中国航空工业发展研究中心：飞机结构健康监测技术发展研究

作者：刘雪蓉，曹贺，张宝珍

作者单位：中国航空工业发展研究中心

摘  要：介绍了结构健康监测技术（Structural Health Monitoring，SHM）的概念以及主动和被动损伤监测方法的原理，分析了飞机结构健康监测技术的国内外研究现状，阐述了比较真空监测（Comparative Vacuum Monitoring，CVM）传感技术、智能涂层传感器技术、光纤传感技术、压电传感器（Piezoelectric Sensors， PZT）技术和无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）等目前较为先进的传感技术的原理以及传感器技术在各类装备上的应用情况，介绍了飞机结构健康监测技术在F-35联合攻击机（Joint Strike Fighter， JSF）上的典型应用。指出飞机结构健康监测技术正向智能化方向发展；未来需要重点研究传感器网络的智能诊断技术、复杂环境下的SHM技术、基于结构健康监测的健康管理技术、智能材料 /结构健康监测技术，并将深度学习、数字孪生等前沿技术应用于航空领域，以推动我国飞机结构健康监测技术发展。

关键词：飞机；结构健康监测；先进传感器；结构预测与健康管理；深度学习；数字孪生

文章主要内容

飞机结构健康监测技术可分为被动监测和主动监测两类。被动监测通过捕获待监测结构发生的响应信号实现对损伤的监测。主动监测则通过主动向结构激励一定形式的波信号，利用分布在结构各处的传感器接收响应信号，通过分析损伤前后响应信号的差异变化来提取损伤特征信息，实现损伤监测和诊断。主动和被动结构健康监测技术原理如图1所示。

图1　主动和被动结构健康监测技术原理

飞机结构健康监测技术的应用中涉及很多关键技术，包括系统集成技术、传感器技术、数据处理技术、复杂环境下的SHM技术等，其中，传感器技术是飞机结构健康监测技术的基础。应用于飞机结构健康监测领域的传统传感技术主要包括应变片、声发射传感技术等。目前，较为先进的传感技术主要包括比较真空监测传感、智能涂层传感器（Intelligent Coating Sensors，ICMS）、光纤传感、基于弹性波的压电传感以及无线传感器网络等。CVM技术根据真空度和压差监测机体是否存在裂纹，通过测量结构表面的真空度变化来监测微裂纹损伤。目前，CVM技术是波音、空客、BAE等公司首选的裂纹监测方法。巴西航空工业在E-Jets喷气机上安装了260个CVM传感器并进行了地面全机疲劳试验（Full⁃Scale Fatigue Test， FSFT），如图2（a）所示，并且将传感器安装到Embraer-190试验飞机上检测裂纹，如图2（b）所示。

图2　安装在巴西航空工业公司飞机结构上的CVM传感器

光纤布拉格光栅传感器（Fiber Bragg Grating，FBG）利用光纤中的布拉格光栅来测量光的折射率，只有波长与Bragg中心波长相同的入射光才会在栅区被反射。在损伤监测过程中，将光纤光栅粘贴在监测区域，当被监测区域的状态受到温度、应变影响时，栅区折射率的变化会引起反射光中心波长的变化，通过提取反射波的特征参数可识别结构的健康状态。图6为光纤光栅传感器监测铝合金板损伤。

图6　光纤光栅传感器监测铝合金板损伤

美国空军的F-16、F / A-18、F-22、F-35等多种军用飞机及波音、空客等各种民用飞机均广泛应用了飞机结构健康监测技术。PHM和自主保障信息系统（The Autonomic Logistics Information System，ALIS）是美军未来空中作战力量的核心装备F-35实现自主保障的关键技术，是实现飞机状态预测、故障诊断、健康监控和管理的重要手段。

基于PHM的F-35战斗机机身传感器布设如图13所示。F-35战斗机包括常规起降（Conventional Takeoff and Landing， CTOL）、短距离起飞 / 垂直降落（Short Takeoff and Vertical Landing， STOVL）和舰载（Carrier Variant， CV）三种型号，CTOL型和STOVL型战机需安装10个应变传感器，CV型战机需安装13个应变传感器，应变传感器直接对粘接位置处的参数进行测量，并由飞机记录相应的时间历程，用于离机分析。应变传感器的采集频率为320 Hz，可以保证对动态响应的监测。此外，每架飞机安装了两个腐蚀传感器，一个安装在天线罩上，另一个安装在燃料热交换舱上。腐蚀传感器记录飞行开始和结束时的数据，可以对飞机经历的环境做出响应。

图13　基于PHM的F-35战斗机机身传感器布设

展望

结构健康监测技术对于评估飞机健康状态、提高航空装备安全性与可靠性具有重要意义。随着技术成熟度的提高以及新技术的不断发展，飞机结构健康监测技术得到了更大范围的应用，同时飞机结构健康监测技术正在向飞机健康管理的方向发展。本文针对我国飞机结构健康监测技术及相关技术应用于此领域的未来发展趋势给出预测及建议。1）研究传感器网络的智能诊断技术在实际工程应用中，传感器的损伤会极大降低传感器网络的可靠性，监测过程中可能会出现假阳性和假阴性结果。因此，未来需要重点研究传感器网络的补偿信息采集、状态智能诊断以及维修技术，以提升飞机结构健康监测传感器网络的准确性和可靠性。2）研究复杂环境下的SHM技术传感器监测网络和飞机结构处于相同的服役环境，需要提升监测系统在复杂电磁环境下的抗干扰能力，并提升系统在温度剧烈变化、高强度振动等复杂环境中的可靠性。3）研究基于结构健康监测的健康管理技术实现结构健康预测与健康管理是未来的重要发展方向，需要利用高精度测量方法及设备提高损伤的定位、定量监测精度，从而较准确地预测结构的剩余寿命，实现航空部件的故障精准预测与综合健康管理。4）将柔性电子、智能材料 / 结构应用于飞机结构健康监测领域将传感器、激励器与结构融为一体，形成具有智能感知功能的材料结构并应用于航空装备领域，实现飞机部件的自动化、智能化、高效化监测。5）将深度学习、数字孪生等前沿技术应用于飞机结构健康监测领域深度学习、数字孪生等技术对于提高反馈控制准确性、优化决策具有重要作用，利用前沿技术实现传感器网络诊断智能化、损伤识别智能化、寿命预测智能化是飞机结构健康监测和寿命管理领域发展的必然方向。