對(duì)飛機(jī)“望聞問(wèn)切”技術(shù)的發(fā)展
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對(duì)飛機(jī)“望聞問(wèn)切”技術(shù)的發(fā)展
飛機(jī)導(dǎo)航與制導(dǎo)會(huì)告訴你身在何處;傳感器則讓你知道你是誰(shuí)、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(gè)傳感器,隨時(shí)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(gè)殼體,它是設(shè)計(jì)中一個(gè)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(bào)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(méi)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(lái),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(dòng)力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,傳感器和檢測(cè)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(lái)監(jiān)控極其重要的飛機(jī)參數(shù),如發(fā)動(dòng)機(jī)性能和某些機(jī)架問(wèn)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(lái)。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(cè)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(shí)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(kù)。這種檢測(cè)儀器不斷得到發(fā)展,以致能將數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)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(wú)源傳感器。飛機(jī)的外殼不再僅僅是一個(gè)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(duì)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(wàn)個(gè)之多,其中一半是與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的。直接和長(zhǎng)期檢測(cè)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(chǔ)器以及高級(jí)診斷和預(yù)測(cè)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(lái)支持這一戰(zhàn)略的是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了從幾百架飛機(jī)和幾百萬(wàn)小時(shí)飛行中收集的數(shù)據(jù)(參見(jiàn)附文《健康管理將數(shù)據(jù)變?yōu)橹R(shí)》。)
AHM計(jì)劃的第一階段在 2003年10 月份開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試對(duì)象是美洲航空公司和法國(guó)航空集團(tuán)屬下的波音 747 和 777 客機(jī),測(cè)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(guò)一個(gè)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(shí)地發(fā)送故障、錯(cuò)誤狀況和其它數(shù)據(jù)(你可以訪問(wèn)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(huì)告訴機(jī)械師出了什么問(wèn)題以及可能產(chǎn)生問(wèn)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(gè)由以往的問(wèn)題和故障樹(shù)組成的龐大知識(shí)庫(kù)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(lái)安排航線和時(shí)刻表的航空公司的要求作比較。這樣,就可以把各種問(wèn)題(從小問(wèn)題到大問(wèn)題,從潛在問(wèn)題到實(shí)際問(wèn)題)的總影響減少到最低程度,
在第二個(gè)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(shí)或近似實(shí)時(shí)地予以報(bào)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(shí)內(nèi)對(duì)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(gè)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(huì)把數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)儲(chǔ)到機(jī)載光盤(pán)里。這些光盤(pán)由地勤人員取出,再交給 AHM 工作人員。航空公司可以通過(guò)波音公司為他們開(kāi)設(shè)的加密門(mén)戶網(wǎng)站,訪問(wèn)所有數(shù)據(jù)和結(jié)論。這個(gè)門(mén)戶網(wǎng)站使得航空公司可以對(duì)下一步工作進(jìn)行評(píng)估并作出決定,并使得日程變動(dòng)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(shí),AHM系統(tǒng)可以進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)趨勢(shì)、假警報(bào)(許多傳感器經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題)、速率變化和檢測(cè)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(hào)、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(wèn)題及其嚴(yán)重性的結(jié)論。
對(duì)機(jī)身表皮做文章
天線及天線數(shù)量的激增說(shuō)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(gè)物理的外殼,還必須將它派很多用場(chǎng)。除了一般的話務(wù)鏈路外,飛機(jī)上還有多個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、對(duì)地?cái)?shù)據(jù)鏈路、直接對(duì)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(gòu)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(huì)對(duì)天線產(chǎn)生更大的影響。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的天線部門(mén)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(zhǎng)的微帶插接式天線;在進(jìn)行測(cè)試時(shí),這些天線交替地在主波束方向上被激勵(lì),主波束指向前方,與地平面成45 度角。這些天線用 10 個(gè)有源元件時(shí),其近旁瓣比主波束低 13 dB,而采用 15 個(gè)有源元件時(shí),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(gè)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。
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(gè)傳感器,隨時(shí)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(gè)殼體,它是設(shè)計(jì)中一個(gè)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(bào)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(méi)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(lái),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(dòng)力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,傳感器和檢測(cè)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(lái)監(jiān)控極其重要的飛機(jī)參數(shù),如發(fā)動(dòng)機(jī)性能和某些機(jī)架問(wèn)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(lái)。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(cè)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(shí)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(kù)。這種檢測(cè)儀器不斷得到發(fā)展,以致能將數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)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(wú)源傳感器。飛機(jī)的外殼不再僅僅是一個(gè)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(duì)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(wàn)個(gè)之多,其中一半是與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的。直接和長(zhǎng)期檢測(cè)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(chǔ)器以及高級(jí)診斷和預(yù)測(cè)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(lái)支持這一戰(zhàn)略的是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了從幾百架飛機(jī)和幾百萬(wàn)小時(shí)飛行中收集的數(shù)據(jù)(參見(jiàn)附文《健康管理將數(shù)據(jù)變?yōu)橹R(shí)》。)
AHM計(jì)劃的第一階段在 2003年10 月份開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試對(duì)象是美洲航空公司和法國(guó)航空集團(tuán)屬下的波音 747 和 777 客機(jī),測(cè)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(guò)一個(gè)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(shí)地發(fā)送故障、錯(cuò)誤狀況和其它數(shù)據(jù)(你可以訪問(wèn)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(huì)告訴機(jī)械師出了什么問(wèn)題以及可能產(chǎn)生問(wèn)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(gè)由以往的問(wèn)題和故障樹(shù)組成的龐大知識(shí)庫(kù)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(lái)安排航線和時(shí)刻表的航空公司的要求作比較。這樣,就可以把各種問(wèn)題(從小問(wèn)題到大問(wèn)題,從潛在問(wèn)題到實(shí)際問(wèn)題)的總影響減少到最低程度,
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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(huì)把數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)儲(chǔ)到機(jī)載光盤(pán)里。這些光盤(pán)由地勤人員取出,再交給 AHM 工作人員。航空公司可以通過(guò)波音公司為他們開(kāi)設(shè)的加密門(mén)戶網(wǎng)站,訪問(wèn)所有數(shù)據(jù)和結(jié)論。這個(gè)門(mén)戶網(wǎng)站使得航空公司可以對(duì)下一步工作進(jìn)行評(píng)估并作出決定,并使得日程變動(dòng)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(shí),AHM系統(tǒng)可以進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)趨勢(shì)、假警報(bào)(許多傳感器經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題)、速率變化和檢測(cè)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(hào)、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(wèn)題及其嚴(yán)重性的結(jié)論。
對(duì)機(jī)身表皮做文章
天線及天線數(shù)量的激增說(shuō)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(gè)物理的外殼,還必須將它派很多用場(chǎng)。除了一般的話務(wù)鏈路外,飛機(jī)上還有多個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、對(duì)地?cái)?shù)據(jù)鏈路、直接對(duì)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(gòu)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(huì)對(duì)天線產(chǎn)生更大的影響。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的天線部門(mén)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(zhǎng)的微帶插接式天線;在進(jìn)行測(cè)試時(shí),這些天線交替地在主波束方向上被激勵(lì),主波束指向前方,與地平面成45 度角。這些天線用 10 個(gè)有源元件時(shí),其近旁瓣比主波束低 13 dB,而采用 15 個(gè)有源元件時(shí),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(gè)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。
評(píng)論