无人机系统维修保障模式探索与研究

2015-03-25刘怡彪

科技传播 2015年15期

关键词：保障体系基地监控

刘怡彪，徐淦，袁野

中国飞行试验研究院，陕西西安 710000

无人机系统维修保障模式探索与研究

刘怡彪，徐淦，袁野

中国飞行试验研究院，陕西西安 710000

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自带的程序控制装置操纵的不载人飞行器。由于无人机具有成本低、效费比好、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等特点，正在被世界各国所重视。美军在《2020年联合设想》(Joint Vision 2020)中提出了“主宰机动、精确作战、集中保障和全维防护”四大作战原则来保持部队的各方面优势，可见一套完美的作战方案离不开精确的保障方案支持，要发展无人机，就得先建设起一套完整的维修保障体系。本文介绍了美军的无人机系统维修保障模式并提出了我军建设无人机系统维修保障模式的方法。

无人机；UAV；维修保障体系

美军无人机系统的部署可分为两种，第一种为无人机系统全部部署在前线主使用基地执行任务；第二种是负责发射和回收单元部署在前线，负责任务单元则部署在美国本土。无人机的维修保障体系可分为维修体制、人力资源、贮运方案、基地机场、保障设备以及状态监控五大类。

1 维修体制

不同种类的无人机系统根据其所属部队编制、任务和各级维修机构的能力等方面的考虑，可能采取两级或三级维修。比如，美国陆军战术无人机采用两级维修方式：基层级和基地级。而美海军的垂直起降战术无人机初始维修方案采用的是三级维修，但根据对投入外场使用后获得的后勤管理信息维修数据的分析，决定改用两级维修更合适。美空军长航时无人机也采用两级维修：基层级和基地级，具体方案如下。

1.1 基层级维修

主使用基地、一般使用基地和后勤保障部门要求的所有部署地点，都会为长航时无人机提供原位维修。原位维修具体由使用大队内部的生产小队完成；后勤大队内部的保障小队负责提供超出使用大队能力的服务。集装装运的传感器、航空电子设备、数据链、电气和环境系统的故障隔离工作，主要借助机内测试（BIT）和已核实的技术数据，将故障隔离到外场可更换单元（LRU）。在本维修级别不需对设备进行校验和校准。

本维修级别提供的原位维修包括计划和非计划维修两种，具体内容包括以下方面。

1）检查机上可卸系统的工作情况。

2）将故障隔离到LRU或相关部件、线路。

3）拆卸并更换有问题的LRU。

4）对有关飞机线路、部件进行维修。

5）飞机定期、阶段性或特殊检查，更换定时更换件。

6）检查平台采用的限时技术指令的符合性。

高空长航时无人机的部署性要求以及两级维修策略，使得传统的后方车间(中继级)离位维修功能失去了存在的价值。一些传统离位维修功能被转移到基层级，由出动生产小队用提供的保障设备完成。大多数修理工作属于隔离、拆卸和更换有故障的LRU(LRU可为一块印制板或容易更换的部件)。故障隔离中采用的手段包括：保障设备、BIT和已核实的技术数据。下列LRU/SRU修理工作应在基层级完成。

1）核实可疑LRU的故障。

2）将故障隔离到一个SRU或安装在LRU底盘上的元件。

3）更换或修理故障的LRU/SRU。

4）采用与核查故障相同的方法核查修理的效果。

5）妥善处理部件上更换下来的LRU/SRU。

6）编写相关的服务通报。

7）进行规定的检查或校验。

8）操作并维修有关的保障设备。

1.2 基地级维修

基地级维修主要进行超出基层级维修能力或设施能力之外的维修。主要内容包括：复查LRU与SRU故障，隔离并修理有问题的零部件，复查处理结果，将修理好的零部件送库房保管等。基地级维修在后勤保障部门确定的适当地点实施。

2 人力资源

人力资源作为维修保障体系的重要因素，是指平时和战时维修装备所需人员的数量、专业及技术等级。以“捕食者”无人机系统为例，一个典型的“捕食者”系统包括四架无人机、一个地面控制系统和一个“特洛伊精神II”数据分送系统。美军空军战斗司令部给出捕食者无人机系统的初始人力估计方案如下。

1）人力需求根据持续作战环境(30天以上)决定。

2）基层级结构应设在具有维修、行政管理及监督人员/管理部门和保障飞行的中队一级。

3）人力结构应遵守现有军官和士兵分类指南。根据需要建立新的空军专业代码或改进技能水平，以支持将无人机系统引入到空军库存。

4）持续战时人时可用性系数应为每月247人时。

5）在持久战期间，维修工作中心应每天24小时、每周7天连续工作，人员每天应工作10小时，每周工作6天。

6）在持久战期间，中队应能够保障两场重大局部性冲突。

7）在每场重大局部性冲突中，第11和15侦察中队应将“捕食者”无人机在多个前方作战地点部署。

8）无人机中队应能够支持每场重大局部性冲突中待定数量的飞行器同时在轨执行任务。

9）每个轨道至少需要1个地面控制站系统。

10）每个任务控制站系统应具有5个人的位置：任务指挥官、飞行器操作员、任务规划员、图象分析员和传感器操作员。

11）每个一般使用基地要求有一套发射与回收单元。

12）每套发射与回收单元应有2个人的位置。

13）所有专业的航空器维修人员数最少应有2名。

14）应在最大程度上跨专业使用维修人员。

15）航空器、相关系统和保障单元应属于C类保密资产。

16）部署的发射/控制区域的安保要求应由一般使用基地/部门司令官决定。具体人力分配根据当地现有安保人员情况而定。需要时，联合部队航空部门司令官或空军部队司令官应提供安保人力。

17）主使用基地和一般使用基地的正常基地使用保障应由当地提供。

18）在人力估算中应包括无人机系统专用的基地使用保障。

19）飞行器发射地也被设定为回收地。

20）飞行使用在白天或夜晚进行，每天最长24h。

21）不考虑战斗损伤和磨损。应根据需要更换飞行器，以保持计划的在轨数。

捕食者无人机系统的维修保障人力资源要求如表1所示。

表1 “捕食者”系统的维修保障基本人力要求

3 贮运方案

将平时几乎不使用的无人机系统（如无人攻击机系统）的大部分无人机贮存起来，依靠仿真和小部分无人机进行训练，将会节省大量维修费用。为了减少人力资源要求，在贮存期间应尽可能少的对无人机系统进行上手维修等。同时，应可通过状态监控及时掌握无人机的状态并确保各种保障设备的贮存要求。

无人机应在受保护环境下低费用贮存，易于维修和快速重构，以满足战时部署或平时训练的要求，这是无人机使用保障方案的一个重要的和必需的组成部分。美军计划使各联队能够将自己的无人攻击机贮存在密封的、可转运的集装箱中，这种集装箱不仅能够进行温湿度控制和无人机诊断还可通过网络传输使维修人员监控无人机状态和配置机上软件版本并且一架C-130（或C-17）能运送一套装运在这种集装箱内的无人机系统。

飞机在除湿环境下贮存是欧洲空军(瑞典、丹麦、英国)和美国海军的共同惯例。另外，瑞典、德国和以色列军队采用除湿方法贮存各种机械和电子系统包括地面车辆，已取得很大成功。美国后勤管理学院的研究也验证了除湿保护对武器系统和设备(包括无人机和有人驾驶飞机)非常有益。这些国家的经验是使贮存环境的相对湿度保持在25%~40%之间。低成本的干燥车轮可以在航线和更长久的贮存条件下提供这种环境。航线袋、“蛤壳”掩蔽处、飞机修理库和特殊集装箱在保障方案下，都能很好地与除湿系统结合使用。美军研究表明，采用类似现有巡航导弹贮存方式的“圆木”车方案是无人机贮存可选的一种方案，最重要的是从一开始就建立这种能力。

4 基地机场

美国空军于2009年发布了“无人机系统机场规划与设计标准”的工程技术函（ETL），为无人机系统提供了根据无人机各项基本参数进行机场规划和设计的标准。

无人机跑道设计主要为跑道距离、路面等级以及链路通讯障碍物等。同时，无人机机场还应具备无人机维修保障的基本通用要求，如空调通风车、电源车、燃油加油车、机库、试车场、地面控制站停放场地、应急发电机等。

五保障设备

一般长航时无人机的保障设备要求是，应设计具有BIT特征、能够自动/半自动工作的保障设备，以指示无人机系统的使用状态。BIT能够将95%的故障隔离到有缺陷的SRU，辅以技术数据时，可以隔离100%的故障。还应制定人工程序并引入技术数据，以便无人机、各个子系统和保障设备的故障隔离。在所有场合下，自动/半自动和人工程序结合起来应能向现场设备提供持续的维修能力。接近故障的LRU不应要求使用特殊工具，也不需拆卸其它LRU。当接通飞机地面动力装置、辅助动力装置或现场环境下可用的公共动力资源时，保障设备必须能够工作。对所有地面保障方案，内部或外部致冷源和动力源必须能够提供致冷和动力。全部保障设备和保障设备的集装箱都必须根据军用规范进行设计，应配有铲车/起重机(根据要求)等提升装置、车轮、保护装置等，以使保障设备能够满足世界范围内的机动性要求。

1）航线测试设备。

应通过安装系统BIT来最大限度地减少航线测试设备。确实需要时，航线测试设备应具有用于核查系统使用状态和隔离故障所需的最小尺寸、重量和复杂性。

2）保障设备备件。

当在部署地利用通用保障设备对机上可卸设备(不构成某设施或设备不可分割部分的设备，如飞机上的机炮、雷达等)进行修理不可行时，保障设备应引入置信标准。必须为所选通用保障设备配备替代品，以维持发生偶发事件期间的维修能力。

3）校准。

战区接收车辆/设备应负责为部署设备提供现场校准。在主使用基地对保障设备的校准工作由精确测量设备试验室（PMEL）专家完成，校准间隔不能少于180天。

6 状态监控

无人机由于机上没有驾驶员，因此需要更高的自我监控和自我诊断能力。为满足无人机系统要求规范中对可用性、可靠性和维修性规定的置信水平，为了保证系统安全、任务成功、机组人员信心和有效维修，无人机系统应具有适当的系统状态监控能力。在无人机系统要求规范中应规定其所采用的每一项状态监控功能。状态监控应覆盖从初始加电到最终下电整个时间段。无人机系统要求规范还应规定每项状态监控功能的准确实施概率。无人机系统在发射时的完好状态更重要，在状态监控结构中应专门包含这方面的功能。对于那些直接影响系统安全或任务成功概率的无人机系统保障设施要素(发射与回收系统、地面控制站)的监控与对飞行器的状态监控同等重要，在无人机系统状态监控结构中也应包括这方面的功能。

无人机系统状态监控结构应满足下列4项基本要求。

1）对不安全或潜在不安全的系统或分系统的正确标记（flag）概率应很高。

2）将安全系统错误地标记为不安全系统的概率应较低。

3）对不能执行任务的系统或分系统的正确标记概率应很高。

4）将系统或分系统错误地标记为不能执行任务的概率应很低。

根据上述要求，无人机利用连续BIT、启动BIT和维修BIT能力来检测电子设备硬件和软件故障。在适当的时候，应使用BIT重试技术来防止虚警，还要求进行使用测试，以完成自测试，收集和存储系统和分系统故障数据，并提供飞行前和飞行后诊断。在飞机或系统上利用系统BIT和已核实的技术数据将故障原位隔离到LRU。长航时UAV系统的BIT要求是，BIT应能够将95%的故障隔离到有缺陷的SRU。为了确保将系统和相关保障设备的故障进行100%的隔离和修理，还要求制定补充的人工诊断程序和引入技术数据。

目前，预测与状态监控(PHM)技术已被用于评估飞行器系统的完好状态。发动机、辅助动力装置(APU)、计算机和航电设备等系统都包含传感器和自诊断软件，能够实时评价这些系统的性能。随着信息技术的飞速发展，机上计算能力已经显著提高，也实现了共享网络技术。对UAV而言，为了评价载荷循环数、损伤条件、腐蚀和疲劳，必须将诊断能力扩展到机体结构。