采用視覺檢測法檢查閃電襲擊后飛機外殼損傷的專利分析

周梅萍/中國航空工業發展研究中心

傳統中，在飛機遭遇閃電襲擊后，專業人員需要利用專業設備對閃電襲擊后的各個痕跡逐個進行檢查，以發現外部損傷的痕跡下是否存在內部的結構損傷。通常每個痕跡至少需要花費5 ～10 分鐘。而空客公司提出采用視覺檢查評估的方式將測量的表面積與表面積閾值進行比較，探尋內部結構損傷，不僅簡單便捷，而且節省了檢查時間和檢查費用，為檢測領域開辟了全新的思路。

2019 年8 月16 日，空中客車公司在我國公布了關于“閃電襲擊后檢查飛機外殼損傷”的發明專利申請。該申請的申請號為201780044435.8，其要求16382343.82016.07.18EP 的優先權。該申請的PCT 國際申請的公布數據為WO2018/015592ES2018.01.25。現對該專利進行分析，通過視覺檢測飛機表面痕跡，探尋其內部結構損傷。

背景簡述

夏季雷雨天氣不斷增多，每當一道閃電劃破天空，飛機就有可能遭受閃電襲擊。閃電襲擊對飛行中的飛機造成的影響可以說是天壤之別，遭受襲擊后的飛機有的可能毫無損傷，有的可能有些視覺損傷（VD），也有的可能有嚴重的結構損傷（SD）。其中，VD 是指閃電襲擊造成碳纖維增強聚合物（CFRP）外殼油漆刮掉一定面積的損傷；SD 是指對復合元件的結構層的損傷。具體損傷可以包括熔穿、結構點蝕、緊固件周圍的燒痕和金屬結構的油漆被燒焦、受損的纖維分層等。當飛機遭受閃電襲擊時，需要立即判斷飛機損傷的嚴重程度以及時檢修并保障飛行安全。

閃電襲擊造成的飛機損傷的嚴重程度取決于多種因素。例如閃電襲擊的能級、閃電的峰值電流和襲擊飛機的位置等。閃電襲擊飛機時，閃電最初附著在飛機機體的一個地點并從另一個地點離開，由于飛機相對于閃電通道的相對速度，在那些初始點和離開點之間（掃掠行程）可能存在若干額外的附著點，這可能導致沿著飛機的整個外殼散布多達數百個閃電襲擊的痕跡。

傳統的方式，在飛機遭遇閃電襲擊后，專業人員利用專業設備（如超聲波、X 射線或熱成像設備等）對閃電襲擊后的各個痕跡逐個進行檢查，以發現外部損傷的痕跡下是否存在內部的結構損傷。通常，逐個檢查痕跡時，每個痕跡至少需要花費5 ～10 分鐘。因此，在存在大量閃電附著點（掃掠行程）的情況下，檢查飛機外殼痕跡的時間會很長，這需要飛機停場較長時間。傳統方式檢修受襲的飛機不僅會影響航空公司的運營，而且會造成昂貴的航班延誤和服務中斷。

技術要點

1.專利要點

空客公司在對VD 和SD 這兩個參數進行深入研究后，決定通過視覺檢測表面痕跡，探尋內部結構損傷。具體方法是在飛機遭遇閃電襲擊后，對每個痕跡視覺檢查評估，測量已經被閃電襲擊去除的油漆表面積；將測量的表面積與表面積閾值進行比較，當最大SD 小于可容許的結構損傷（ADL）時，檢查才能通過。該方法不僅可以免去檢修設備，還可以簡化檢修方法，節約檢修時間。

2.技術實現方式

如圖1 結構損傷-視覺損傷關系示意圖所示，飛機被閃電襲擊后，其外殼上留有一系列的襲擊痕跡。這些痕跡存在于VD 和SD 其中，飛機針對受到閃電襲擊的可能性被分成不同區域，每個區域具有閃電襲擊的最大預期能級。

檢查閃電襲擊后飛機外殼的結構損傷的方法包括以下步驟：

步驟1：檢測每個被閃電襲擊的痕跡去除的油漆面積。

步驟2：獲取面積閾值。

其中，面積閾值與每個痕跡的SD相關，其通過以下步驟獲得：

S1，按閃電襲擊的不同能級，將SD 與VD 的經驗數據進行分類（sorting），能級低于痕跡所在的特定飛機區域中可預期的最大能量；

S2，提供對于所述痕跡所在的飛機區域的可容許的結構損傷（ADL）；

S3， 計算可容許的視覺損傷（VDADL），其中對于痕跡所在的飛機區域，最大SD 小于ADL；

S4，將優化的VDADL 確認為面積閾值。

步驟3：對于每個痕跡，測量已經被閃電襲擊去除的油漆面積（視覺損傷）。

步驟4：將所測量面積與面積閾值（即VDADL）進行比較。

面積閾值與每個痕跡的SD 相關，計算可容許的VDADL，其中對于所述痕跡所在的飛機區域，最大SD 小于ADL 時，檢查通過。

3.VDADL 計算方式

在選擇主要參數后，可以開發以下2 種方法用于計算VDADL：

方法1：如果在痕跡所在的特定飛機區域中預期的能量最大的閃電襲擊導致的SD 低于所提供的ADL，則使用稱為“邊界框法”（Bounding-BoxApproach）；

方法2：如果特定飛機區域中預期的能量最大的閃電襲擊導致的SD 高于所提供的ADL，則使用稱為“能量依賴法”。

這兩種方法都可以確定VDADL。其中，最大SD 小于痕跡所在的外殼區域的ADL。因此，如果在檢查過程中發現閃電襲擊造成的損傷且VD 小于VDADL，則可以確保飛機連續運行而不進行任何非破壞性測試，節省了航空公司的檢查時間。

4.邊界框法

如圖2 所示，在該方法中，做了一個強有力的假設：對于上述最大能級，假定VD 和SD 之間沒有關系，這導致對VD 和SD 作為統計上獨立的參數進行分析。這個假設建立在這樣的假定之上：對于足夠數量的樣本，由于VD 和SD 具有隨能量單調遞增的依賴關系，并且由于正在研究的面積與最大預見能量相關，預計損傷不會高于計算的限值。

該方法包括以下步驟：

S1，按主要參數（即能級或峰值電流）對數據進行分類。所測試的最高能級對應于痕跡所在的飛機外殼區域將經歷的最大能量閃電襲擊。

S2，計算最高能級的每種類型損傷的置信區間，同時考慮可供研究的樣本數量和每種類型的損傷（如VD 和SD）要獨立實現的置信水平。計算出的限值定義了數據受限的“邊界框”，如圖3 所示。

S3，由置信區間確定的最大視覺損傷（VDmax）是VDADL。

為了驗證所述計算，必須確保痕跡的ADL 大于或等于邊界框的上限，即最大結構損傷（SDmax）。因此，VDADL 對應于框的最右邊限值（VDmax），如圖4 所示。

圖1 結構損傷-視覺損傷關系示意圖

圖2 采用稱為“邊界框法”時飛機區域中預期的最大SD 小于ADL

5.能量依賴法

如圖5 所示，使用能量依賴法可在最小化測試次數的同時確定并驗證最終可容許的視覺損傷（VDADL）圖。具體如下：

（1）估算對于定義的ADL，VD的可接受范圍內的能級，從而盡可能多的減少測試次數。

（2）一旦獲得必須測試的能量，就可以確定VDADL 的。

如前所述，VD 和SD 平均地呈隨能量單調遞增的依賴關系。

由此可以推斷，VD 和SD 也平均地呈單調遞增的依賴關系，如經驗數據所驗證的。

該實施方案背后的想法是跨所有不同能級適當地模擬這種結構損傷-視覺損傷（SD-VD）關系，這與第一種情況即對于預期的最大能級獨立地分析VD和SD 思路相反，進而計算結構損傷-視覺損傷（SD-VD）關系的預測置信區間。

當獨立地分析SD 和VD 參數時，獨立的預測區間更高，因為并非使用所有可用信息。考慮到SD 和VD 呈單調遞增的關系，允許丟棄一些面積（VD，SD）；因此，預測區間更精確。在上述圖6 中，應用邊界框法和能量依賴法時的定性結果的比較顯示了陰影面積，該陰影面積對應于使用能量依賴法時可以丟棄的面積。

6.技術效果

上述方法針對大多數損傷，無需使用超聲波、X 射線或熱成像設備，僅通過視覺檢查評估，節省了時間并增加了飛機的運行時間。該方法的優點是它可以提供更快速的視覺檢查，從而減少飛機在地面的停場時間。

總結

本專利技術在飛機遭遇閃電襲擊后，采用視覺檢查評估的方式將測量的表面積與表面積閾值進行比較，無需采用傳統的超聲波、X 射線或熱成像設備等專業設備，簡單便捷，節省了檢查時間和檢查費用。

本專利申請通過視覺檢測表面痕跡，探尋內部結構損傷，為檢測領域開辟了全新的思路。該方式不僅在航空領域有著極其重要的意義，還在醫藥、生物等領域有著重要意義。期待有識之士進一步研究、發展視覺檢測技術，從而實現對受襲飛機的“自由檢測”。