對飛機(jī)“望聞問切”技術(shù)的發(fā)展

飛機(jī)導(dǎo)航與制導(dǎo)會告訴你身在何處；傳感器則讓你知道你是誰、情況如何；而柔韌可控的飛機(jī)皮表則能使你適應(yīng)環(huán)境。
　　要 點(diǎn)
　　●   今天的飛機(jī)遠(yuǎn)不只是一種飛行機(jī)器，它還包括數(shù)千個傳感器，隨時監(jiān)控飛行性能和機(jī)體完整性。
　　●   飛機(jī)的表皮不只是一個殼體，它是設(shè)計(jì)中一個有效工作的、日益智能化的部分，內(nèi)含有天線、傳感器等等。
　　●   明天的飛機(jī)將具有判斷并報告飛機(jī)的健康狀況的先進(jìn)的算法，并能改變形狀。
　　最早的飛機(jī)沒有外殼，只有蒙著織物的機(jī)翼。不久，設(shè)計(jì)師們把機(jī)身封閉起來，最初的目的是減少風(fēng)的阻力，最終目的則是能使乘客待在現(xiàn)在眾所周知的鋁制機(jī)艙里。但是，飛機(jī)的主體主要仍然是飛行的機(jī)身。
　　隨著速度更快、動力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，傳感器和檢測儀器技術(shù)的進(jìn)展有所加快，設(shè)計(jì)師們利用這些技術(shù)來監(jiān)控極其重要的飛機(jī)參數(shù)，如發(fā)動機(jī)性能和某些機(jī)架問題。但系統(tǒng)只把這些傳感器收集的數(shù)據(jù)顯示給機(jī)組人員，大多數(shù)數(shù)據(jù)在這之后就丟失了，除非機(jī)組人員把它們記錄下來。例外情況是試驗(yàn)性飛機(jī)——這種飛機(jī)也許有額外的檢測儀器設(shè)備，其中包括數(shù)據(jù)記錄儀——但這樣的系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和功能都很有限。
　　時光飛逝，轉(zhuǎn)眼到了 21 世紀(jì)，今天的商用飛機(jī)有數(shù)以千計(jì)的內(nèi)置傳感器、各種各樣的數(shù)據(jù)記錄儀，甚至有一套復(fù)雜的地面基礎(chǔ)設(shè)施，用于采集使用這些數(shù)據(jù)的算法和數(shù)據(jù)庫。這種檢測儀器不斷得到發(fā)展，以致能將數(shù)據(jù)流實(shí)時傳送到地面管理系統(tǒng)。
　　飛機(jī)的進(jìn)步不只是在角落里增加更多的無源傳感器。飛機(jī)的外殼不再僅僅是一個封閉式的結(jié)構(gòu)：它不僅是安裝檢查結(jié)構(gòu)本身完整性的傳感器的框架，而且也是安裝天線的框架。這些進(jìn)步可能不只是把機(jī)殼主要用作帶可調(diào)襟翼的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。機(jī)殼上還有一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以改變飛行特性，以應(yīng)付飛行條件（如速度和任務(wù)）的變化。
　　一切正常，對此，我相當(dāng)有把握
　　一架商用客機(jī)，如波音 777，安裝有大量的傳感器，數(shù)量有 4 萬個之多，其中一半是與發(fā)動機(jī)有關(guān)的。直接和長期檢測這一數(shù)據(jù)流，意味著飛機(jī)制造廠必須做的工作不僅僅是將這些數(shù)據(jù)讀數(shù)展示給空勤和地勤人員。波音商用飛機(jī)集團(tuán)正在規(guī)劃一種把所收集數(shù)據(jù)、通信鏈路、數(shù)據(jù)存儲器以及高級診斷和預(yù)測算法組合在一起的三步AHM（飛機(jī)健康管理）戰(zhàn)略（圖 1）。該公司用來支持這一戰(zhàn)略的是一個龐大的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中保存了從幾百架飛機(jī)和幾百萬小時飛行中收集的數(shù)據(jù)（參見附文《健康管理將數(shù)據(jù)變?yōu)橹R》。）
　　AHM計(jì)劃的第一階段在 2003年10 月份開始現(xiàn)場測試，測試對象是美洲航空公司和法國航空集團(tuán)屬下的波音 747 和 777 客機(jī)，測試將持續(xù)到 2004 年 3 月。在這一階段中，飛機(jī)的中心維護(hù)計(jì)算機(jī)通過一個航空公司可以接入的加密網(wǎng)站(www.MyBoeingFleet.com)和網(wǎng)絡(luò)，向地面實(shí)時地發(fā)送故障、錯誤狀況和其它數(shù)據(jù)（你可以訪問www.boeing.com/commercial/aviationservices/myboeingfleet/index.htm網(wǎng)站）知道飛機(jī)配置詳情的地面系統(tǒng)，就會告訴機(jī)械師出了什么問題以及可能產(chǎn)生問題的根源。（例如，總線 A 上的電源部件有故障。）地面軟件系統(tǒng)使用一個由以往的問題和故障樹組成的龐大知識庫以及該飛機(jī)最低限度的設(shè)備清單，以便將該飛機(jī)的實(shí)際情況與計(jì)劃的行程和利用信息來安排航線和時刻表的航空公司的要求作比較。這樣，就可以把各種問題（從小問題到大問題，從潛在問題到實(shí)際問題）的總影響減少到最低程度，
　　在第二個階段，AHM 系統(tǒng)將使用在正常飛行中獲得的數(shù)據(jù)抽點(diǎn)打印，并實(shí)時或近似實(shí)時地予以報告。這一信息使波音公司和航空公司防患于未然。例如，軸承溫度的某一升高速度可能意味著該軸承性能在下降，操作人員應(yīng)該在今后 100 小時內(nèi)對其進(jìn)行檢查，但這并不是當(dāng)前的危機(jī)。第三階段是在獲得數(shù)據(jù)抽點(diǎn)打印后將一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流發(fā)送給地面系統(tǒng)。
　　通信鏈路需要為飛行中的飛機(jī)提供額外的帶寬。為了補(bǔ)充通信鏈路，機(jī)載計(jì)算機(jī)會把數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)儲到機(jī)載光盤里。這些光盤由地勤人員取出，再交給 AHM 工作人員。航空公司可以通過波音公司為他們開設(shè)的加密門戶網(wǎng)站，訪問所有數(shù)據(jù)和結(jié)論。這個門戶網(wǎng)站使得航空公司可以對下一步工作進(jìn)行評估并作出決定，并使得日程變動最少，維護(hù)效率最大。
　　根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)和操縱的大量知識，AHM系統(tǒng)可以進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)趨勢、假警報（許多傳感器經(jīng)常發(fā)生的問題）、速率變化和檢測參數(shù)的組合。這樣做的目的是：把數(shù)據(jù)與飛行規(guī)范、飛機(jī)型號、飛行任務(wù)和獨(dú)特配置等進(jìn)行比較，優(yōu)先得到有關(guān)問題及其嚴(yán)重性的結(jié)論。
　　對機(jī)身表皮做文章
　　天線及天線數(shù)量的激增說明：飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?nèi)绾尾粌H把飛機(jī)表皮用作一個物理的外殼，還必須將它派很多用場。除了一般的話務(wù)鏈路外，飛機(jī)上還有多個雷達(dá)系統(tǒng)、對地?cái)?shù)據(jù)鏈路、直接對衛(wèi)星鏈路、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、軍用飛機(jī)的干擾系統(tǒng)，等等。（汽車也好不到哪兒去，通用汽車公司估計(jì)：一部配備全部選購件的 2004 卡迪拉克轎車將至少有 17 副天線，而防撞雷達(dá)尚待安裝。）
　　為了把機(jī)身表皮變成電子構(gòu)件，工程師們正在研究滿足機(jī)械和電子兩方面要求的先進(jìn)共形天線設(shè)計(jì)。盡管共形天線不是什么新東西，但它必須支持的頻率和帶寬則都是新的，較高的頻率意味著機(jī)身表皮固有的曲線輪廓和尺寸會對天線產(chǎn)生更大的影響。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的天線部門正在研究，一種可以嵌入機(jī)翼根部或環(huán)繞機(jī)翼的共形天線陣（參考文獻(xiàn) 1）。這種 5.45 GHz雷達(dá)天線陣列使用 116 根間隔為半波長的微帶插接式天線；在進(jìn)行測試時，這些天線交替地在主波束方向上被激勵，主波束指向前方，與地平面成45 度角。這些天線用 10 個有源元件時，其近旁瓣比主波束低 13 dB，而采用 15 個有源元件時，近旁瓣又降低了9 dB。由于機(jī)翼前緣曲線的緣故，只有 8 個元件是有效的，但模擬試驗(yàn)和比例模型試驗(yàn)都表明，這種天線可以在大多數(shù)仰角方向上產(chǎn)生高質(zhì)量的波束。