飛機結構健康監測技術

穆騰飛 李忠劍 戴喜妹

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引言

為了增強飛機的性能表現、更好地滿足適航規定及市場需求，飛機設計始終向著愈加復雜的方向發展，如：機體結構所受載荷隨著飛行速度的增加而加大，飛行時間越來越長，飛機使用壽命也更加長久等。對于這種大型、復雜、設計壽命較長且昂貴的現代飛機結構而言，為了確保飛機的完整性與可靠性，擴展飛機壽命，維護是運營過程中必不可少的重要環節之一[1]。目前，飛機維護主要是通過安全壽命及損傷容限方法規劃維護周期，而后基于無損檢測技術對飛機結構進行檢修保養，然而，這種傳統的維護方式存在諸多弊端，也難以很好地滿足MSG-3 的要求[2]。

安全性方面，飛機結構在服役期間，長期承受如疲勞、沖擊等形式的載荷作用，并且還承受溫度、濕度和壓力等易引發結構腐蝕的嚴苛環境考驗，這些因素均可導致飛機結構的性能下降/破壞，引起災難性事故的發生，如：1988 年阿羅哈航空公司波音737機身頂部在飛行中與結構分離；2001 年美國航空公司A300 在飛行中垂直尾翼分離。傳統的周期維護方式通常是基于機群的一些運行假設而進行規劃，然而，實際上由于每架飛機的任務及構成等因素不同，其維護需求的時間點乃至整機壽命均具有較大的不確定性。此外，由于周期性維護存在較大的周期間隔，而當飛機結構在這些間隔期運營過程中發生常規停機檢測難以發現的致命損傷時，如繼續運營該架飛機，則可能造成機毀人亡的災難性事故。即使在周期性維護的檢測過程中，由于檢測精度受人為因素影響較大，誤判率具有極大的不確定性，這也給飛機帶來了一定的安全隱患。再者，為了收益最大化，許多航空公司飛機運營的使用譜遠超設計載荷譜，同時，諸多老齡化飛機仍在運營中，而這些飛機的安全性均難以得到保障。值得一提的是，現代飛機大量采用各類新型材料，如鋁鋰合金、鈦合金、復合材料等，并使用如超塑成型、擴散連接、整體化構件制造等先進工藝，這些新技術的應用，使得結構的損傷模式更加復雜且更難以從表面發現結構失效，對結構的安全性提出了更高的要求[3]。然而，傳統的維護方式并無法合理的解決上述問題。為了提高飛機運營安全性，我們需要一種實時連續監測技術以在線評估結構的完整性和可靠性，并實現有效的飛機健康管理。

經濟性方面，據統計，飛行機組人員費用、飛機燃料費用、飛機維護費用、飛機保險費用和飛機折舊費用分別占飛機運營費比例的6%、5%、24%、29%和36%[4]。在上述費用中，具有最大降低空間的則是飛機的維護費用：時間方面，傳統的周期性維護缺少單架飛機真實相關數據的支撐，可能增加不必要的維護次數或錯過應進行維護行為的最佳時刻，此外，在維護檢測中，停機檢測、拆卸檢測等方式均耗時較長、效率低下；人力方面，維護行為需要對大量專業人員進行長期培訓，使其達到專業水準，維護人員先借助專用儀器設備對飛機進行檢測，而后再按照維修手冊完成飛機修理，這種維護需要的人力成本極大。上述因素均造成了較低的維護經濟性，因此，為了提高市場競爭力，需要發展基于結構狀況數據的視情維護技術/預測性維護技術以避免次數多、耗時長、成本高的維護行為，減少停機時間，延長結構壽命。

由上述可知，傳統的維護行為已難以更好地滿足客戶對飛機安全性和經濟性等指標的需求，因此，必須對飛機的運行狀態進行在線連續監控和健康管理，基于獲得的信息實現視情維護/預測維護，以確保飛機的安全服役以及運營經濟效益最大化。以永久安裝在飛機結構表面或嵌入復合材料結構內部的傳感器網絡為基礎的結構健康監測技術(Structural Health Monitoring，簡稱SHM)是一項革命性的創新技術，該技術能夠通過傳感器網絡長久在線實時監測飛機結構整體或關鍵區域的結構健康狀態、環境狀態及運行狀態等信息，在飛機的安全性和經濟性等方面發揮重要作用。此外，SHM技術的應用還可以獲取諸多益處，如[5-6]：傳感器技術的發展能夠快速推進智能航空領域的飛越；SHM系統獲取的大數據可用來優化飛機設計、實現設計邊界試驗，以及飛機產品從材料到制造、從服役到退役的全飛機周期過程的監控及管理等。本文以結構健康監測為基點，展開對飛機健康管理概念的討論，分析結構健康監測技術為飛機帶來的益處，如圖1 所示。

圖1 結構健康監測的益處

1 結構健康監測系統

結構健康監測技術涉及了傳感器、信號處理、數據管理、系統集成、通訊等多個學科領域，該項技術并非像傳統的無損檢測技術一樣是一種人為行為，而是一種類似于人類仿生體系的智能行為[7]。結構健康監測系統根據功能不同可分為主動監測和被動監測兩種：主動監測通過驅動元件發出信號，傳感元件接收信號，基于輸入輸出信號分析復合材料分層、脫層和脫粘等損傷以及金屬材料疲勞裂紋、腐蝕和結構斷裂等損傷；被動監測通過傳感元件接收外界因素產生的信號，獲取如振動、氣動載荷、應力應變、外部沖擊、溫度濕度等結構及環境信息。SHM系統主要由集成在結構上的傳感器網絡、信號驅動與采集硬件、控制與信號處理軟件三部分組成，如圖2 所示。

圖2 結構健康監測系統

2 SHM 傳感器技術

在結構健康監測系統中，最為關鍵的硬件載體為集成于結構中的傳感器元件。目前，結構健康監測系統中所發展的傳感器主要有應變式傳感器、加速度傳感器、壓電式傳感器、聲發射傳感器、光纖傳感器、比較真空監測傳感器、電渦流傳感器、智能涂層傳感器、無線傳感器和MEMS 傳感器等，如圖3 所示[8]。

圖3 結構健康監測典型傳感器

2.1 應變式傳感器

應變式傳感器(Strain Gauge，簡稱SG)可測量結構部位多個方向的應變情況，其中，電阻應變片是應變式傳感器最常見的類型，它將所測得彈性敏感元件的應變轉為電阻變化量，進而獲得所測量區域的載荷譜和位移譜等多種物理量。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器(Accelerometer)可基于壓電效應、電容效應、熱氣泡效應以及光效應等原理制造而成，其基本原理都是由于結構自身運動促使某個介質產生變形，進而通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出，最終獲得結構部位振動加速度信息。通過對加速度信號進行處理，不僅可以獲得所測量部位的速度和位移信息，還可以獲取結構剛度、固有頻率等特性，進而監測結構損傷。

2.3 壓電式傳感器

壓電式傳感器(Piezoelectric Transducer，簡稱PZT)基于壓電材料的壓電效應進行工作，既可以作為驅動器主動激勵結構的應力波和結構自身振動，也可以作為傳感器被動接收結構表面傳播的應力波信號，還可以用來測量應力應變等信息。斯坦福大學SACL基于柔性電路技術發展的智能層極大地推動了壓電式傳感器在結構健康監測領域的應用。

2.4 聲發射傳感器

聲發射傳感器(Acoustic Emission，簡稱AE)的核心部分通常為經過特定工藝流程后的陶瓷、半導體、光導纖維等物質，當這些物質接受到由于結構損傷或人為激勵釋放的聲波或超聲波時，其物理特性會隨著外界待測量作用而發生變化，進而基于此原理實現結構的損傷監測。

2.5 光纖傳感器

光纖傳感器(Fibre Optic Sensor，簡稱FOS)的原理是當光傳輸至調制區時，由于外界被測量的變化導致光的性質發生變化，進而可從光的性質改變中獲取結構的表征信息。在各類光纖傳感器中，以具有波長可調制以及光柵均勻分布特性的光纖布拉格光柵傳感器(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)的使用最為廣泛，常用于監測結構溫度、應力應變以及內部損傷等信息。

2.6 比較真空監測傳感器

比較真空監測傳感器(Comparative Vacuum Monitoring，簡稱CVM)由真空管路及其相鄰的氣壓管路組成，當真空通路下出現裂紋時，該通路的真空環境被破環，進而形成相對真空的狀態并以此壓差的變化作為特征指標監測結構表面裂紋的萌生與擴展，也可用于檢測結構表面腐蝕。

2.7 電渦流傳感器

電渦流傳感器(Eddy Current Transducer，簡稱ECT)基于電渦流效應可對電磁性材料進行接觸/非接觸式裂紋或部件連接程度監測。其中，電渦流柔性薄膜已成為了電渦流傳感器在航空領域應用的主要形式，常被用于齒輪、葉片以及緊固件等結構的監測。

2.8 智能涂層傳感器

智能涂層傳感器(Smart Coating，簡稱SC)是一種集成了壓電、鐵電或納米碳管等元素的結構表面涂層/漆，該涂層/漆主要由三個基層構成，即內部驅動層、中部傳感層和外部保護層。當集成智能涂層傳感器的結構出現裂紋并擴展等特征時，驅動層也會表現出相同的特征，并引領傳感層跟隨著表現出相同的特征，進而基于傳感層的電阻改變量實現結構表面健康監測。

2.9 無線傳感器

無線傳感器(Wireless Sensor，簡稱WS)通常由集成的傳感模塊、電源模塊、數據采集及處理模塊和無線通訊模塊組成，由這些無線傳感器節點構成無線傳感器網絡，進而通過該網絡協同監測所需的結構信息。無線傳感器網絡可以有效地避免引線限制、導線腐蝕和電磁干擾等帶來的弊端，極大地增加監測系統的靈活性并降低飛機引線的數量和重量，已經成為了航空結構健康監測技術的熱點。

2.10 MEMS 傳感器

MEMS(Micro Electromechanical System，簡稱MEMS)傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的微型傳感器，這種傳感器的尺寸僅為幾毫米甚至更小，其內部結構尺寸一般在微米或者納米量級。由于微型傳感器具有高集成度的特點，使得它更加易于實現智能化及多功能化，如嵌入信號自處理能力以及無線功能等。

2.11 其他類型傳感器

本文以結構健康監測技術為基點，擴展對飛機健康管理概念的探討，故此，在飛機健康管理概念中，還有諸多類型的傳感器單元，如：壓力傳感器，即用于流體壓強測量、海拔感知、流量測量、泄漏探測等功能的傳感器，溫度傳感器和濕度傳感器等。由此可見，在飛機狀態監測及健康管理的概念中，是以大量的不同類型的傳感器網絡為核心的數據化系統。當然，這些傳感器還應根據自身數據的特點或不同類型傳感器融合數據的特點，配合適合度高的算法，才能更好地發揮該系統的最大作用。

3 SHM 相關技術

由上述可知，在結構健康監測系統中，傳感器技術是其核心部分，與此相關聯的其它相關技術，亦是發揮該系統作用的關鍵，主要涉及技術如下：

3.1 傳感器集成技術

傳感器集成技術為將傳感器有效地集成于結構/系統中的一項技術，如采用柔性印刷等技術可將傳感器網絡設計為智能夾層，以解決減小傳感器安裝/集成誤差、電絕緣、相互串擾等問題，并有助于實現功能性材料和智能結構。

3.2 數據處理技術

如果說傳感器網絡是結構健康監測系統的硬件核心，那么，信號處理技術則是SHM系統的軟件核心，其包括信息融合、數據處理、系統建模和模型修正、系統辨識及趨勢預測、過程/結果可視化、自主作用和決策等諸多方面，該技術對不同類型傳感器獲得的數據進行綜合分析，進而獲得對結構信息/狀態信息更有效地認知。

3.3 系統集成技術

系統集成技術包括硬件集成和軟件集成兩部分。硬件系統集成包括上述的傳感器集成技術，以及機載硬件間的穩定性、微型化、輕質化和協調等；軟件系統集成包括數據存儲、處理以及顯示等，此外，軟件能力應與硬件能力相匹配。

3.4 傳感器布置技術

集成于結構/系統中的多種類型傳感器，配合相應的算法進行工作，傳感器的類型搭配、數量設置與位置優化布置亦是一項關鍵的技術，其中，也包括區域性傳感器網絡的數據激勵/采集、有線/無線傳輸和分析等方面。

3.5 傳感器網絡自我診斷和維護技術

傳感器網絡集成于結構/系統中，首先應保證傳感器網絡的生存能力、耐用性、可靠性、精度和使用壽命高于飛機結構/系統，當然，在部分傳感器功能缺失的情況下，SHM系統也應具有實現其功能的能力，為了確保SHM系統自身的完整性，傳感器網絡的自我診斷和維護技術是必不可缺的一項智能技術。

3.6 復雜和極端環境下的SHM技術

復雜環境和極端環境對傳感器的集成技術、傳感器本身的工作能力及相關的數據處理技術提出了更高的要求，是航空器SHM技術發展歷程中的一項重大挑戰，該技術的推進將極大的擴充SHM技術的應用范圍。

3.7 微型化技術

由于航空領域對重量及空間的特殊要求，飛機SHM硬件的組成部分應具備微型化、輕質化、低耗電等特性，這也要求相關的軟件算法應盡可能的減少計算量及計算時間，在此過程中，SHM系統的成本控制也是需要關注的指標。

3.8 融合設計技術

首先，設計集成有傳感器網絡的結構/系統時，應采用融合設計思路，將SHM技術融入到設計過程中，確保結構/系統及傳感器的性能；其次，由于基于傳感器獲得的大數據具有較高的完整性和精準性，故此，基于數據挖掘的飛機優化設計技術將為飛機設計提供一條全新的思路。

3.9 通訊技術

通訊技術可分為有線和無線兩種類型：1)有線通訊技術基于引線作為傳輸介質，其可靠性高但具有引線限制、導線腐蝕和電磁干擾等弊端，目前，為了減小引線的數量和重量，有線通訊技術的引線也朝著單線多通道微型化方向發展；2)無線通訊技術則是目前的一個發展趨勢，其具有靈活性高、運用范圍廣等特點，未來航空SHM系統通訊網絡必將由無線通訊網絡構成。

4 SHM 應用現狀

經歷了數十年的發展，結構健康監測技術已經逐步登上產業應用的舞臺[9]。1998 年，NASA在X-33 航天飛機中提出了運載器健康管理技術，該技術通過光纖傳感器監測低溫油箱的安全情況；此外，NASA還開發基于經驗融合技術的混合診斷工具以監測航天飛機引擎。至此以后，SHM技術得到了廣泛的認知和快速的發展。在美國[10]：諾斯羅普-格魯門公司基于壓電傳感器和光纖傳感器對F-18 機翼結構損傷及應變進行了監控；美國國防部基于加速度傳感器對UH-60A行星齒輪架裂紋進行了監測；波音公司基于壓電傳感器對直升機旋翼葉片的疲勞裂紋進行了監測，還在F-35 飛機上運用了健康診斷和管理技術，此外，其還推出了飛機健康管理系統，該系統主要用于飛機維護，目前已經在波音747、波音777 和波音787 等機型的研制過程中得到了應用；西北航空公司和達美航空公司基于CVM傳感器對DC-9、波音757 和波音767 飛機機翼、尾翼等結構損傷進行了真實飛行監測。

(1)在歐洲的應用。在聯合研制的Eurofight2000 上應用了基于光纖傳感器的SHM技術對飛行載荷進行監測；空客公司采取了內部研究和內外聯合研制的方式，最小化時間和成本地推進SHM技術的發展，并將SHM技術劃分為結構監測、服役飛機維護、設計減重和服役飛機維護、減重及制造裝配質量評估四個層次，全面推進其結構健康監測系統的發展，其推出的飛機維護分析系統已在空客A320、A350 和A380 得到了應用。

(2)在我國的應用。基于智能涂層傳感器對某些型號的殲擊機系列進行了實驗室級別的全集疲勞裂紋監測[11]。

(3)在諸多其它地區的應用。加拿大空軍對數架CF-18 戰斗機的機體結構進行了運行同步疲勞監控，使得該型號機群使用壽命延長了12 年[12]。巴西航空公司采用CVM和PZT技術在E-190 飛機上進行了飛行試驗，取得了較好的效果。

在最新美國各研究團隊提出的N+3 代飛機設計方案中，SHM技術均作為關鍵技術出現。由此可見，SHM技術具有廣泛的應用前景。

5 飛機健康管理

本文以結構健康監測技術為基點，進一步展開了對飛機健康管理的討論。廣義上，飛機健康管理可蘊含從材料到制造，從飛機服役到退役，甚至包括退役后的超齡飛機管理，但此處，僅對飛機常規服役期間的健康管理進行策略設計。目前，飛機健康管理主要囊括系統級別和結構級別兩個方面的監控和管理，諸多學者對此進行過研究并取得一些有價值的成果[13-14]。在此，本文基于現有理論知識與先前的工程經驗，從大數據的角度出發，發展了一套飛機健康管理策略如圖4 所示。

6 結論

結構健康監測技術是以傳感器實時數據為核心的一項創新性技術體系，該技術可在飛機的設計、制造、運營和維護等各個過程中發揮重要作用。同時，結構健康監測技術能夠極大地推進功能化材料及智能結構的發展，也是未來智能航空的關鍵核心技術[15]。隨著飛機結構健康監測技術成熟度的提升，在未來數年，該項技術將會實現在民用航空領域的大范圍工程應用，并與含系統監測及管理等技術相融合，搭建全方位的飛機健康管理平臺，實現數據飛機新理念，開創智能航空新時代。