飛機SPHM技術的演進歷程與未來發展

在介紹飛機結構健康預測和管理（Structural Prognostics and Health Management, ?SPHM）技術之前，有必要先簡要介紹一下更為基礎的預測與健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）技術。

PHM的概念是在上世紀末提出的，主要包括預測（Prognostics）和健康管理（Health Management）兩部分。預測，即通過診斷部件或系統的工作狀態，預計其剩餘壽命或發生故障的時間；健康管理，即根據診斷和預測信息、當前可用資源和飛機部件或系統的使用需求，制定相應的維護維修策略。目前，飛機PHM技術主要面向結構、機電、航電和發動機等領域開展研究和應用。

SPHM技術是PHM技術的重要組成部分，指利用基於飛機結構的監測信息以及其他相關信息（例如歷史數據信息、同類型飛機的結構維護信息等），確定飛機結構部件是否能完成其設計功能，並對其剩餘使用壽命或者正常工作時間進行預測，進而利用可用資源及使用需求對維修或保障活動做出適當規劃和決策，以實現對飛機結構的「視情維護」，保障飛機結構的完整性和飛行安全。

近年來，飛機結構健康監測（Structural Health Monitoring, SHM）技術成為SPHM技術的一個重要發展方向。它利用安裝在飛機結構上的先進感測器網路，在線/離線獲取與飛機健康狀況有關的信息數據，特別是基於直接的或者間接的方式對結構損傷進行監測，為飛機結構健康狀態的診斷評估提供數據支持。

提高飛機結構安全性，降低結構監測維修成本，是開展「單機監控（Individual AircraftTracking）」和「視情維護（Conditional-based Maintenance）」的基礎和出發點，而單機監控和視情維護則是推動SPHM發展的原動力。因此，雖然SPHM這個術語是近年來才被提出和廣泛接納，但是其核心思想和技術進步一直與單機監控技術的發展緊密結合在一起，其演進歷程可以劃分為四個階段。

第一階段，在單機監控技術得到實際應用之前，飛機的壽命管理是基於「機群壽命管理」思想開展的，即以一種型號飛機的機群所包含的全部飛機為整體按統一的準則和方法實施管理，主要依據飛機結構全尺寸疲勞試驗，並考慮結構製造質量分散性和使用載荷歷程等，確定機群使用壽命。它包括兩個指標：一是以飛行小時或飛行起落數為度量的疲勞壽命；二是以使用年限度量的日曆壽命。但是很明顯，機群管理思想帶來了兩方面的不足：主要是不能最大限度保證每架飛機的飛行安全，以及不能充分發揮每架飛機的壽命潛力。

第二階段，其主要特徵是通過重心過載等相關飛行參數，計算出飛機的總體或局部的疲勞當量損傷值，進而估算飛機結構的剩餘壽命。具體來講，就是以當量損傷為指標構建每架飛機已飛載荷歷程與基準譜輕重程度關係，以所得的輕重關係為基礎，對每架飛機實際飛行小時數或基準譜下的安全壽命進行修正，給出每架飛機等效到基準使用情況下的已飛小時數（當量飛行小時數），或每架飛機對應其已飛歷程的安全壽命（單機結構安全壽命）。通過跟蹤對比每架飛機實際飛行小時數與單機結構安全壽命（或每架飛機的當量飛行小時數與基準譜下的安全壽命），來安排飛機的使用與維修工作。與「機群壽命」管理的明顯區別是其考慮了每架飛機自身使用的輕重影響，實現對飛機結構使用潛力的充分挖掘，提高了飛機服役的安全性和經濟性。從20世紀50年代第一代機械式「疲勞計」開始使用以來，對飛機疲勞壽命的監控工作就已經在世界主要航空強國得到了廣泛的應用。我國新一代飛機都安裝了電子式飛行參數記錄系統，並且已經在一部分飛機上開展了基於當量損傷的單機壽命監控工作。

第三階段，其主要特徵是基於關鍵部位應力歷程的單機壽命監控技術。因為在第二階段中基於飛行參數推導的當量飛行小時，是假設飛機關鍵部位的應力與過載呈線性關係。這個假設對於對稱飛行狀態（飛機各主要關鍵部位90%以上的疲勞損傷都是在該狀態下貢獻的）是成立的，但是對於飛機尾翼、操縱系統等疲勞關鍵部位的局部應力與重心過載不相關或相關性不大，所以需要引入基於關鍵部位應力歷程的單機壽命監控技術。其主要技術途徑是獲取每架飛機各關鍵部位的應力譜，建立關鍵部位損傷的評估方法，例如經典的名義應力法、應力嚴重係數法或局部應變法，並經由試驗驗證，綜合各關鍵部位損傷分析結果，評估單機的疲勞壽命消耗和剩餘壽命預測。其執行策略是首先通過飛機的各種力學模型、地面試驗和飛行試驗，建立經過驗證的飛行參數與疲勞損傷關鍵部位應變的關係；然後在服役機隊中，選擇少量飛機在其關鍵部位安裝應變監測裝置，對飛參-局部應變關係進行持續的驗證和修正；最後，利用這個關係，實現通過飛參對整個機隊中的每架飛機進行疲勞損傷監控，並以此合理調控每架飛機的飛行任務/科目，以保證機隊內各架飛機的飛行小時壽命與損傷值同步達到規定值。這項工作從20世紀80年代開始，就在各個主要航空強國中開展。經過數十年的發展，目前無論從應變監測裝置、飛行參數類型、載荷處理方法和系統規模等方面，都得到了很大程度的發展和提高。例如，從最初的機械式應變計，到電阻式電橋應變片，發展到現在的光纖光柵感測器（FBG）。FBG相比於傳統的電阻式應變片，具有重量輕、抗電磁干擾強、壽命長等優勢，是目前面向機載長期監控的最佳應變監測方案。隨著飛行參數記錄系統的發展，用于飛機疲勞損傷監控的飛行參數類型也從最初的加速度、空速、航向、時間和高度等五個發展到幾十個。結合計算機技術的發展，載荷處理和壽命評估技術採用了專家系統、神經網路、模糊邏輯等先進數據處理技術。特別需要指出的是，在20世紀90年代研發F-35的JSF項目中，PHM概念被首次提出，針對結構的SPHM概念也在那個時候進入大家的視線並被廣泛接受。隨後，多款基於「預測與健康管理」概念的PHM系統被開發應用，例如PHM、IVHM、HUMS、ACAMS、ADMS系統等。這些系統中或多或少包含了面向結構等SPHM功能模塊。

第四階段，其主要特徵是利用先進智能感測器對結構損傷進行監測，來進一步提升對飛機結構狀態的監測和評估能力。隨著新技術在飛機設計和製造過程中的不斷應用，飛機的各項性能不斷增強，服役期逐漸延長，結構老齡化問題逐步凸顯。另外，隨著先進複合材料的大規模應用，其損傷機理乃至設計原則較傳統金屬材料都有了較大的不同，因而對結構損傷直接而持續的監測變得重要。然而，截止到上面所述的第三階段，對損傷的發現和跟蹤都是基於間接的力學模型測算和周密的無損檢測和拆解檢查來實現的，這是導致安全性保障有限而維護成本高昂的最直接原因。另一方面，隨著近年來在智能材料/結構領域取得的進展，使得利用表貼在結構上的先進感測器網路在線獲取結構狀態信息成為可能，因此結構健康監測（SHM）技術應時而生。目前，具有較大應用前景的SHM感測器包括基於直接監測的聲發射技術、柔性電渦流技術、比較真空度技術和智能塗層技術等，以及基於間接監測的振動分析技術、機電阻抗分析技術、蘭姆波監測技術和分散式光纖監測技術等。這些監測手段在地面試驗、飛行試驗乃至服役飛機上進行了不同程度的應用，但是工程應用可靠性還有待進一步的提高。

通過對SPHM技術演進歷程的分析總結，可以看出，目前需要聯合高校、專業基礎院所、飛機設計所、用戶等位於研發應用鏈條上不同位置的各種力量，針對上述不同的發展階段，有針對性的開展聯合攻關，共同致力於SPHM技術的發展。

針對第三階段，需要以用戶和飛機設計所為主導力量，聯合專業基礎院所和高校，充分利用各種先進技術發展成果，在感測器可靠性、監測數據分析、損傷演化模型、系統開發等方面開展工作，開發出基於關鍵部位應力歷程的單機壽命監控系統，儘快在提升飛機結構安全性和降低維護成本方面發揮效益。

針對第四階段，則需要面對當前技術成熟度有所提高但還不足以支撐工程應用的實際情況，以用戶和飛機設計所的需求為牽引，以專業基礎院所和高校為主導力量，在突破各項關鍵技術（例如環境自適應補償技術、基於深度學習的診斷技術、數字孿生技術等）的同時，研製結構健康監測原型機，在地面結構測試、飛行測試和民機維護維修中進行試用，開展機載應用驗證，並完善關鍵技術，最終完成結構健康監測設備的研製和定型。

另外，高校和專業基礎院所還需要瞄準未來新的結構健康監測需求開展基礎預先研究，例如結構功能一體化的碳納米管複合材料、點陣格柵結構等，面向變體飛機的結構狀態監測等。

航空工業強度所從事飛機結構健康預測和管理技術研究已有十餘年的時間。作為面向工程應用的基礎科研院所，在飛機結構健康預測與管理領域，強度所依託其豐富的積木式分析驗證資源，聯合高校和其他基礎科研院所，針對各項先進監測技術，開展集成創新與集成驗證工作，結合先進的數據處理與結構分析手段（例如機器學習與數字孿生），開展飛機結構健康監測方法與策略研究，致力於向工業應用部門提供可靠的飛機結構健康預測和管理技術、方案和系統。

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