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航空测试技术发展与展望

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航空测试技术发展与展望

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2018/09/11 09:03
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【摘要】:
航空测试技术发展与展望随着武器装备发展和国防科研能力建设对先进测试设备需求的提高,测试技术的发展受到军队和国防工业部门的普遍重视。国务院主持制定的《国家中长期科技发展规划》的“国防科技发展战略”把测试技术列为国防科技重点领域的优先主题之一。同时,根据中央关于“改造传统产业,振兴装备制造业”的方针,国家发改委把测试设备的发展列为装备制造业的重点。航空装备全寿命、全系统测试技术涉及的领域十分广泛,而且

航空测试技术发展与展望

随着武器装备发展和国防科研能力建设对先进测试设备需求的提高,测试技术的发展受到军队和国防工业部门的普遍重视。国务院主持制定的《国家中长期科技发展规划》的“国防科技发展战略”把测试技术列为国防科技重点领域的优先主题之一。同时,根据中央关于“改造传统产业,振兴装备制造业”的方针,国家发改委把测试设备的发展列为装备制造业的重点。

航空装备全寿命、全系统测试技术涉及的领域十分广泛,而且测试技术军民融合、标准通用的趋势更加明显,必须在充分利用社会测试资源的基础上规划航空测试技术的发展,尤其要谋划航空装备建设短缺而急需的测试技术和影响装备长远建设全局的测试技术的发展。

1)新型传感器成为航空武器装备测试的关键技术

近年来,随着武器装备功能高度集成化和性能的快速提升,作为测试系统最前端的传感器(敏感元件)的地位与日俱增。在航空装备各类控制系统中,传感器是控制系统实现精确闭环控制的关键;在多种状态检测系统中,传感器是获取各类状态信息的前提,高性能、高可靠性、大温度范围、耐极端环境传感器的性能水平已成为当今世界各国评价主力武器装备综合性能的关键因素。

航空领域对各类传感器有着迫切和特殊的需求,美军极为重视先进传感器的发展和应用。在美军现役武器装备中,大量新型传感器的应用极大提升了装备的性能和作战能力。最典型的案例包括油液在线监测传感器在F -35 F -22 、阿帕奇直升机等PHM 系统中的应用,该应用使得装备平均维护时间缩短了50% ,换油周期延长了2 倍以上,维护费用降低了1/4 ,其实质是极大提升了战斗力并大幅降低了费效比。

早在F100 发动机验证机时代,美军就提出了包括腐蚀监测、裂纹监测、超声监测等一系列新型传感器。而在美军新一代智能发动机发展设想中,明确提出了以新型传感器为基础的发动机部件控制的概念,要求未来一代发动机的发展要实现进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等发动机五大部件的主动控制,包括主动进气道控制、主动噪声控制、主动喘振控制、主动间隙控制、主动振动控制、燃烧不稳定控制、排放控制、冷却气流控制、矢量推力控制、加力燃烧室的稳定性控制等。这些极为前沿的发动机部件控制技术的实现几乎全都取决于可耐受发动机五大部件极端恶劣环境的新一代控制用传感器,如装在机匣上用于主动间隙控制的叶尖间隙测量传感器,其测量范围要求达到02 . 5mm ,测量精度25μm ,带宽50kHz ,而其自身要能承受压气机或涡轮附近最高达1800kPa 的压力、温度700 ℃的恶劣环境。在状态监测系统发展中,独树一帜的新型传感器的出现使得飞机或发动机的部件级或整机级的监测前所未有地全面而可行。如可分布式布局的FBG 传感器、微型MEMS 压力传感器等使飞机智能蒙皮成为可能(智能蒙皮同时也是未来机身主动变形控制的前提),而F -35 采用的基于静电监测技术的发动机气路碎屑监测传感器实现了F139 发动机整机全气路的性能监测,尤其实现了传统技术手段束手无策的燃烧室降级、积炭等故障的诊断。

近年来,航空传感器正加快向智能化、微小型化等方向迅速发展。尽管我国在常规的压力、温度、加速度传感器等领域尚存在长期可靠性差、寿命短、质量一致性差等问题,但在光纤传感器、MEMS传感器、无线传感网络等新型传感器的技术研究和产品研制方面取得了一系列突破,并正逐步在航空测试领域得到应用。如油液状态监测传感器正逐步获得装备,新型FBG传感器、MEMS应变传感器、结冰传感器、火焰探测器等已取得大量进展,随着国家投入力度的加大和基础技术的逐步积累,航空测试传感器的发展必将由点的突破向系统升级推进,成为航空测试技术快速发展的助推剂。

航空测试传感器的发展重点是:

①突破油液在线性能检测与精确分析技术,逐步形成完善的地面油液性能检测平台、完善的空中油液性能监测平台,拥有完整的机载油液监测传感器系列;突破通用碎屑特征分析技术和气路部件故障分析和诊断技术,建立发动机气路监测试验系统,形成相对完善的发动机气体特性监测传感器产品系列,形成覆盖气体全特性参数的传感器监测体系。

②突破发动机传统控制类传感器可靠性提高和新型状态监测类传感器研制的关键技术,为现役及在研发动机试验测试和机载提供准确可靠的信息,在此基础上,开展控制类传感器更新换代、状态监测类传感器体系化应用等技术研究,实现新型传感器的工程化应用;建立新一代控制类传感器的技术体系和产品谱系、建立新型状态监测类传感器的技术体系和产品谱系,制定相关标准和规范,形成完善的满足发动机试验测试和机载需求的传感器技术体系、标准体系,改变发动机传感器整体技术落后的现状,实现传感器货架产品的系列化和批量化,满足未来发动机传感器需求。

③突破发动机关键部件多种结构参数(裂纹、腐蚀)监测传感技术,建立中型飞机结构与发动机仿真结构监测试验系统,完成发动机叶片裂纹等部分机载传感器的研制;完善发动机特种测试传感技术体系,建立发动机特种测试传感器产品谱系,形成完整的飞机或发动机结构参数的全方位机载监测能力。

④突破高温测试及新型测温技术,具备对飞机涡轮进口等关键部件温度监测的能力,部分替代现有飞机上的传统温度传感器,形成新的温度传感器测量技术体系和产品谱系,完成机载测温传感器的重新布局,形成全机身无盲点机载实时测温能力。

(2) 测试性设计成为装备保障规模和能力的主导要素

美军的航空装备在研制初期便高度重视测试性设计,根据装备的保障规模和保障能力的需求,运用系统工程的方法,采用了大量先进的测试性设计和管理技术,使其综合保障方案从研制、交付到培训管理、供应保障等环节实现了综合化和自动化,大大提高了工作效率。国外对测试性的认识在不断深化,近年来已把测试性和诊断性测量结合起来,把测试性的设计特性认同为一种能力,使之贯穿于装备的全寿命过程;把诊断性设计作为测试性设计的重要补充和拓展,不仅包括故障检测、故障定位、故障识别,还包括可预测能力,推动测试性设计技术向精确定量和高效完备的方向发展。

我国测试性概念已经提出多年,但技术发展起步较晚,缺乏辅助工具和验证评价的方法与手段是导致测试性工作未能有效开展的重要原因之一。没有测试性设计的辅助工具,

测试性设计主要依赖于设计师的重视程度、设计水平和积累的经验,难以在设计过程中随时进行测试性分析,找出设计缺陷并提出完善测试性设计的建议。而没有有效的验证手段,测试性指标只能在装备使用过程中通过数据积累来检验,不仅为装备带来风险,而且使得测试性流于形式。

近年来,随着管理层和设计人员对测试性设计重要性的认识逐步提高,这种状况得到了极大改善。测试性大纲修订工作已完成,并正在开展测试性验证标准研究;新机研制已对成品提出明确的测试性建模要求,计算机辅助设计与验证评价工具的研制初见成果,提供的较成熟的测试性建模软件和指标验证评价方法已在型号中得到一定程度的应用;测试性试验工作已经开展,首批装备测试性实验室已得到相应部门的认可,并开始对型号成品进行测试性研制试验和验证试验,并与测试性模型相结合,为装备提供有效的测试性验证评价手段。

在已取得一定进步的基础上,测试性技术还将继续完善设计、分析、评估的技术手段,突破辅助设计、分析、验证及边界扫描等关键技术,建立测试性管理体系和验证体系,完善电子类产品测试性验证和评估手段,并逐步研究与开发满足飞机典型机电系统要求的测试性辅助工具和验证系统,以及基于虚拟现实的测试性验证评价于段,最终实现飞机级测试性验证和评估。

(3) 综合测试技术正向纵向一体化和横向一体化发展

20世纪90年代开始,为改变自动测试系统体系结构和标准规范不统一,造成保障费用不断攀升、保障装备庞杂的局面,美国国防部成立了ATS 执行局,并启动了"下一代测试"计划(NxTest) ,其目标是降低保障费用,实现互操作,减少保障设备的体积和重量。符合NxTest 要求的全寿命周期纵向集成一体化和跨武器平台横向集成一体化是当前综合测试技术的发展方向。

洛克希德·马丁公司为F-35 研制的LM - STAR 综合测试系统是纵向集成一体化的典范, LM -STAR 所采用的开放式体系结构与三军"下一代测试" (NxTest ) 组提出的体系结构完全一致。它采用了双重软件运行环境、通用测试接口(CTI )和应用编程接口( API) 、高速数据测量和传输,并具有模拟、数字、射频、光电系统的全面测试能力。LM -STAR F -35 飞机一致性项目的核心,所谓" 一致性"是指军方维修基地使用的测试设备也同时用于装备设计研制(SOD) 阶段和小批量生产( LRIP) 阶段,目前已有31 个研制和生产装备的站点使用LM -STAR 测试系统。有了这种纵向一体化的基础,军方已把工厂纳入装备保障体系。

跨武器平台横向集成一体化的典型例子是ARGCS ,也已进入演示验证阶段。它适用于多型飞机、坦克等装备的维护保障。而在NxTest 计划的推动下同时出现了一批改进和丰富ATS 功能的新的测试技术,如并行测试、虚拟测试、合成仪器、自动测试标识语言(ATML) 标准、通用机载总线接口设计技术、通用测试接口适配器等等。

国内近年来逐步深入研究并突破了可重构体系结构、ATML 语言、数字测试、通用测试接口适配器、适用于寿命周期各阶段的自动测试软件平台等关键技术,纵向集成一体化平台集成技术也已通过样机的研制得以突破,这些都为纵向集成一体化综合测试系统的应用奠定了坚实的技术基础。

综合测试技术的发展重点是进一步研究新一代自动测试系统的体系结构和软硬件技术,针对近年来ATS领域出现的新技术、新方法开展深入的研究,并以工程化应用为最终目标;全面突破NxTest 的关键技术,为装备的纵向一体化和横向一体化提供技术支持;同时还应将先进的ATS技术更广泛地应用到装备的生产、研制过程中,满足装备测试设备一致性需求,并作为产品的检验、审核设备,提高装备质量,提高生产效率。

(4) PHM 技术成为实现自主式保障的核心

为了使飞机能以最低的费用达到规定的战备完好性,从而实现其经济可承受的全球持续保障构想,自主式保障成为21 世纪航空武器装备保障模式的发展方向,它的实现将使维修人工减少20% -30% ,战时出动率提高25% ,部署后保障运输量降低50%

自主式保障建立在基于状态的维修体制上,它是一种主动反应式保障,即根据飞机作战和训练需求,利用飞机的预测与健康管理(PHM)系统诊断、预测飞机的故障,并通过战术数据链等介质下传数据,地面设备自动做出保障决策,制订维修计划,触发所需的维修、供应活动,将飞机的产品保障资源和训练资源联系起来,形成协调、互动、快速反应的综合保障系统。其中先进的机载PHM 系统是启动自主式保障系统自发响应的主激励源,因此,自主式保障的正常运转取决于PHM 技术的成熟与应用。

国外飞机PHM 技术研究的深度和应用的广度在不断地扩大,发展历程是从部件和子

系统到覆盖全系统和整个飞行平台,从飞机的机械装置、机电系统等非航电系统到航空电子装备。PHM 的发展带动了一批相关测试技术的突破,比如灵巧的高精度传感器技术、多传感器信息融合技术、数据挖掘应用技术、网络化远程测试与传送及异地会诊技术、蓝牙技术、智能BIT及装备状态实时监测技术等。

美国各军种先后提出了相关的发展项目,如美空军研究实验室的综合系统健康管理系统( ISHM) 方案、海军的预测增强诊断系统( PEDS) 项目及陆军提出的嵌人式诊断和预测同步( EDAPS) 计划等,而F -35 所采用的PHM 系统则代表了美军目前基于状态维修技术能达到的最高水平。在民用航空领域,波音公司的飞机状态管理系统(AHM) 已用于美、日、法等国15 家航空公司的波音和空客系列飞机上,美航空无线电通信公司与兰利研究中心合作开发的飞机状态分析与管理系统( ACAMS) 已在NASA 的波音757 飞机上成功地进行了演示验证。

国内自"十一五"开始掀起PHM 的研究热潮,并取得了一定的进展。PHM 的概念内涵及体系结构已获得普遍认识,国内相关研究人员已翻译出版了国外相关标准,并正积极筹备制定国内PHM 标准体系。产品的寿命试验、故障注人试验、诊断/预测算法、软件平台等相关技术的研究已逐步开展。PHM 技术体系和基础技术的研究,取得了很好的效果,特别是部件的诊断与预测技术研究,为PHM 技术脚踏实地开展研究奠定了基础。一些重点航空装备已将PHM 列为关键技术并开展了技术攻关,有力地推动了PHM 技术及其应用技术的发展。

在已对PHM 体系有了较深认识的基础上,当前PHM 技术研究的发展重点是,通过仿真与试验等多种技术方法,突破航空基础产品及其核心部件的故障诊断与预测技术,获取产品的全寿命数据和故障数据,分析算法,为产品的故障诊断、寿命预测等提供基础数据,为新型飞机机载PHM 的实现奠定基础,并应用于新型飞机中。并由此逐步突破燃油、滑油、飞控等典型机电系统,以及雷达、导航、起落架、舵面和机身等典型航电系统和结构件的故障诊断与预测基础技术,为诊断、预测技术提供全面的解决方案。

(5) 特种测试技术进步推动新一代航空发动机发展

近年来,我国航空发动机测试技术在引进设备的基础上,通过消化吸收和创新活动取得了较快的发展。气动探针、叶型受感部、刷环引电、高温热电偶、接触振动测量等关键技术已经掌握;燃气分析、红外测温、叶尖间隙测量、PIV 、热线热膜、试温漆等技术攻关都取得了一定的进展;发动机转子轴向力测量分析技术也日趋成熟;基于光纤的黑体高温传感器和高温下的压力传感器的研究工作已经启动。这些技术的掌握对新一代发动机的研制工作和研制任务的完成起到很大作用。

各种先进航空发动机的研发迫使试验和测试技术不断改进、不断完善及发展。高温测试技术的发展,将使机载条件下直接测试涡轮进口温度成为可能, 这将可以提高发动机的控制精度、提高发动机的性能;陶瓷材料的涡轮叶片能够承受更高的燃气泪度,但涡轮叶片与涡轮机匣间隙的测试更加困难,现有的电容式、电涡流和电火花测试技术无法满足地面试验的需求,需要研究能够在高温燃气环境下测量非金属材料叶尖间隙的测试技术;发动机的发展对机载电子设备也提出了新的需求,要求能够耐受更高的温度、具备更高的可靠性、具有更好的容错能力和更强的数据处理能力。

发动机特种测试的发展重点是突破高温、高频响条件下发动机测试关键技术,解决高温、高转速、强振动条件下高频响的动态、过渡态参数测试问题,全面开展高温流场、高温压力、叶尖间隙、旋翼运动与变形、传动系统载荷、传动机匣裂纹、桨叶复合材料在线监测、损探伤、高频检测等技术研究,获取关键状态点的测试参数。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

结束语

为满足新一代军、民用飞机的发展对航空测试的要求,航空测试技术今后的重点发展方向包括:航空测试技术体系研究,航空装备可测试性设计、评价、验证技术,飞机系统周期和健康管理技术,网络化测试和综合诊断技术,综合测试系统关键技术,试验测试技术,飞机和机载设备系统级测试,新型传感器及相关技术,航空特种测试技术等。

我国需要建立统一的航空测试体系结构,制定统一的标准和规范,研制通用的可编程测试仪器和测试模块,采用统一的软硬件接口标准。随着辅助设计与验证软件平台的成熟,以及试验验证技术逐步从SRU 发展到LRU、子系统、系统、整机,测试性设计将得到全面有效的贯彻执行,测试设备向通用化、系列化、组合化发展,并实现全寿命周期测试、跨武器平台测试、快速测试、实时监测和实时诊断;航空地面测试将会与试验结合得更加紧密,向试验测试一体化的方向发展;机载测试传感器将更加微型化、智能化、集成化,并逐步形成以部件级主动控制和整机状态监测为目标的传感器系统,提高装备控制能

力和监测水平;中央维护系统(CMS) PHM 的各项技术的深入研究将规范和强化飞机自诊断和预测能力,达到精确、机动、快捷、经济保障的目的;测试资源通过互连实现网络化测试,为网络中心战和一体化联合作战模式奠定基础;发动机特种测试将继续围绕高温、高压、高转速的动态测试技术深入研究,以期尽快突破限制发动机发展的测试技术瓶颈。

我国航空测试技术正面临前所未有的发展机遇,也正以前所未有的速度在迅猛发展。随着军队和国防工业部门重视程度的提高,航空测试技术将成体系发展,并逐步实现测试设备与航空装备的同步立项、同步研制、同步交付。

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