診斷、預測和系統健康管理技術在直升機航空電子系統的應用

胡 磊，陳圣斌，沈亞斌，曾曼成

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

目前直升機按以可靠性為中心的維修(MSG-2)的要求廣泛采用定時維修、視情維修和事后維修(狀態監控)三種維修方式，其中航空電子系統及其部件/設備，基于其隨機故障的特點和系統組成，都采用狀態監控或事后維修方式。從基于狀態維修的角度看，這種維修方式，使產品使用壽命達到了極致，但是也存在如下缺陷：

1)飛行中出現故障之后，未能及時采取措施，設備中某一電路故障，將危及與其相連接的其它電路。例如，直流電源系統中的電壓調節控制保護裝置，如電源電路短路，有可能使與其相連的調壓電路板，過壓保護和過流保護電路板等造成功能破壞，甚至引起著火或冒煙危險。

2)當余度系統相同結構的設備發生共模故障時，系統中相同設備都會失效，造成飛行事故， 不能執行飛行任務，甚至影響飛行安全。如機上多功能顯示器都失效，直升機有可能失去所有飛行信息，從而無法進行飛行控制。

3)特別是由于這種維修方式是基于MTBF值來計劃備件供應，在許多情況下(嚴酷的海上或深海飛行中)會由于備件供應不足造成停機飛行。

4)雖然這種維修方式借助機載的BIT功能使外場維修的平均修復時間(MTTR)較短，但在中繼級仍有大量維護檢查工作，它們的預防性維修時間(MPMT)較高。另外由于BIT的虛警率較高，也會產生誤拆卸。

航空電子系統諸如上述的問題，使得這種維修方式對航電系統造成了較重的維修負擔。

隨著航空技術和航空電子技術的發展，目前美國正在開發一種包括動力、傳動、結構、旋翼、電氣和液壓-飛行操縱等旋翼航空器6個主要系統的故障診斷、預測和健康管理系統，以便使這6個系統的故障實現綜合管理，使6個系統實現基于狀態維修(CBM)，以降低維修負擔，提高安全性和使用可用度。

本文認為航空電子系統的狀態監控也可以融入到這一診斷、預測和健康管理系統中，從而將航空電子系統由事后維修或狀態監控轉化為基于狀態維修，消除事后維修存在的問題，降低維修負擔，提高安全性。

本文根據上面的思路，首先應用故障物理的科學方法，論述了現代航空電子系統的開路/短路、導電不良等主要故障模式不是傳統可靠性認為的隨機故障，而是像結構部件、動部件那樣，是一種隨使用時間累積而發生的耗損性故障，它們也適用診斷、預測和健康管理技術進行狀態監控；然后在COST-A的診斷、預測和系統健康管理技術的基礎上,討論了將航空電子系統融入到COST-A系統中，實現航電系統診斷、預測和健康管理；最后提出這種診斷、預測和健康管理技術的獲益和未來的發展方向。

1 航空電子系統/設備的主要故障模式

1.1 航空電子系統/設備故障機理的重新認識

所謂故障物理方法，是使用科學的方法，如后面所說的工程設計分析方法[1-2]，識別元器件、部件和系統的故障根因機理及故障發生過程，并形成知識庫，以便今后必要時應用。下面基于這種方法詳細地分析現代航空電子設備的故障發生過程及失效機理，以確定航空電子系統和設備的主要故障模式。

現代航空電子設備基本上是由半導體器件和集成電路組成的復雜的組合結構，典型的印制電路板是多層玻璃纖維環氧樹脂片的疊合結構。板上穿有許多孔體鍍銅孔，并焊有元器件、引線和一些集成電路的扁平封裝器件。在這種結構中，幾種材料的熱膨脹系數和剛度都有相當大的差別，因而它們之間存在著一系列的熱失配和剛度失配。而電子設備在使用中因開和關以及使用模態的變換和環境應力的作用，會產生低周熱循環和高周振動循環，其部、組件因存在熱和剛度失配而經受較大的應力(交變/熱應力)。根據斷裂力學的觀點，在電子元器件中不存在制造缺陷是不現實的。微觀裂紋會在交變應力下擴展，最后形成疲勞破壞。因此電子設備的一類主要故障是機械的，疲勞破壞造成電路板的焊點連線等斷裂，形成開路故障；另一類是化學性的，由于潮濕或其它化學、生物因素引起電介質退化形成電解質短路及腐蝕，這種腐蝕在接觸點生成高電阻薄膜，使電路導電不良。這些說明電子設備的主要故障是機械性的和化學性的，其發展造成的故障(短路/斷路)是非隨機的。

導致電子設備發生故障的因素是很多的，其中影響最大的是溫度、振動、濕度和噪音(顯然，這種影響因素與可靠性試驗剖面中施加的應力是一致的)。美國空軍從外場拆卸下來的故障件表明，有約50%的元器件或連接點有疲勞裂紋，常見的破壞部位是引線接合處、孔的鍍銅層、焊點和玻璃封裝；另有約45%～50%左右為腐蝕問題，在觸點或其它部位形成高阻薄膜。極少故障是因電應力過高而造成的。

由上述電子設備故障過程和故障機理分析可以得出，現代航空電子設備的主要故障模式(開路、短路、導電不良)是隨使用過程的累積損傷發展的，而不是隨機產生的。因此，根據可靠性物理理論，這種航空電子設備也可應用結構、動部件的應力-強度干涉法及腐蝕損傷的評估法，確定產品壽命[2]。

無疑，COST-A系統的診斷、預測和監控管理技術也適用于航空電子系統/設備。

1.2 電子系統/設備故障模式及其發生位置的確定

一個具體的電子設備必須確定其主要的故障模式(短路故障或開路故障還是導電不良)，以便為其檢測方法(電流法、電壓法或其它方法)及故障檢測傳感器的設置提供輸入。

1.2.1 電子設備具體故障模式的確定

通常采用如下方法確定系統/設備的主要故障模式：

1)基于數據的生成法

這是根據以往的直升機外場使用收集的信息，如基地級、中繼級及機載設備制造商修理的相關數據，來確定設備的主要故障模式。

例如：前面所說的COST-A系統的研發過程中，對液壓-飛行操縱系統，通過相應數據的挖掘確定其主要故障模式。

① 利用2410數據表(即可靠性外場信息表)及AMRDEC(航空和導彈研發及工程中心)的SME的輸入匯編成液壓-飛行操縱系統數據庫；

② 利用pareto圖(排序圖)給出系統外場可更換單元拆卸率及非計劃維修活動主宰因素排序集；

③ 利用pareto圖確定液壓泵MTBR參數指標最具影響的重要部件。

經上述信息分析，確定液壓泵的外漏及內部故障為主要故障模式。

由此可見，利用分析模型、流量、泄漏檢測傳感器，能評估狀態診斷、預測和健康狀態。

2)工程設計分析方法

工程設計分析方法是現代航空電子系統/設備常用的故障分析方法[2]。它利用CAD/CAE建模技術(如應用美國普及型軟件CAE APPS)將航空電子設備的物理模型轉化為數字模型，然后使之在計算機的應力環境下(溫度、濕度、振動、電應力)按試驗要求運行/試驗，使受試產品發生各種故障(如開路、短路、斷續接通、性能退化等)，然后從試驗結果(自動生成)獲得表征該產品的主要故障模式。

當然，應用傳統的可靠性試驗方法，也能確定產品的主要故障模式。

1.2.2 故障發生位置的確定

對于較簡單的系統或部件器故障模式，故障發生的位置和檢測方法在確定故障模式時利用基于數據的方法都能得到，但是對于復雜的航空電子設備，則需要利用工程分析方法，分析故障發生的位置。

其分析程序如下(以示例說明)：

1)建立CCA模型

某電路板(CCA)物理模型或布置圖見文獻[2]之圖4。利用CALCE PWA軟件建立電路板的帶有約束條件的CALCE PWA模型見文獻[2]之圖5。

2)隨機振動響應分析

對每一電路板進行隨機振動響應分析，以確定在分析所規定的隨機振動載荷作用下的前3個振動頻率和發生的位移，這一分析結果用于沖擊和振動疲勞壽命評估的輸入。其分析結果見表2[2]，其隨機位移見文獻[2]之圖7。

3)沖擊響應和生存力分析

此分析確定沖擊脈動造成的位移和最大應力，而生存力分析評估用于與實際最大所允許斷板(sut-of plane)的位移和可接受的電路板應力相比較，其結果以故障概率給出。這一沖擊分析的結果見文獻[2]之表3。

4)振動疲勞壽命評估

根據振動分析輸入和運輸使用剖面評估CCA部件焊點和部件引線的疲勞壽命。其結果以損傷比給出。損傷比(DR)是壽命時間內的實際循環數除以引起故障的循環數的比值，損傷比大于1，表示故障，其結果見文獻[2]之圖9。

5)熱疲勞壽命評估

焊點的熱疲勞壽命評估模型為CCA部件連接(如焊點)提供了疲勞壽命評估，其故障是因PWB和部件之間熱膨脹系數(CTE)失配造成的。熱疲勞壽命評估結果見文獻[2]之圖10。

6)組合疲勞壽命評估

組合疲勞壽命評估模型提供CCA部件相連接(如焊點和部件引線)在振動和熱載的共同作用下的疲勞壽命評估。此模型使用累積損傷Miner定律，即累積損傷為振動損傷和熱循環損傷之和。給出了組合疲勞壽命評估結果見文獻[2]之圖11。

通過上述分析就能在設計的早期知道航空電子系統/設備最可能發生的故障和故障發生的位置，這為航空電子系統外場可更換單元(LRU)故障監控提供輸入，如檢測方法、健康和非健康(故障)判別準則，以及運算律模型等。

2 實現診斷、預測和健康管理的技術途徑

2.1 基于能力的使用和支撐技術—航空計劃(COST-A)

美國陸軍航空開發管理局—航空應用技術管理中心(ADD-AATD)和西科斯基飛機公司根據美國國防部提出的后勤轉變的戰略要求和陸軍司令部陸軍航空之基于狀態維修(CBMT)的行動計劃[3，4],于2012-2014年聯合負責完成了“基于能力的使用和支撐技術-航空(COST-A)計劃”，為旋翼航空器6個主要系統(動力、傳動、結構、旋翼、電氣和液壓-飛行操縱系統)開發和演示/驗證了一套高價值的診斷、預測和健康管理技術[5]。該項計劃的主要目標是減少計劃檢查和預防性維修工作，降低使用維修費用，提高直升機的安全性和使用可用度，使6個系統實現基于狀態維修(CBM)。

該項計劃是與UH-60型機2005年的維修性基值相比較得到的維修性目標值，是：

每飛行小時檢查減少50%；

每飛行小時維修人時(MMH/FH)減少12%；

部件平均拆卸間隔時間提高15%；

誤拆卸率小于5%；

無故障工作時間：最少為10飛行小時。

2.2 COST-A的診斷和健康管理系統(COST-A系統)

COST-A系統由機載系統(OBS)和地面系統(GBS)兩部分組成。其中OBS實現6個系統的診斷、預測和系統健康管理，而GBS完成機載系統未能實現的故障診斷工作(因模糊性)和進行維修規劃。COST-A系統組成如圖1、圖2所示。

2.2.1 機載系統

機載系統組成如下(見圖1)：

1)IVHMU(綜合健康管理裝置)：這是UH-60直升機IVHMS/HUMS的裝置，COST-A的機載系統就是在IVHMU的基礎上構建的；

2)PHMU(預測和健康管理裝置)：該裝置(電路板)插接到IVHMU機架上，其功能是在機上進行6個系統的故障檢測和隔離，以減少維修排故工作，提高使用可用度；

3)OBN(光電主網絡)：它使各類裝置(數字的、模擬的)信號連接，實現實時、穩定和可靠的通信；

圖1 COST-A系統的主要組成部件

4)NAIU(網絡采集和接口裝置)：這是PHMU電路板、OBN和脫機部件(地面系統)之間的主要接口；

5)SSI(傳感器系統接口)：PHMU經SSI傳感器接口連接到OBN上，這是一多物理接口模塊，它接納數字和模擬信號、協議等，該接口實現光電信號的轉換。

6)機載軟件：機上軟件對6個系統提供了先進的機上狀態監控診斷和推理運算律，以便提供早期和精確的故障檢測和隔離。

2.2.2 地面系統

地面系統組成如圖2所示[6]。

1)飛機筆記本：它和機載系統及其軟件擴展了IVHMS在機上(UH-60型)陸軍平臺維修(PMA)軟件的功能，增加了6個系統的健康和維修顯示。

2)部隊(大隊或營級)服務器(BAT)：應用地面診斷、預測和健康管理工具進一步降低模糊性，預測部件今后的健康趨勢，并利用機群的歷史數據作出維修規劃。

2.3 COST-A診斷、預測和健康管理系統(COST-A系統)運行

COST-A系統的運行或工作原理如圖3所示。

1)診斷程序：該程序根據傳感器的信息，經處理和規格化后，識別系統中的非正常狀態并生成相應的故障模式，使特定部件超限的狀態指示(CI)或健康指示(HI)信息傳輸到維修集生成程序。

2)維修集生成程序：如診斷程序特定部件有兩個故障模式“A”和“B”的超限狀態指示，則分別生成了維修活動“1”和“2”，即有一個維修活動，這便存在模糊性；

3)故障模式推理程序：該程序接到模糊性信息后，對“A”和“B”兩個故障模式的發生概率排序，確定A故障為可能發生的故障；

4)機載維修推理程序：該程序根據“A”故障映射維修集，并生成維修建議；

5)健康累積評估程序：該程序根據“A”故障健康指示的累積評估，形成對高層次的健康指示，并以矩陣方式給出對上層次任務的安全和功能的影響，從而根據GYOR(綠黃橙紅)顏色指示，提供著陸時采取的維修措施，即時進行，還是繼續觀察(這一措施將顯示在飛機筆記本顯示器上)；

6)飛機筆記本程序：該程序一方面給出飛機著陸后采取的維修措施，另一方面對機載系統因模糊性而不能確定的故障繼續診斷，從而將故障根因找出，并予以隔離，其維修改進建議在維修顯示器上給出；

7)部隊服務器：該程序對機載系統健康進行數據累積，利用歷史數據(機群)進行維修規劃，根據剩余壽命給出部件下一次維修干預的時間，以便進行維修保障規劃(備件供應)。

上面的工作原理或系統運行見文獻[7]。

2.4 航空電子系統的診斷、預測和系統健康管理技術

1)通過前面航空電子系統設備基于故障物理的分析，確認了航空電子系統/設備的主要故障是因耗損性的疲勞損傷和化學腐蝕造成的斷路、短路及導電不良的斷續故障，因此航空電子系統也能融入到COST-A系統之中，如同結構、動部件、機電產品(如帶液壓泵的油箱)那樣實現診斷、預測及系統健康管理，使航空電子系統/設備從傳統的事后維修(狀態監控維修)轉換為基于狀態維修。

2)由于航空電子系統是由通信、導航、顯示、飛行控制、武器/火控等多個分系統組成，因此在美國COST-A系統的IVHMU裝置中增加航空電子系統的預測和健康管理裝置(電路板)(AVIONIC-PHM電路板)(裝置中含軟件)，實施對航電系統的狀態監控。

3)由于航空電子系統都有機載自檢測功能，因此采用BIT傳感器作為AVIONIC-PHM系統的故障檢測裝置，但是應提供航電設備(LRU)的故障/失效的狀態指示或健康指示門限值。

4)這樣航電系統的數據和信息也通過COST-A系統中的OBN、NAIU、SSI與COST-A的IVHMU和航電-PHM相互交聯實現信息共享(如航電PHM系統從IVHMU中獲取飛行記錄數據等進行故障檢測等)，航電PHMS的數據和信息也可傳輸到地面系統(地面系統加入航電PHM系統相關要求，如航電設備的故障歷史數據)以實現地面系統診斷預測、健康管理功能。

5)航電PHM系統實現其診斷、預測和管理技術的挑戰/問題是：

①確定航空電子設備的主要故障模式，通過各種方法，如基于數據生成法、工程設計分析法或傳統可靠性(三綜合條件)試驗獲取其故障模式、故障發生的位置，并建立歷史數據庫，以獲取設備的故障數據，建立CI、HI門限值；

②建立表征電子設備故障的模型，可采用數據生成法、物理模型法、神經網絡模型法等。根據故障模型形成診斷、預測和健康管理軟件，實現診斷、預測和管理功能。

③采用先進的傳感器技術。對原機上BIT的傳感器重新檢討，以選用先進的傳感器，如壓電傳感器、霍爾效應傳感器，這些傳感器應選擇合理的方法(易于實現且不會增大費用等)，或嵌入在要檢測的電路中，或設置在設備外面的電纜中(如電纜故障通過擴譜時域發射器(SSTPR)來檢測與電纜相連接的電子設備電子模塊的斷路故障)。

④根據現有資料認真學習COST-A系統的診斷技術、推理技術、模型構建技術、系統集成或綜合技術，形成航空電子系統的診斷、預測和系統健康管理技術。

⑤長遠設想，建立全機各個系統重要設備的診斷、預測和系統健康管理體系，實現直升機從目前的三種維修轉化為基于狀態維修，最終實現二級維修體制，消除目前以檢查為主的中繼級維修。

⑥通過無線電傳輸，將機載系統信息實時下載到地面系統進行同步處理，實現空-地一體化，使飛機使用維修保障無間隙銜接，進一步減少維修負擔，提高直升機使用可用度。

⑦本文僅是系統方案設想，真正的工作還包括參數指標體系、各參數的改進要求，系統/分系統部件及其軟件各自研制驗證及系統綜合的驗證確認等大量工作。美國COST-A系統經過2012-2014年累積40多個月的研發，整個系統形成了30多項新的和改進技術，經系統綜合試驗臺驗證達到技術成熟度6級(PHL-6)的水平，因此工作是大量的，任務是繁重的。

3 結論

通過上面的論述可以得出：

1)基于故障物理分析，航空電子系統/設備的主要故障模式為短路、斷裂、斷續通斷等，極少為隨機故障；

2)航空電子系統/設備故障能應用與結構系統相似的應力-強度干涉法，確定主要故障的發生、擴展和最終影響；

3)基于上面的結論，本文認為，航空電子系統/設備也能采用美國COST-A系統的基礎結構建立航空電子系統的診斷、預測和系統健康管理系統，實現基于狀態維修，減少維修負擔，提高使用可用度和飛行安全。