成。通過對機載系統記錄數據的進一步處理，實現故障診斷、趨勢預測和壽命管理(包括關鍵件、重要件、成附件)功能，并生成發動機健康狀態報告，指導發動機的使用和維修。

健康管理系統功能

健康管理系統一般具備狀態監測、故障診斷、趨勢分析、壽命管理、使用維修等功能。

狀態監測功能

健康管理系統通過機載狀態監視功能，分析實時獲取的發動機參數，對參數與機載發動機模型或門限值進行對比分析，判斷參數是否存在超限和異常增量特征，并根據監測結果生成事件報告。一般包括性能監測、滑油系統監測、振動監測、控制系統監測。

故障診斷功能

故障診斷功能一般是由機載和地面故障診斷算法共同實現。機載故障診斷功能通過特征提取算法對參數實時分析，提取超限特征和增量異常特征，并將參數異常特征與部件、系統故障模式的參數權值進行實時匹配，計算故障概率，生成機載故障報告。

在飛行結束后，地面系統將根據下載的機載數據，采用基于發動機數學模型診斷算法、智能故障診斷算法（神經網絡、支持向量機）或基于歷史數據的故障診斷算法（貝葉斯故障診斷網絡）等算法，進行綜合診斷分析，輸出維修報告以指導維修人員的操作。

趨勢分析功能

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異常增量特征，為機載狀態監測和故障診斷提供數據分析結果；長期趨勢分析主要是側重于發動機性能參數分析。在機載系統中，通過趨勢分析參數提取算法，提取特定條件下的性能參數，并記錄趨勢數據。在地面系統中，按架次和時間繪制趨勢數據圖，與發動機模型進行對比，分析發動機性能衰減狀況，為地面維修和保障資源規劃提供依據。

壽命管理功能

在機載狀態下實現發動機日歷壽命累計、統計發動機一類、二類循環，生成壽命統計報告。這些結果將在飛行結束后傳輸給地面，在地面健康管理系統中根據發動機時壽件清單，采用雨流計數法或低循環疲勞壽命消耗模型等算法，對發動機關鍵和重要件剩余壽命進行計算，生成壽命消耗報告，并根據壽命消耗速率，預計維修時間，為發動機維修準備工作提供支持。

使用維修功能

在地面系統中，將機載和地面各種健康管理分析算法生成的信息進行融合，生成綜合檢查、維護和修理綜合報告，評估發動機的健康狀態，提出維修建議，并通過網絡發送給維修廠、備件中心等部門，進行維修前的準備。同時，健康管理地面分系統還根據發動機健康狀況，對發動機進行維修排隊，為飛機換發、發動機維修提供支持，從而保證發動機安全可靠的運行，提高維修效率，提高飛機出勤率。

健康管理系統關鍵技術

健康管理系統不僅涉及發動機的多個學科，而且包含很多方面的技術，如傳感器、數據管理、各種建模方法和算法、信息融合、預測技術等。

滑油狀態在線檢測技術

航空發動機主軸承在苛刻的載荷、轉速和溫度下工作。通常，軸承部件在10～100h內就能從初始裂紋迅速發展為災難性失效，有時這個過程僅為幾個小時。而且，主軸承的失效往往會對發動機引起二次損傷。因此，需要對軸承剝落的金屬屑末進行連續監視，以提前探測失效的發生，保證發動機的安全。因此，滑油金屬屑末檢測傳感器、滑油成分監測傳感器以及監測技術成為健康管理系統重要傳感器和關鍵技術之一。

進出口工質檢測傳感器技術

航空發動機經常會吸入各種物體，大部分是無損傷的（如昆蟲和葉子），有些則是有損傷的（如石頭和鉚釘）。因此設置一個探測吞咽物體的系統是非常重要的，它能夠識別無損傷和有損傷屑末。利用進出口工質檢測傳感器在線監測進出口是否存在異物，可以預測吸入的后果。該傳感器可以提高發動機運行安全。

氣路故障診斷技術

發動機氣路的失效或故障大多數都會在發動機氣路的氣動熱力參數和性能參數上有所反映，發動機氣路狀態監視、故障診斷及性能趨勢分析是通過利用所測得的發動機氣動熱力參數、性能參數和幾何可調部件的位置參數，從熱力性能角度出發，分析發動機運行所處在的工作狀態、發動機故障發生的位置和原因以及對發動機氣路性能的影響。

壽命管理技術

計算發動機零部件的壽命消耗，即建立一個合適的反映零件所受載荷和零件應力關系的壽命消耗數學模型進行壽命使用監測。隨著每一次飛行參數測量和處理，計算零件的壽命消耗，得到其每一次飛行的壽命消耗百分數。零部件消耗壽命計算的主要過程是通過數據采集得到飛行剖面，經過實時的數據處理，得到監視零件和部位的載荷和應力，再通過模型計算零件的壽命消耗百分數。

壽命消耗計算模型是壽命管理技術的核心。根據發動機結構和強度設計準則要求及發動機設計信息，建立發動機低周疲勞消耗模型、蠕變壽命消耗模型等，并結合發動機的材料特性精確計算發動機關鍵部件的使用消耗壽命。

信息融合技術

發動機數據信息從多方面獲得，包括傳感器的測量、控制系統產生的故障代碼、維修歷史記錄和組件模型等，這些數據信息之間存在非常復雜的關聯關系。要對發動機達到較為準確的故障診斷和預測，就必須對健康管理系統中種類繁多的發動機數據進行有效的數據融合管理。

結束語

健康管理系統已在多型發動機上得到了應用，其發展趨勢體現在以下幾個方面：一是智能化，從簡單檢查/監視向智能檢測、診斷、預診方向發展；二是綜合化，從簡單監視向機載—地面網絡綜合監視、保障方向發展；三是實時化，從事后檢查向實時監視、診斷、預診、視情維修和預測維修方向發展；四是通用化，從針對單一型號的系統架構到開放系統構架、通用軟硬件模塊方向發展。

健康管理技術是隨航空發動機的結構、工藝、材料、傳感器技術等科學技術的發展而發展起來的一門多學科融合的技術，是飛機安全保障的一部分。健康管理系統能夠提升發動機在線監測、診斷水平，提升發動機維修效率，保障發動機的安全、穩定和可靠地運行，并指導維修工作。健康管理技術是實現發動機視情維修的重要措施，是未來發展的必然趨勢。