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    航空測試技術發展與展望

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    航空測試技術發展與展望

    分類:
    技術文章
    作者:
    來源:
    發布時間:
    2018/09/11 09:03
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    【摘要】:
    航空測試技術發展與展望隨著武器裝備發展和國防科研能力建設對先進測試設備需求的提高,測試技術的發展受到軍隊和國防工業部門的普遍重視。國務院主持制定的《國家中長期科技發展規劃》的“國防科技發展戰略”把測試技術列為國防科技重點領域的優先主題之一。同時,根據中央關于“改造傳統產業,振興裝備制造業”的方針,國家發改委把測試設備的發展列為裝備制造業的重點。航空裝備全壽命、全系統測試技術涉及的領域十分廣泛,而且

    航空測試技術發展與展望

    隨著武器裝備發展和國防科研能力建設對先進測試設備需求的提高,測試技術的發展受到軍隊和國防工業部門的普遍重視。國務院主持制定的《國家中長期科技發展規劃》的“國防科技發展戰略”把測試技術列為國防科技重點領域的優先主題之一。同時,根據中央關于“改造傳統產業,振興裝備制造業”的方針,國家發改委把測試設備的發展列為裝備制造業的重點。

    航空裝備全壽命、全系統測試技術涉及的領域十分廣泛,而且測試技術軍民融合、標準通用的趨勢更加明顯,必須在充分利用社會測試資源的基礎上規劃航空測試技術的發展,尤其要謀劃航空裝備建設短缺而急需的測試技術和影響裝備長遠建設全局的測試技術的發展。

    1)新型傳感器成為航空武器裝備測試的關鍵技術

    近年來,隨著武器裝備功能高度集成化和性能的快速提升,作為測試系統最前端的傳感器(敏感元件)的地位與日俱增。在航空裝備各類控制系統中,傳感器是控制系統實現精確閉環控制的關鍵;在多種狀態檢測系統中,傳感器是獲取各類狀態信息的前提,高性能、高可靠性、大溫度范圍、耐極端環境傳感器的性能水平已成為當今世界各國評價主力武器裝備綜合性能的關鍵因素。

    航空領域對各類傳感器有著迫切和特殊的需求,美軍極為重視先進傳感器的發展和應用。在美軍現役武器裝備中,大量新型傳感器的應用極大提升了裝備的性能和作戰能力。最典型的案例包括油液在線監測傳感器在F -35 、F -22 、阿帕奇直升機等PHM 系統中的應用,該應用使得裝備平均維護時間縮短了50% ,換油周期延長了2 倍以上,維護費用降低了1/4 ,其實質是極大提升了戰斗力并大幅降低了費效比。

    早在F100 發動機驗證機時代,美軍就提出了包括腐蝕監測、裂紋監測、超聲監測等一系列新型傳感器。而在美軍新一代智能發動機發展設想中,明確提出了以新型傳感器為基礎的發動機部件控制的概念,要求未來一代發動機的發展要實現進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴口等發動機五大部件的主動控制,包括主動進氣道控制、主動噪聲控制、主動喘振控制、主動間隙控制、主動振動控制、燃燒不穩定控制、排放控制、冷卻氣流控制、矢量推力控制、加力燃燒室的穩定性控制等。這些極為前沿的發動機部件控制技術的實現幾乎全都取決于可耐受發動機五大部件極端惡劣環境的新一代控制用傳感器,如裝在機匣上用于主動間隙控制的葉尖間隙測量傳感器,其測量范圍要求達到02 . 5mm ,測量精度25μm ,帶寬50kHz ,而其自身要能承受壓氣機或渦輪附近最高達1800kPa 的壓力、溫度700 ℃的惡劣環境。在狀態監測系統發展中,獨樹一幟的新型傳感器的出現使得飛機或發動機的部件級或整機級的監測前所未有地全面而可行。如可分布式布局的FBG 傳感器、微型MEMS 壓力傳感器等使飛機智能蒙皮成為可能(智能蒙皮同時也是未來機身主動變形控制的前提),而F -35 采用的基于靜電監測技術的發動機氣路碎屑監測傳感器實現了F139 發動機整機全氣路的性能監測,尤其實現了傳統技術手段束手無策的燃燒室降級、積炭等故障的診斷。

    近年來,航空傳感器正加快向智能化、微小型化等方向迅速發展。盡管我國在常規的壓力、溫度、加速度傳感器等領域尚存在長期可靠性差、壽命短、質量一致性差等問題,但在光纖傳感器、MEMS傳感器、無線傳感網絡等新型傳感器的技術研究和產品研制方面取得了一系列突破,并正逐步在航空測試領域得到應用。如油液狀態監測傳感器正逐步獲得裝備,新型FBG傳感器、MEMS應變傳感器、結冰傳感器、火焰探測器等已取得大量進展,隨著國家投入力度的加大和基礎技術的逐步積累,航空測試傳感器的發展必將由點的突破向系統升級推進,成為航空測試技術快速發展的助推劑。

    航空測試傳感器的發展重點是:

    ①突破油液在線性能檢測與精確分析技術,逐步形成完善的地面油液性能檢測平臺、完善的空中油液性能監測平臺,擁有完整的機載油液監測傳感器系列;突破通用碎屑特征分析技術和氣路部件故障分析和診斷技術,建立發動機氣路監測試驗系統,形成相對完善的發動機氣體特性監測傳感器產品系列,形成覆蓋氣體全特性參數的傳感器監測體系。

    ②突破發動機傳統控制類傳感器可靠性提高和新型狀態監測類傳感器研制的關鍵技術,為現役及在研發動機試驗測試和機載提供準確可靠的信息,在此基礎上,開展控制類傳感器更新換代、狀態監測類傳感器體系化應用等技術研究,實現新型傳感器的工程化應用;建立新一代控制類傳感器的技術體系和產品譜系、建立新型狀態監測類傳感器的技術體系和產品譜系,制定相關標準和規范,形成完善的滿足發動機試驗測試和機載需求的傳感器技術體系、標準體系,改變發動機傳感器整體技術落后的現狀,實現傳感器貨架產品的系列化和批量化,滿足未來發動機傳感器需求。

    ③突破發動機關鍵部件多種結構參數(裂紋、腐蝕)監測傳感技術,建立中型飛機結構與發動機仿真結構監測試驗系統,完成發動機葉片裂紋等部分機載傳感器的研制;完善發動機特種測試傳感技術體系,建立發動機特種測試傳感器產品譜系,形成完整的飛機或發動機結構參數的全方位機載監測能力。

    ④突破高溫測試及新型測溫技術,具備對飛機渦輪進口等關鍵部件溫度監測的能力,部分替代現有飛機上的傳統溫度傳感器,形成新的溫度傳感器測量技術體系和產品譜系,完成機載測溫傳感器的重新布局,形成全機身無盲點機載實時測溫能力。

    (2) 測試性設計成為裝備保障規模和能力的主導要素

    美軍的航空裝備在研制初期便高度重視測試性設計,根據裝備的保障規模和保障能力的需求,運用系統工程的方法,采用了大量先進的測試性設計和管理技術,使其綜合保障方案從研制、交付到培訓管理、供應保障等環節實現了綜合化和自動化,大大提高了工作效率。國外對測試性的認識在不斷深化,近年來已把測試性和診斷性測量結合起來,把測試性的設計特性認同為一種能力,使之貫穿于裝備的全壽命過程;把診斷性設計作為測試性設計的重要補充和拓展,不僅包括故障檢測、故障定位、故障識別,還包括可預測能力,推動測試性設計技術向精確定量和高效完備的方向發展。

    我國測試性概念已經提出多年,但技術發展起步較晚,缺乏輔助工具和驗證評價的方法與手段是導致測試性工作未能有效開展的重要原因之一。沒有測試性設計的輔助工具,

    測試性設計主要依賴于設計師的重視程度、設計水平和積累的經驗,難以在設計過程中隨時進行測試性分析,找出設計缺陷并提出完善測試性設計的建議。而沒有有效的驗證手段,測試性指標只能在裝備使用過程中通過數據積累來檢驗,不僅為裝備帶來風險,而且使得測試性流于形式。

    近年來,隨著管理層和設計人員對測試性設計重要性的認識逐步提高,這種狀況得到了極大改善。測試性大綱修訂工作已完成,并正在開展測試性驗證標準研究;新機研制已對成品提出明確的測試性建模要求,計算機輔助設計與驗證評價工具的研制初見成果,提供的較成熟的測試性建模軟件和指標驗證評價方法已在型號中得到一定程度的應用;測試性試驗工作已經開展,首批裝備測試性實驗室已得到相應部門的認可,并開始對型號成品進行測試性研制試驗和驗證試驗,并與測試性模型相結合,為裝備提供有效的測試性驗證評價手段。

    在已取得一定進步的基礎上,測試性技術還將繼續完善設計、分析、評估的技術手段,突破輔助設計、分析、驗證及邊界掃描等關鍵技術,建立測試性管理體系和驗證體系,完善電子類產品測試性驗證和評估手段,并逐步研究與開發滿足飛機典型機電系統要求的測試性輔助工具和驗證系統,以及基于虛擬現實的測試性驗證評價于段,最終實現飛機級測試性驗證和評估。

    (3) 綜合測試技術正向縱向一體化和橫向一體化發展

    20世紀90年代開始,為改變自動測試系統體系結構和標準規范不統一,造成保障費用不斷攀升、保障裝備龐雜的局面,美國國防部成立了ATS 執行局,并啟動了"下一代測試"計劃(NxTest) ,其目標是降低保障費用,實現互操作,減少保障設備的體積和重量。符合NxTest 要求的全壽命周期縱向集成一體化和跨武器平臺橫向集成一體化是當前綜合測試技術的發展方向。

    洛克希德·馬丁公司為F-35 研制的LM - STAR 綜合測試系統是縱向集成一體化的典范, LM -STAR 所采用的開放式體系結構與三軍"下一代測試" (NxTest ) 組提出的體系結構完全一致。它采用了雙重軟件運行環境、通用測試接口(CTI )和應用編程接口( API) 、高速數據測量和傳輸,并具有模擬、數字、射頻、光電系統的全面測試能力。LM -STAR F -35 飛機一致性項目的核心,所謂" 一致性"是指軍方維修基地使用的測試設備也同時用于裝備設計研制(SOD) 階段和小批量生產( LRIP) 階段,目前已有31 個研制和生產裝備的站點使用LM -STAR 測試系統。有了這種縱向一體化的基礎,軍方已把工廠納入裝備保障體系。

    跨武器平臺橫向集成一體化的典型例子是ARGCS ,也已進入演示驗證階段。它適用于多型飛機、坦克等裝備的維護保障。而在NxTest 計劃的推動下同時出現了一批改進和豐富ATS 功能的新的測試技術,如并行測試、虛擬測試、合成儀器、自動測試標識語言(ATML) 標準、通用機載總線接口設計技術、通用測試接口適配器等等。

    國內近年來逐步深入研究并突破了可重構體系結構、ATML 語言、數字測試、通用測試接口適配器、適用于壽命周期各階段的自動測試軟件平臺等關鍵技術,縱向集成一體化平臺集成技術也已通過樣機的研制得以突破,這些都為縱向集成一體化綜合測試系統的應用奠定了堅實的技術基礎。

    綜合測試技術的發展重點是進一步研究新一代自動測試系統的體系結構和軟硬件技術,針對近年來ATS領域出現的新技術、新方法開展深入的研究,并以工程化應用為最終目標;全面突破NxTest 的關鍵技術,為裝備的縱向一體化和橫向一體化提供技術支持;同時還應將先進的ATS技術更廣泛地應用到裝備的生產、研制過程中,滿足裝備測試設備一致性需求,并作為產品的檢驗、審核設備,提高裝備質量,提高生產效率。

    (4) PHM 技術成為實現自主式保障的核心

    為了使飛機能以最低的費用達到規定的戰備完好性,從而實現其經濟可承受的全球持續保障構想,自主式保障成為21 世紀航空武器裝備保障模式的發展方向,它的實現將使維修人工減少20% -30% ,戰時出動率提高25% ,部署后保障運輸量降低50% 。

    自主式保障建立在基于狀態的維修體制上,它是一種主動反應式保障,即根據飛機作戰和訓練需求,利用飛機的預測與健康管理(PHM)系統診斷、預測飛機的故障,并通過戰術數據鏈等介質下傳數據,地面設備自動做出保障決策,制訂維修計劃,觸發所需的維修、供應活動,將飛機的產品保障資源和訓練資源聯系起來,形成協調、互動、快速反應的綜合保障系統。其中先進的機載PHM 系統是啟動自主式保障系統自發響應的主激勵源,因此,自主式保障的正常運轉取決于PHM 技術的成熟與應用。

    國外飛機PHM 技術研究的深度和應用的廣度在不斷地擴大,發展歷程是從部件和子

    系統到覆蓋全系統和整個飛行平臺,從飛機的機械裝置、機電系統等非航電系統到航空電子裝備。PHM 的發展帶動了一批相關測試技術的突破,比如靈巧的高精度傳感器技術、多傳感器信息融合技術、數據挖掘應用技術、網絡化遠程測試與傳送及異地會診技術、藍牙技術、智能BIT及裝備狀態實時監測技術等。

    美國各軍種先后提出了相關的發展項目,如美空軍研究實驗室的綜合系統健康管理系統( ISHM) 方案、海軍的預測增強診斷系統( PEDS) 項目及陸軍提出的嵌人式診斷和預測同步( EDAPS) 計劃等,而F -35 所采用的PHM 系統則代表了美軍目前基于狀態維修技術能達到的最高水平。在民用航空領域,波音公司的飛機狀態管理系統(AHM) 已用于美、日、法等國15 家航空公司的波音和空客系列飛機上,美航空無線電通信公司與蘭利研究中心合作開發的飛機狀態分析與管理系統( ACAMS) 已在NASA 的波音757 飛機上成功地進行了演示驗證。

    國內自"十一五"開始掀起PHM 的研究熱潮,并取得了一定的進展。PHM 的概念內涵及體系結構已獲得普遍認識,國內相關研究人員已翻譯出版了國外相關標準,并正積極籌備制定國內PHM 標準體系。產品的壽命試驗、故障注人試驗、診斷/預測算法、軟件平臺等相關技術的研究已逐步開展。PHM 技術體系和基礎技術的研究,取得了很好的效果,特別是部件的診斷與預測技術研究,為PHM 技術腳踏實地開展研究奠定了基礎。一些重點航空裝備已將PHM 列為關鍵技術并開展了技術攻關,有力地推動了PHM 技術及其應用技術的發展。

    在已對PHM 體系有了較深認識的基礎上,當前PHM 技術研究的發展重點是,通過仿真與試驗等多種技術方法,突破航空基礎產品及其核心部件的故障診斷與預測技術,獲取產品的全壽命數據和故障數據,分析算法,為產品的故障診斷、壽命預測等提供基礎數據,為新型飛機機載PHM 的實現奠定基礎,并應用于新型飛機中。并由此逐步突破燃油、滑油、飛控等典型機電系統,以及雷達、導航、起落架、舵面和機身等典型航電系統和結構件的故障診斷與預測基礎技術,為診斷、預測技術提供全面的解決方案。

    (5) 特種測試技術進步推動新一代航空發動機發展

    近年來,我國航空發動機測試技術在引進設備的基礎上,通過消化吸收和創新活動取得了較快的發展。氣動探針、葉型受感部、刷環引電、高溫熱電偶、接觸振動測量等關鍵技術已經掌握;燃氣分析、紅外測溫、葉尖間隙測量、PIV 、熱線熱膜、試溫漆等技術攻關都取得了一定的進展;發動機轉子軸向力測量分析技術也日趨成熟;基于光纖的黑體高溫傳感器和高溫下的壓力傳感器的研究工作已經啟動。這些技術的掌握對新一代發動機的研制工作和研制任務的完成起到很大作用。

    各種先進航空發動機的研發迫使試驗和測試技術不斷改進、不斷完善及發展。高溫測試技術的發展,將使機載條件下直接測試渦輪進口溫度成為可能, 這將可以提高發動機的控制精度、提高發動機的性能;陶瓷材料的渦輪葉片能夠承受更高的燃氣淚度,但渦輪葉片與渦輪機匣間隙的測試更加困難,現有的電容式、電渦流和電火花測試技術無法滿足地面試驗的需求,需要研究能夠在高溫燃氣環境下測量非金屬材料葉尖間隙的測試技術;發動機的發展對機載電子設備也提出了新的需求,要求能夠耐受更高的溫度、具備更高的可靠性、具有更好的容錯能力和更強的數據處理能力。

    發動機特種測試的發展重點是突破高溫、高頻響條件下發動機測試關鍵技術,解決高溫、高轉速、強振動條件下高頻響的動態、過渡態參數測試問題,全面開展高溫流場、高溫壓力、葉尖間隙、旋翼運動與變形、傳動系統載荷、傳動機匣裂紋、槳葉復合材料在線監測、損探傷、高頻檢測等技術研究,獲取關鍵狀態點的測試參數。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    結束語

    為滿足新一代軍、民用飛機的發展對航空測試的要求,航空測試技術今后的重點發展方向包括:航空測試技術體系研究,航空裝備可測試性設計、評價、驗證技術,飛機系統周期和健康管理技術,網絡化測試和綜合診斷技術,綜合測試系統關鍵技術,試驗測試技術,飛機和機載設備系統級測試,新型傳感器及相關技術,航空特種測試技術等。

    我國需要建立統一的航空測試體系結構,制定統一的標準和規范,研制通用的可編程測試儀器和測試模塊,采用統一的軟硬件接口標準。隨著輔助設計與驗證軟件平臺的成熟,以及試驗驗證技術逐步從SRU 發展到LRU、子系統、系統、整機,測試性設計將得到全面有效的貫徹執行,測試設備向通用化、系列化、組合化發展,并實現全壽命周期測試、跨武器平臺測試、快速測試、實時監測和實時診斷;航空地面測試將會與試驗結合得更加緊密,向試驗測試一體化的方向發展;機載測試傳感器將更加微型化、智能化、集成化,并逐步形成以部件級主動控制和整機狀態監測為目標的傳感器系統,提高裝備控制能

    力和監測水平;中央維護系統(CMS) PHM 的各項技術的深入研究將規范和強化飛機自診斷和預測能力,達到精確、機動、快捷、經濟保障的目的;測試資源通過互連實現網絡化測試,為網絡中心戰和一體化聯合作戰模式奠定基礎;發動機特種測試將繼續圍繞高溫、高壓、高轉速的動態測試技術深入研究,以期盡快突破限制發動機發展的測試技術瓶頸。

    我國航空測試技術正面臨前所未有的發展機遇,也正以前所未有的速度在迅猛發展。隨著軍隊和國防工業部門重視程度的提高,航空測試技術將成體系發展,并逐步實現測試設備與航空裝備的同步立項、同步研制、同步交付。

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