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43第二十七届（2011）全国直升机年会论文单机寿命监控——陆航发展的必然趋势余威李宗原杨宇航孙绍云（总参陆航研究所，北京，101121）摘要：本文介绍了直升机寿命可靠性管理的发展趋势，论述了直升机与固定翼飞机单机寿命监控的差别，着重论述了开展陆航单机寿命监控研究的必要性与紧迫性。关键词：直升机;可靠性;单机寿命监控1直升机单机寿命监控简介直升机的使用寿命包括飞行小时数、飞行次数和使用年限。飞行小时数与飞行次数对应着规定使用条件下结构的疲劳寿命，而使用年限考虑结构使用环境下的腐蚀、老化程度，对应着日历寿命。直升机结构件的寿命指标主要是依据，在特定设计“载荷谱”下所进行的全尺寸疲劳试验加以确定的。根据疲劳损伤理论，每一次载荷变化都对结构造成一定量的疲劳损伤，载荷变化越大，所造成的损伤量也越大，当所有的损伤累积到一起达到某一特定值时（即总损伤度），结构关键部位发生破坏（出现不可修复的裂纹或断裂），这时就认为结构件到寿[1]。但在实际飞行中，直升机的实际使用载荷历程与试验“载荷谱”所反映的载荷历程往往不尽相同，即使是同一类型的直升机，每一架使用也有差别，所以，在直升机交付部队后，为使每架直升机能安全、经济地使用到所固有的寿命指标，必须对直升机寿命进行管理。单机寿命监控通过及时掌握每架飞机的实际使用情况，监测系统失效发生征兆，评估结构承受的载荷历程与损伤，适时进行检查和修理，合理调整飞机的使用，在保证飞行安全的前提下，尽可能地充分发挥每架飞机的寿命潜力与作战能力。2飞机寿命可靠性管理思想的发展飞机的寿命管理经历了由“机群寿命管理”向“单机寿命管理”发展的过程。机群管理以同型号的飞机机群为整体，依据基准载荷谱下的全尺寸疲劳试验和关键结构件耐久性/损伤容限分析结果给出机群使用寿命与维修大纲，采用统一的准则和方法实施管理。为保证飞机寿命期内的安全可靠性，综合考虑飞机结构制造质量分散性和使用中载荷历程差异性，给出分散系数。这个分散系数通常对应着结构制造质量99.9%的可靠度和规定使用方法下载荷历程造成的90%的疲劳损伤度。显然，机群管理存在两方面的不足：★不能最大限度的保证每架飞机的飞行安全。例如，缺少损伤容限保障的飞机，即使严格按照规定使用方法使用，载荷历程损伤严重的飞机会有明显的安全隐患，而对于实际使用情况比规定使用载荷偏重的飞机，其安全性更难以保证。★不能充分发挥每架飞机的寿命潜力。对于按规定使用的飞机，其大部分载荷历程造成的结构疲劳损伤均低于机群寿命对应的90%疲劳损伤度，即大部分飞机的实际寿命明显大于机群使用寿命，而实际使用情况比规定使用偏轻的飞机，其实际寿命更长，另外，绝大部分飞机的实际制造质量均44明显高于99.9%的可靠度要求对应的最差“制造质量”，从而造成大量的资源浪费与经济损失[2]。当前航空技术发达国家对服役飞机的寿命管理均采用了基于载荷的单机寿命管理思想，随着结构健康监测技术的出现，产生了基于结构健康状态监控的新的单机寿命管理理念。单机寿命管理对机群的每架飞机进行寿命管理，由于每架飞机均采用自身实际载荷历程，不必考虑载荷差异性对寿命的影响，即不必考虑分散系数，从而在总体上提高了每架飞机的寿命水平。针对每架飞机而言，避免了由于实际使用情况偏重可能产生的安全隐患，确保飞行安全，又可充分发挥使用情况偏轻飞机的寿命潜力，避免机群管理造成的浪费。结构健康与使用监控技术（HUMS）是80年代兴起的单机寿命监控理念，它通过传感器、机载计算机及地面工作站等设备，连续监测关键部件性能，对直升机状态作出实时评估，作出相应的故障预警与维修计划决策。随着智能材料及损伤探测新技术的出现，HUMS的发展日新月异，出现了各种结构复杂，功能强大的HUMS监控系统。目前，各国军方对HUMS的研究方兴未艾，投入大量人力财力，HUMS正成为飞机单机维修与使用寿命管理的一场划时代革命。3开展陆航单机寿命监控的必要性3.1我军陆航直升机寿命管理现状目前,我军对现役飞机寿命管理，基本上还是采用传统的“机群安全寿命”管理方法，即所有飞机都按预先确定的各项寿命指标控制使用，当飞机飞行小时数达到机群的寿命指标后就退役。由于每架飞机的使用情况与制造质量都存在分散性，为了解决该问题，各国装备的飞机动部件主要是按安全疲劳寿命设计的，其设计寿命由该机型在未来使用中较为严重的使用情况决定，实际使用中不再监测动部件飞行载荷谱。设计中的保守，使许多动部件达到设计寿命后可能还有剩余寿命，从而造成了很大浪费、增加了使用维护费用。如果该机型的某架实际使用环境比设计考虑的恶劣，则很可能因腐蚀疲劳未到设计寿命就出现破坏，造成安全隐患。3.2直升机与固定翼飞机单机寿命监控的差别直升机有多种结构形式，旋翼提供升力与推力，尾翼产生反作用扭矩，这都使得直升机与固定翼飞机有较大的差异，具体体现在：☆直升机旋翼系统积累了大量循环载荷，一般情况下，每飞行小时超过104个循环，这与每飞行小时只有少数载荷循环的固定翼飞机不同。☆直升机关键疲劳载荷与固定翼飞机不同，因为直升机采用旋翼产生升力。旋翼桨叶的旋转要求产生的升力以循环的形式变化，这和固定翼飞机机翼是不同的。这些升力上的循环变化、旋翼桨叶与机身之间的空气动力学界面以及直升机的盘旋，后飞，侧飞，垂直降落，起飞，所有这些都使得直升机疲劳受载环境复杂化。☆直升机发动机、传动驱动系统及旋翼系统包含了大量动部件，其大载荷高频率的承载特性，使得直升机更易于发生疲劳失效，而其中任何一个部件发生失效都将引发灾难性后果，同时，直升机许多部件不能实现余度设计的特点，使得直升机的疲劳关键点远多于固定翼飞机。☆1927-1981年的飞行事故调查表明，直升机发生事故的概率远高于固定翼飞机。疲劳失效相关的45事故中，结构失效占了57%（旋翼37%，机身8%，起落架3%，飞行控制9%），发动机与传动系统失效占了32%，其他的占了11%。发动机、旋翼及传动系统是主要的疲劳失效区，也是大量研究集中的地方。☆直升机旋转动部件的载荷监测与数据传输是进行单机寿命监控的全新课题。直升机与固定翼飞机结构、载荷及监控对象的差异使得直升机与固定翼飞机单机监控差别很大，将固定翼飞机上的监控技术照搬于直升机是行不通的。直升机单机监控是全新领域，开展直升机单机寿命监控需要新思路与新技术的开发。3.3开展陆航单机寿命监控研究的紧迫性及重要意义飞机的寿命指标通常指的是使用寿命、首次翻修期、检查周期等，一般用飞行小时表示。目前在我国，飞机的各项寿命指标与飞机在使用过程中的飞行时间并不匹配，虽然它们都用飞行小时来表示，但在实际意义上有本质差别。飞机寿命指标实际上反映的是“平均载荷谱”中各级载荷所产生损伤的累积。飞机寿命指标监控的飞行小时与实际飞行载荷历程有关。如果一个飞行中，载荷循环，特别是大载荷循环越多，产生的损伤越多，从而所消耗的寿命也越多。实际飞行使用过程中，所记录的飞行小时只表示的是飞机在空中的飞行时间，它与载荷谱中的载荷变化没有直接关系。由此可见，用损伤折算的飞行小时与表示飞行时间的飞行小时是无法直接等同起来的。例如，飞机在进行“航线起落”和“特技”这两个不同科目的飞行训练时，同样飞行30分钟，根据损伤计算所折算的寿命消耗值，后者是前者的几十倍。飞机寿命指标是由平均载荷谱下的全尺寸疲劳试验及分析计算的结果确定的。因为，所使用的平均谱是在假定飞机按照特定的“飞行训练大纲”使用下制定的，所以寿命指标的给出是带有条件的，即:飞机在使用时，也应执行这个大纲。但在实际飞行中，使用单位不可能做到完全按照“飞行训练大纲”的要求使用飞机。因为“飞行训练大纲”的规定和要求是针对飞行员，而不是飞机。从飞机的实际使用情况的统计结果，可以发现，使用单位在制定飞行训练计划时，有时是根据每架飞机的性能和状态来安排每架飞机承担的科目。这样就造成有的飞机经常承担大飞行动作科目，如特技。这种使用方法是十分危险的。国内外都曾多次发生过担任飞行表演的飞机在其使用飞行小时远低于寿命指标的情况下断裂破坏。例如，1972年的杨村歼五飞机破坏事故，其原因就是出事的飞机长期飞行“大损伤”科目，使其实际寿命的消耗值远远超过了所给定的使用寿命。另外，“飞行训练大纲”也会经常的修改和补充。这种大纲的改动，势必引起载荷谱的变化，从而使飞机固有的寿命特性产生较大的改变。另外飞行员的操纵、飞机跑道的状况以及气候、地理环境都会影响到飞机所受的载荷历程。综上所述，表述飞机寿命最科学、最合理的参数应是疲劳累计损伤度。如某文献对歼七飞机进行了估算，当某架歼七飞机只承担“航线起落”任务，需飞行12563个飞行小时，才能达到所规定的3000飞行小时寿命指标的损伤度；而另一架同类型飞机只承担“高级特级”任务，只需飞行744个飞行小时，其损伤度已经达到了规定值。从这一计算可以说明:有些飞机虽然其使用寿命达到了寿命指标规定的飞行小时，但其实际损伤度远远低于寿命指标所对应的损伤度，所以大有潜力可挖，如对这样的飞机一律按退役处理，是极大的浪费。而有些飞机由于经常承担大飞行动作科目，虽然其飞行时间很短，但其实际损伤度早已接近或超过规定值，如继续使用是非常不安全的。464结论目前，国外航空发达国家普遍采用单机寿命监控的方法管理和控制飞机寿命，取得了显著的经济军事效益。国内，空一所对固定翼飞机的单机寿命监控做了大量工作，成果显著，而陆航仍采用落伍的机群寿命管理，造成了人力、财力的大量浪费。近年来，大量先进直升机投入部队使用，陆航的装备发生了质的变化。与此同时，陆航直升机的寿命管理仍然停留在传统落后的机群安全寿命管理，与国外航空发达国家之间存在着较大的技术落差，与国内空军的寿命管理也有较大差距。由传统的“机群寿命”管理方法向先进的“单机寿命监控”管理方法转变已成为发展方向和趋势。目前，国内的直升机单机寿命监控研究还处于起步阶段，而固定翼飞机和直升机结构上的不同也造成了空军的单机寿命监控技术不能直接为陆航采用。开展陆航单机寿命监控研究已刻不容缓。参考文献[1]薛军，飞机机体结构疲劳寿命监控M]，北京，北京航空航天大学，2004[2]刘文珽等，单机寿命监控技术，北京，国防工业出版社，2010Structuralhealthmonitoringtechniquebasedonasinglehelicopter—thetrendofhelicopterstructuralliferegulationYuWeiLiZongyuanYangYuhangSunShaoyun(TheResearchInstituteofArmyAviation,Beijing,011121,China)Abstract:Thetrendofhelicopterstructuralliferegulationwasdescribed,andthedifferencesofstructuralliferegulationbetweenhelicopterandfixedwingplanewerediscussedaswell.Thenecessityandurgencyofresearchonstructurallifemonitoringbasedontheusageofasinglehelicopterwasfullydiscussed.