直升机状态维修技术模式发展前景

边英杰，郝万亮，申献芳，张吉林

(1. 66350部队，河北 保定 071000; 2. 32145部队，河南 新乡 450000)

0 引言

直升机具有机动灵活，能够实施快速打击等特点，在现代战争中发挥着重要的作用。直升机良好的维护保障模式以及较高的装备完好率是决定直升机良好的出勤率的关键因素。因此，开展装备保障模式的探讨具有重要的意义。

传统的直升机维修主要有事后维修和定期维修两种模式。事后维修是在设备出现故障后才进行修理。这种方式会导致设备损坏，并由此引起其他的间接损失，后果严重时可能会使设备报废甚至发生事故。定期维修则是按照预先制定好的维护保养计划定期对直升机进行检修。这种方式能够降低重大事故发生的概率，但其维护成本较高，而且也存在一些不足：维修间隔过长则难以达到预防性维修的目的，过短则会产生过度维修，浪费经费等。随着状态监测技术、计算机技术以及维修分析决策技术的发展，基于状态的维修得到迅猛发展，并逐渐显示出巨大的优越性。由于其能够掌握装备的现行技术状态，运用数据分析与决策技术预测装备的寿命，并实施“精确”维修，保证装备系统安全稳定运行，延长使用寿命，节约维修费用，提高完好率和可用度，因此基于状态的维修已成为维修理论与应用研究领域的一个热点。

1 状态维修技术

大部分故障的发生是一个由量变到质变的渐变过程，这个过程可用如图1所示的曲线表示。其中A点为故障萌发点，即状态劣化的实际起点；B点为潜在故障点，从这点开始异常的状态可以通过现有的技术手段检测出来；C点为功能故障点，即装备最终失效的时间点。从B点到C点之间的时间长度称为B-C间隔。状态维修的基本原理是当此间隔期足够长，在B点和C点之间，通过一定的手段检测出装备的故障征兆，然后采取一定的维修措施，预防装备功能故障发生。

图1 装备故障发生曲线

状态维修(Condition based Maintenance, CBM)是从植入设备内部的传感器或外部检测设备中获得系统运行时的状态信息，通过对状态信息评价来决定装备维修需求，根据状态监测和故障诊断技术提供的信息，能够在故障发生前准确预知，并及时安排维修计划，是一种实时或接近实时的装备维修策略。需要强调的是，CBM不能简单理解为状态监控维修。状态监控是CBM的前提和基础，根据监控获得的状态信息进行数据处理、寿命预测等一系列活动是CBM的核心；确定维修需求、做出维修决策是CBM的最终目标。

状态维修主要包括设备的状态监测、故障诊断和预测、维修决策三大部分。它应用状态监测技术和故障诊断技术确定设备的状态，进行维修分析及决策，并实施维修活动。这种方式与传统的事后维修和定期维修相比，可有效地降低设备维护费用，减少设备发生重大故障的概率，提高设备的总体可用性。

开放式基于状态的维修的组织机构(OSA-CBM)将状态维修系统分为七个不同的技术模块，其核心内容主要包括以下六个方面，如图2所示。

图2 CBM系统模块组成

数据获取模块主要由各种传感器组成，为系统提供设备的状态信息与数据交换。数据处理模块接收来自数据获取模块或者其他信号处理模块的信号和数据，输出包括滤波信号、频谱、传感信息和其他特征信息。状态监测模块接收来自数据获取模块、数据处理模块或者其他状态监测数据，并将其与期望值进行比较，根据阈值大小做出不同的反应。状态评估模块接收来自不同状态监测或其他状态评估模块的数据，主要作用是指示被监测部件、分系统或系统的劣化状况，并给出诊断报告以及故障率。故障/剩余寿命预测模块可以从上述各模块获得数据，预测指定时间的设备状态或剩余寿命。维修分析与决策模块通过分析状态评估模块和故障/剩余寿命预测模块的数据，对维修工作进行定性与定量分析，并按照给定的目标给出最佳的维修工作和维修时机。

状态维修是一个复杂的系统，从数据的获取和处理、状态监测、状态评估、故障预测，到最终维修决策的制定，每一个过程都需要经过科学的判断和计算，才能最终给出最佳的维修决策。

2 状态维修技术在美国航空领域的应用

由于定期维修存在着维护成本高的特点，为了进一步降低维护成本，提高效率，美国于20世纪末提出并大力推行“基于状态的维修”技术，在F-35、F-22等飞机上开展了相关试点工作，并取得了重大进展。从实际应用情况看，基于状态的维修技术大大提高了装备的完好性，显著降低了维修费用，是实现武器装备精确维修的重要途径。

目前，状态维修计划在美国直升机维护领域已开始实施。美国共确定了AH-64A/D“阿帕奇”、UH-60A/L“黑鹰”和CH-47D“支奴干”三种机型共197个监控零部件，利用CBM系统开展维修活动，主要包括发动机、主变速箱、旋翼传动装置、尾桨传动装置、尾减速器等关键部件。状态维修技术中用于状态监控的新测试装备和新嵌入式机载诊断系统安装在部分直升机上，包括用于监控旋翼的轨迹和平衡的振动处理增强程序(VMEP)，以及由古德里公司研制的状态与使用监控系统(HUMS)，以实时监测直升机部件的状况。HUMS综合了健康监控系统和使用监控系统，用于监控直升机及其子系统的性能和使用参数，预测直升机剩余使用寿命，并提供维修决策信息。该系统已广泛装备于美国直升机上，使直升机完好率提高了10%。在“伊拉克自由”行动和“持久自由”行动中，美国共动用了118套数字化资源收集器(DSC)系统。这些系统采用CBM系统为作战人员和作战装备提供保障，共保障直升机装备430余架，总飞行超过10万小时。SDC系统通过传输“标准装备管理信息系统(STAMIS)”数据和“状态使用监控系统”数据完成了对装备的维修保障，全任务能力提升5%。

基于状态维修作为成本效益战备的重要组成部分，一是增强了直升机的安全性能，降低了事故发生次数；二是能够消除事故隐患，提高直升机的作战能力；三是降低了维修成本和维修工作负担，延长了设备的工作时间，节约了大量经费，美国每年因此节约的维修经费高达2亿美元。

3 状态维修技术对我国直升机维修模式的启示

目前我国直升机的维修保障主要采用事后维修和定期维修两种模式。实施状态维修技术后，随着视情维修范围的扩大，外场维修工作将被简化，增加原位检修能力，减少定时维修内容。原有的对发动机、主减速器、旋翼等关键机械传动部件的周期性工作和定检工作，将由故障诊断与预测系统代替，采用视情/预知维修方式进行。

在直升机预先机务准备阶段，根据机载监测诊断系统和地面测试提供的直升机状态报告，排除部附件的故障缺陷，主要包括故障的定位和隔离、部附件更换、设备调校和检验以及故障件的修复。

在直接机务准备阶段，直升机性能检查主要依靠机载故障诊断与预测系统和便携式维修辅助设备完成。若存在故障或部附件发现裂化状态，则根据CBM决策软件提供的维修方案实施维修。

在再次出动机务准备阶段，工作的预见性明显提高，在直升机还在空中训练时，就将状态或故障信息自动传输给地面维修站或准备保障系统，生成维修方案，明确维修内容。

CBM对飞机维修方式的影响，是大量新技术新手段运用的结果，除了利用在直升机上集成的先进传感器外，还要借助各种算法和智能模型等来判断直升机的状态。因此，维修基础不再仅仅是传统的基于传感器的诊断，而是基于CBM智能系统的预测。状态监控也不仅仅只反映维修需求，而是提供准确实时的维修导向，从而促使飞机维修从原来以事件为主宰的维修(即事后维修方式)和与时间相关的维修(即定期维修方式)，向实时主动预测维修方式转变。

我国部分直升机的状态监控的范围和性能相对有限，仅仅是单一的对个别设备的状态监控，而不是一整套对直升机及其部附件进行监控、分析和决策的系统，跟美国成熟的基于状态维修的维修保障体制相比还有较大差距。在关键技术方面，国内主要开展了状态维修的理论研究，侧重于研究状态检测和故障诊断技术，缺少根据设备的状态信息进行维修分析决策这一重要功能，使得CBM难以充分发挥其应有的作用和效能。因此，成熟的能够广泛应用于实践的状态维修保障模式的实现还需要一段时间。

4 总结与展望

直升机的维修保障模式直接决定着直升机的完好率。基于状态的维修是一种先进的预防性维修决策技术，能有效地克服定期维修造成的装备过修或失修的问题，是未来装备维修发展的必然趋势，将带来巨大的经济效益。但是，由于我国在发展状态维修技术方面与国外还存在较大差距，尤其是在关键技术突破以及宏观管理决策的制定上有待进一步探索，因此在加强理论研究的同时，应当更侧重于解决实际问题，使基于状态的维修尽快得到应用。