航空发动机健康管理系统标准探讨

于宏军 韩建军 张 华 甄 博

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

对于新设计的军、民用发动机，发动机健康管理系统是发动机不可缺少的组成部分。目前已开展发动机健康管理系统的先期研究工作，在我国新型涡扇、涡轴发动机研制中将发动机健康管理系统作为研发的重要系统之一。对发动机健康管理系统标准开展研究，将进一步夯实发动机健康管理专业领域技术基础，为发动机健康管理系统产品的定义和研制提出明确的技术要求。

国内外航空发动机健康管理技术研究取得的成果需要规范及时进行提炼、协调和固化，可为我国航空燃气涡轮发动机健康管理系统的研制、运行和维护等提供重大的技术引领和支撑。同时发动机健康管理系统的机载分系统、地面分系统各硬件设备及软件的集成及其接口要求，需要规范来进行统一和协调。

1 国外发动机健康管理系统技术及标准情况

在美国IHPTET计划和其后续VAATE计划中，包含了健康管理系统研制的内容，健康管理系统技术早在2000年就被列入美国国防部的《军用关键技术》报告中。国外新型军用飞机如F–22、F–35、EF2000战斗机及其发动机都不同程度地采用了诊断/健康管理技术，这对于提高飞行安全、减少维修人力、增加出动架次率、实现基于状态的维修（CBM）和自主式保障发挥着重要作用。

发动机健康管理系统是整个飞机健康管理系统的一个关键组成部分。在1991年开始工程研制的为F22战斗机配套的F119发动机上，已具有较完善的“诊断与健康管理”（DHM）系统，尽管没有达到足够的诊断精度，也未规定明确的考核指标。其采用的DHM系统虽然尚不具备预测能力，却是现役航空发动机中具有的最先进的智能状态监视和故障诊断系统。F119发动机DHM系统与控制系统结为一体，其系统硬件由控制系统电子设备和各种诊断传感器构成，其中控制系统电子设备包括两个FADEC（全权限数字电子控制系统）装置和一个CEDU（综合发动机诊断装置）。这些装置之间的通信是利用同步串行双向链路完成的，在FADEC之间有两条链路。F－22飞机借助MIL–STD–1553B总线与发动机FADEC和 CEDU通信，通过该总线将发动机操作指令从驾驶舱传送给发动机，以及向驾驶舱提供发动机性能反馈信息。

随着IHPTET等计划的实施，美国国防部和SAE等行业协会也将其技术研究成果不断地纳入到各自的标准规范中，规定了新的技术要求，健康管理便是前沿关键技术之一。美国自MIL–E–5007D《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》后开始提出发动机状态监视的相关规定；MIL–E–5007D、MIL–E–5007E将状态监视等要求放入“测试系统”章节中；随着该领域技术的不断发展，应用经验的逐步积累， JSGS–87231A《航空涡喷涡扇涡桨发动机通用规范》提出了发动机监视系统（EMS）的概念，JSSG–2007A发展成为发动机健康监视系统（发动机健康管理），JSSG–2007B中扩展为推进与动力系统健康监视系统（PPHMS），各版本规范相关技术要素对比分析详见图1。

美国SAE航空航天理事会推进系统分部下设的航空航天推进系统健康管理技术委员会（E–32）也发布了一系列燃气涡轮发动机监视系统/健康管理系统指南共30余项，包括有限监视系统指南、滑油系统监视指南、振动监视系统指南、使用寿命监视

图1 美军标通用规范健康管理系统技术演变

2 国内发动机健康管理系统技术及标准情况

采用健康管理技术，可以有效降低飞机和发动机的使用费用、延长发动机寿命、提高发动机的可靠性、维修性和安全性，我国新型涡扇、涡轴发动机研制中均要求具备故障监测和诊断与健康管理能力，由于我国该项技术研究起步晚、基础薄弱，距离工程应用仍有较大差距。国内开展发动机状态监视和故障诊断系统的研究始于“八五”期间，目前仅具有对发动机进行状态监控的功能，还不具备故障诊断功能，更不具备健康预测和寿命管理功能。在气路故障诊断方法、发动机振动监测及其故障诊断系统的研制等方和零件管理指南、发动机健康管理指南、辅助动力装置（APU）健康管理指南等，用于指导航空燃气涡轮动力装置的状态监视、故障诊断及健康管理系统的设计、使用和维修。以牵头规范SAE ARP 1587为例，将上世纪90年代初颁布的SAE ARP 1587和2008年颁布的SAE ARP 1587B的技术要求进行了梳理和对比分析，详见图2。面，取得了一定的突破，但主要是针对台架试验进行的监视和离线分析，至今没有形成自主的可以投入使用的发动机健康管理系统。

图2 SAE标准健康管理系统技术演变

图3 GJB241、GJB241A、GJB241A使用指南健康管理系统技术演变

标准规范方面，已完成修订的GJB 241A–2010在3.7.6测试系统中将原GJB 241–1987的3.7.6.1.2“发动机状态监控”修改了“机载发动机状态监视系统”，规定了该系统的具体功能，说明了其组成，并要求具有机内测试和自检测能力。还增加了3.7.6.1.3“发动机状态监视用传感器”，列出了为满足发动机状态监视要求，发动机传感器应提供的基本参数。详见图3。然而，由于GJB 241A–2010基本相当于其蓝本5007E的技术水平，仅部分参考了JSGS–87231A的技术内容，因此GJB 241A–2010也不能较好地满足当前发动机研制中健康管理系统的迫切需求，且远远落后于国外先进航空发动机健康管理系统技术水平。

上世纪90年代，我国参照SAE ARP 1587《飞机燃气涡轮发动机监视系统指南》、SAE AIR 1828《航空燃气涡轮发动机滑油系统监视指南》、SAE AIR 1839《航空燃气涡轮发动机振动监视指南》等国外飞机燃气涡轮发动机监视系统指南，编制并发布了相应的航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南，包括《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 总则》（HB/Z 286.1–1996）、《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 性能监视》（HB/Z 286.2–1996）、《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 滑油监视》（HB/Z 286.3–1996）、《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 振动监视》（HB/Z 286.4–1996）、《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 寿命监视》（HB/Z 286.5–1996）、《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南 温度监视》（HB/Z 286.6–1996）、监视系统与机载系统的一体化设计（HB/Z 286.7–1996），还编制了国军标《发动机监测与诊断系统通用技术要求》，对比分析详见图4。

图4 我国现有行业级标准健康管理系统技术演变

与国外相比，我国在发动机健康管理技术水平和标准规范上都存在很大的差距。主要体现在以下几个方面：

一是工程应用尚处于起步阶段。美国第四代发动机F119/F135已具备较完善的诊断与健康管理（DHM）系统，具有最先进的监测和故障诊断功能，而我国新型发动机健康管理系统仍处于研制的初期，因此，其发动机健康管理系统的顶层技术规范要求尚在摸索阶段；

二是通用规范对系统要求不足。GJB 241是以5007D为蓝本编制，提出的状态监视的要求反映了上世纪70年代该领域的技术水平。GJB 241A 修订中参考5007E，吸收了87231和2007部分要求，但该专业领域的新技术要求并未纳入241A的修订中，对新型涡扇、涡轴发动机健康管理系统研制指导作用针对性不是很强。

三是现行标准的技术水平落后。该技术领域的现行配套标准规范多参考上世纪八、九十年代的SAE ARP 1587等标准编制，仍停留在发动机监视系统的水平，致使目前标准技术内容落后、可操作性较差，主要为指导性质的指南，侧重于系统研制、成本分析和实施计划等顶层规划。在技术方面，则侧重于机上监视参数获取、记录和报警以及事后的地面分析检测。它们对于基于现代先进技术的涵盖燃气涡轮发动机健康管理系统的功能、性能、机载分系统和地面站的设计与结构、验证、主要监测项目及要求等来说，已不再适用，远远落后于当今以SAE ARP 1587B 为代表的系列新技术规范。

根据国外先进标准技术内容以及发动机健康管理系统技术发展需要，发动机健康管理系统规范主要研究内容包括航空发动机健康管理系统通用规范研究、航空发动机使用寿命监测规范研究、航空发动机状态监测系列规范研究和航空发动机机载与地面基数据管理系列规范研究等。

3 发动机健康管理系统规范主要内容

3.1 航空发动机健康管理系统通用规范研究

针对航空发动机研制需求，跟踪和分析国内外发动机健康管理技术发展状况，结合型号发动机健康管理系统关键技术验证以及发动机主机、关键部件和各系统的故障诊断、故障预测等部分关键技术研究和验证，对国外航空发动机健康管理系统指南中的顶层要求、系统的整体结构、效益和能力、应用实例以及可能的系统设计选择进行分析研究，完成我国的健康管理系统通用规范的研究。需要形成的规范为：

系统通用规范，包括系统的功能、性能、硬件与软件设计、机载分系统的电磁兼容性、环境适应性、互换性以及系统试验验证和评估验证要求等技术要素；

燃气涡轮发动机有限监视系统指南，包括对气路性能、机械参数以及低循环疲劳计数和发动机历史记录等系统的监视，以及典型测量系统的精度等技术要素；

发动机监视系统可靠性和有效性，包括从设计思想、软件、硬件、传感器、操作流程、人员培训、服务介绍和技术支持等多个角度考虑的技术要素。

3.2 航空发动机使用寿命监测规范研究

结合当前在航空发动机使用寿命监测领域所使用的要求和技术，同时考虑寿命有限零件的失效原因、发动机寿命预测和使用情况测定等新技术的潜在影响，参考国外先进发动机使用寿命监测和零件管理标准规范，完成航空发动机使用寿命监测指南的研究。需要形成的规范主要研究内容包括：

寿命限制准则、使用寿命算法；使用寿命数据的采集和管理；零件寿命跟踪、设计反馈等。

3.3 航空发动机状态监测系列规范研究

结合发动机性能参数监测技术研究、滑油系统、燃油系统及轴承等主要系统和部件的故障诊断技术研究、健康预测方案研究以及部分关键技术的验证，完成航空发动机健康管理系统主要监视项目，如发动机温度等性能参数、发动机滑油系统、发动机燃油系统、发动机传动系统以及气路和振动监测和诊断技术规范研究。需要形成的规范为：

航空发动机温度监测指南，包括监测方法、系统、选择标准以及硬件类型和当前的应用等要素；

航空发动机滑油系统监测指南，包括常规检查的检查与分析方法和设备等技术要素，含滑油系统性能监控、滑油屑末监控、滑油状态监测及基本要求等；

航空发动机传动系统监测指南，包括涡喷、涡扇、涡轴涡桨和发动机传动系统的监测方法要素，含部件、界面、传动装置、齿轮箱、悬挂轴承、轴系和相关旋转附件、螺旋桨等；

航空发动机振动监测系统指南，包括发动机振动监测系统及其组件的选择、安装、健康诊断及应用等要素；

航空发动机气路系统监测指南，包括静电技术要求、进出气路碎片监视系统的应用要求等要素；

APU健康管理指南，包括APU健康管理功能、程序开发等要素。

3.4 航空发动机机载与地面基数据管理系列规范研究

分析发动机监视功能与飞机机载系统的综合集成要求、地面站的建立要求、软件接口要求、数据交换要求等，对航空发动机机载与地面基数据管理系列规范开展研究，需要形成的规范为：

发动机监视功能与机载系统集成，包括发动机健康管理系统的功能与飞机系统（包括其主动力和其他辅助动力单元 （APU））的集成要求；

发动机状态监视地面站建立指南，包括系统功能、输入数据、数据库管理系统、输出数据需求、用户需求、系统研发因素等要素；

地面基监视系统使用的标准软件接口，包括软件输入和输出接口规范；

HUMS数据交换规范，包括健康与使用监视系统数据交换要求等。

4 结论

本文对国内外航空发动机健康管理系统标准展开了研究，并对需编制的发动机健康管理系统规范展开了具体讨论。无论是在技术发展还是操作实现上，发动机健康管理系统是个快速发展的学科，它已成为综合的、完整的飞机健康管理系统的子集。发动机健康管理系统关注的是早期的故障检测，确认它们的真实性，隔离故障源，确定必要的操作和/或维修措施，并确保在故障转换为失效和/或中断操作者的维修计划前完成上述工作。这些都在发动机健康管理系统规范中具有明确规定。因此认真开展航空发动机健康管理系统标准研究对我国航空发动机健康管理系统研制参考意义重大。