對飛機“望聞問切”技術的發(fā)展

飛機導航與制導會告訴你身在何處；傳感器則讓你知道你是誰、情況如何；而柔韌可控的飛機皮表則能使你適應環(huán)境。
　　要 點
　　●   今天的飛機遠不只是一種飛行機器，它還包括數(shù)千個傳感器，隨時監(jiān)控飛行性能和機體完整性。
　　●   飛機的表皮不只是一個殼體，它是設計中一個有效工作的、日益智能化的部分，內(nèi)含有天線、傳感器等等。
　　●   明天的飛機將具有判斷并報告飛機的健康狀況的先進的算法，并能改變形狀。
　　最早的飛機沒有外殼，只有蒙著織物的機翼。不久，設計師們把機身封閉起來，最初的目的是減少風的阻力，最終目的則是能使乘客待在現(xiàn)在眾所周知的鋁制機艙里。但是，飛機的主體主要仍然是飛行的機身。
　　隨著速度更快、動力更強、結構更加復雜，傳感器和檢測儀器技術的進展有所加快，設計師們利用這些技術來監(jiān)控極其重要的飛機參數(shù)，如發(fā)動機性能和某些機架問題。但系統(tǒng)只把這些傳感器收集的數(shù)據(jù)顯示給機組人員，大多數(shù)數(shù)據(jù)在這之后就丟失了，除非機組人員把它們記錄下來。例外情況是試驗性飛機——這種飛機也許有額外的檢測儀器設備，其中包括數(shù)據(jù)記錄儀——但這樣的系統(tǒng)的應用范圍和功能都很有限。
　　時光飛逝，轉(zhuǎn)眼到了 21 世紀，今天的商用飛機有數(shù)以千計的內(nèi)置傳感器、各種各樣的數(shù)據(jù)記錄儀，甚至有一套復雜的地面基礎設施，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)流實時傳送到地面管理系統(tǒng)。
　　飛機的進步不只是在角落里增加更多的無源傳感器。飛機的外殼不再僅僅是一個封閉式的結構：它不僅是安裝檢查結構本身完整性的傳感器的框架，而且也是安裝天線的框架。這些進步可能不只是把機殼主要用作帶可調(diào)襟翼的堅固結構。機殼上還有一些執(zhí)行機構，用以改變飛行特性，以應付飛行條件（如速度和任務）的變化。
　　一切正常，對此，我相當有把握
　　一架商用客機，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)動機有關的。直接和長期檢測這一數(shù)據(jù)流，意味著飛機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。波音商用飛機集團正在規(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測算法組合在一起的三步AHM（飛機健康管理）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屬下的波音 747 和 777 客機，測試將持續(xù)到 2004 年 3 月。在這一階段中，飛機的中心維護計算機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，向地面實時地發(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）知道飛機配置詳情的地面系統(tǒng)，就會告訴機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最低限度的設備清單，以便將該飛機的實際情況與計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)抽點打印，并實時或近似實時地予以報告。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，操作人員應該在今后 100 小時內(nèi)對其進行檢查，但這并不是當前的危機。第三階段是在獲得數(shù)據(jù)抽點打印后將一個連續(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提供額外的帶寬。為了補充通信鏈路，機載計算機會把數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)儲到機載光盤里。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的加密門戶網(wǎng)站，訪問所有數(shù)據(jù)和結論。這個門戶網(wǎng)站使得航空公司可以對下一步工作進行評估并作出決定，并使得日程變動最少，維護效率最大。
　　根據(jù)飛機設計和操縱的大量知識，AHM系統(tǒng)可以進一步查看數(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、飛機型號、飛行任務和獨特配置等進行比較，優(yōu)先得到有關問題及其嚴重性的結論。
　　對機身表皮做文章
　　天線及天線數(shù)量的激增說明：飛機設計師們?nèi)绾尾粌H把飛機表皮用作一個物理的外殼，還必須將它派很多用場。除了一般的話務鏈路外，飛機上還有多個雷達系統(tǒng)、對地數(shù)據(jù)鏈路、直接對衛(wèi)星鏈路、GPS 導航系統(tǒng)、軍用飛機的干擾系統(tǒng)，等等。（汽車也好不到哪兒去，通用汽車公司估計：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，而防撞雷達尚待安裝。）
　　為了把機身表皮變成電子構件，工程師們正在研究滿足機械和電子兩方面要求的先進共形天線設計。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。美國空軍研究實驗室的天線部門正在研究，一種可以嵌入機翼根部或環(huán)繞機翼的共形天線陣（參考文獻 1）。這種 5.45 GHz雷達天線陣列使用 116 根間隔為半波長的微帶插接式天線；在進行測試時，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。由于機翼前緣曲線的緣故，只有 8 個元件是有效的，但模擬試驗和比例模型試驗都表明，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。