PHM在空空导弹勤务保障中的应用

王 茜，李志强，张孝虎，荣鹏辉

（空军勤务学院，江苏 徐州 221000）

PHM在空空导弹勤务保障中的应用

王 茜，李志强，张孝虎，荣鹏辉

（空军勤务学院，江苏 徐州 221000）

简要介绍了PHM概念和国内外研究现状，参照OSA-CBM模型，提出了空空导弹PHM系统结构，并阐述了各个模块的功能作用。分析了PHM技术应用于空空导弹贮存的效益和影响可靠性的因素，确定了监测参数，根据尺寸、成本等提出传感器选型要求，构建空空导弹包装箱状态监控系统。通过市场调查，确定了可用于状态监控系统的传感器类型，对未来应用于导弹内部的传感器系统提出了期待。

PHM，空空导弹，传感器，包装箱，状态监控

1 PHM概述

1.1PHM概念

随着故障诊断技术朝着智能化方向发展和“经济可承受性”的提出，在视情维修和自主式后勤的基础上提出了故障预测与健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）的概念［1］：PHM是指利用尽可能少的传感器系统，借助各种智能推理算法，对系统的健康状态进行评估，在系统故障发生之前对故障进行预测，并根据预测结果采取一系列维修措施以实现装备的视情维修。PHM技术在美军的联合攻击机计划中提出来，优势在F-35上得到了充分的展现［2-3］：PHM的应用改变了维修原理，使得故障检测覆盖飞机的各大重要系统，可以实现故障的精确诊断和定位，并能够预测关键部件的剩余寿命，减少了中继级测试设备和研制验证设备，取消了O级测试设备；减少了保障延误时间，提高了保障效率，降低了维修成本，并简化了使用和维修训练。从关于PHM技术应用于民航客机等大型系统的费效分析［4］结果来看，PHM技术确实具有非常可观的研究价值。

1.2 国内外研究现状

美国军方最先提出PHM的概念，这一概念要求能够实现对系统进行故障预测，以完成对健康状态的管理。Patrick W.、Chin Sun等人［5-6］对PHM系统进行了理论阐述，并分析了该技术为维修与后勤保障带来的好处。PHM最先应用于陆军直升机，发展形成了HUMS系统，随着应用的推广，又开发了飞机状态监测系统（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、综合诊断预测系统（Integrated Diagnostics and Prognostics System，IDPS）、发动机监测系统（EngineMonitoringSystem，EMS）和综合状态评估系统（Integrated Condition Assessment System，ICAS）［7］等。PHM技术在民航客机、大型水坝、核电站、汽车、桥梁等领域也得到了广泛应用，在民航客机方面尤为明显。

国内对PHM技术的研究起步相对较晚，但是发展很快。2005年曾声奎［8］作了关于故障预测与健康管理的综述，随后各大科研院所也掀起了研究PHM的热潮。关于PHM技术的实验与应用主要集中在军用飞机、雷达、轴承、发动机等方面，以北京航空航天大学、空军工程大学、军械工程学院为代表的单位进行了PHM技术应用于导弹上的研究，并取得了一系列成果：洪晟等［9］在PHM技术应用于导弹的调研总结分析基础上，提出了导弹维修保障综合PHM的概念与构建方法；王锟等［10］提出了适合于复杂装备的PHM体系模型和相应的硬件、软件结构，并在现有维修体制的基础上，提出了基于Web的防空导弹PHM结构；李其昌等［11］对装备了PHM系统的仓储导弹状态监测MEMS传感器节点进行了设计研究。

2 空空导弹PHM结构

目前，PHM技术主要应用于军用飞机、大型客机、装甲车辆等装备中，能够对装备进行健康状态评估和故障诊断与精确定位，如果将PHM技术应用到空空导弹装备保障中，将对提高空空导弹战备完好率，节约保障成本，减少不必要通电时间发挥重大作用。

根据OSA-CBM模型［7］，建立空空导弹PHM系统功能结构，如图1所示。

图1 PHM系统功能结构

PHM系统主要功能组成如下：①数据采集层，PHM系统的数据源头，主要采集来自传感器系统和测试设备总线的参数，是进行故障诊断与预测的基本依据；②数据处理层，主要运用滤波、谱分析、统计分析等方法对采集的大批量数据进行筛选、融合处理，并将数据转换为系统需求的相应格式；③状态监控层，利用专家系统或者推理算法，实现监测数据处理结果向系统零部件或者子系统状态的转化；④健康评估，根据来自状态监控层或者健康评估子节点的状态信息，逐级向上，从子系统到系统，实现对系统健康状态的整体评估，并记录出现故障的环节；⑤预测，根据执行的任务与健康评估结果，对零部件或者子系统进行剩余寿命预测，预测部件更换时间，以决定任务的执行情况；⑥维修决策，根据预测结果，技术阵地进行材料准备，伺机安排更换零部件，同时更新备件库存信息，方便后方仓库和军工厂的补给；⑦表达层或用户接口，PHM系统与人员的交流接口，即信息数据输出接口，包括部件的剩余寿命、维修决策等。

3 基于PHM技术的空空导弹全寿命管理

由于具有“长期储存，一次性使用”的特点，空空导弹可以分为贮存和使用两种应用状态，而使用是指导弹为了摧毁目标进行的发射飞行，除此之外，导弹所经历的储存、检测、运输、维修等都属于贮存的范畴。从空空导弹全寿命周期来看，贮存期占了寿命周期的绝大部分时间。研究空空导弹可靠性也主要集中于贮存期。图2是空空导弹贮存期寿命剖面［12］。

图2 空空导弹贮存期寿命剖面

在贮存期，空空导弹主要存在3个状态：运输/装卸、库房储存和战备值班。如果在空空导弹研制和生产过程中植入了PHM技术，无论是接收入库或者向外调拨，还是值班准备或者班后储存，空空导弹都不需要进行电气属性测试，这样就可以减少不必要的通电时间，延长导弹的使用寿命。导弹在运输、装卸、挂飞等过程中承受的振动、冲击、过载等数据可以直接获取，导弹零部件的状态变化可以感知，潜在的故障也能够预测出来。基于PHM技术的视情维修取代了定期抽检、定期维护，这为人手不足的技术阵地减轻了工作负担，节约了大量的人力和物力资源，提高了部队的应急反应能力，并保证了空空导弹的可靠性。

4 建立空空导弹包装箱状态监控系统

空空导弹PHM结构是理想条件下的模型，其实施需要在导弹的设计、生产过程中就植入PHM技术。目前，部队现有的大批量空空导弹，早已成型，无法进行结构上的改装。空空导弹一般放在包装箱内，抽真空或者充氮包装，如果建立监测空空导弹所处环境即包装箱环境参数的传感器系统，可以预测空空导弹的状态变化，便于进行全寿命管理。

4.1 确定监测参数

建立空空导弹所处包装箱的状态监控系统，对导弹所处环境的一系列参数进行监控，其中有温度、湿度、振动、大气压力、加速度、电磁等：

包装箱内的温湿度要保持一定范围内。温度在30℃以内，20℃较佳，温度过高、过低或者剧烈变化都会对导弹产生影响：温度过高，会加速导弹内部金属部件的腐蚀和橡胶、塑料件、防护漆层的老化变质，也会使战斗部装药变质，性能变坏；温度过低，会使导弹内部的橡胶件发脆而强度下降，塑料件发硬而断裂，防护漆层变脆脱落等；温度剧烈变化会使导弹战斗部装药表面结露受潮，使导弹内部无线电引信中的晶体管损坏。湿度一般不超过70%，40%较佳：如果湿度过小，导弹内部的皮革件就会变脆断裂，火药中的水分蒸发使得燃速增大；如果湿度过大，会使导弹金属部件锈蚀，包装箱、纸布、皮革等受潮霉烂腐朽，导弹内部的橡胶件塑性和强度下降，还会使导弹装药变质、性能变坏，火帽中的击发药作用不可靠，严重时瞎火。

包装箱受到的振动主要采用振动传感器进行监测，利用拾震器捕捉库房内外人员或保障装备活动等产生的较大震动信号。经常性的振动会是导弹内部陀螺、导引头和紧固件发生松动现象，也不利于导弹装药性能的稳定。为了防止导弹部件不被空气氧化，导弹加装弹衣抽真空或者充氮气进行包装，当压力发生明显变化时，可以通过对包装箱内部压力的检测及时发现：抽真空包装时，当出现气密性问题时，包装箱内部由于有空气的进入，使压力增大；充氮气包装时，当出现气密性问题时，包装箱内部的压力会降低。包装箱内部抽真空或者充氮气的另一个目的是为了防止菌类的繁衍生长。

包装箱内部配置加速度传感器可以用来监测节点所处状态的平衡情况，对于防跌落尤为重要。对传感器进行模式［13］设置，以节约电源：一般情况下，导弹包装箱的加速度为零，节点初始状态运行在低功耗模式，一旦有加速度产生，传感器立刻进入数据采集状态，并判定采集的数据。如果数据大于事先设定的阈值，表明导弹处在不平衡状态，有可能出现跌落、倾斜或者滑落情况，监测节点随即进入工作状态，并发出报警信号，通知库房人员处理。

空空导弹一般采用固体火箭发动机作为推力装置，其点火系统异常敏感，一旦发生故障，要么点火系统失效，导弹无法正常点火，要么异常发火，造成严重人员伤亡［14］。影响点火系统的监测因素除了上述的温度、冲击之外，电磁环境对点火系统影响最大。点火系统一般采用电启动发生，电磁环境主要影响点火系统的电路，造成电路误启动，从而将点火能量输送给点火装置引起误点火或感应足够的能量引起误点火。

4.2 传感器系统选型要求

PHM运用中，应该根据测量参数范围、传感器成本、传感器尺寸和重量等进行选择。由于传感器的运用受到电源、传输方式、板上存储器等影响，应该根据具体情况选择是使用内置电源还是外置电源，采用有线传输方式还是无线传输方式。包装箱内传感器节点的布置应尽量不影响包装箱的结构与组装方式，即减少对包装箱的损坏，同时又能够实时准确地获取监测数据。传感器的选型应该根据实际，选择体积较小的、功耗较低的MEMS传感器［15］。由于采用低功耗传感器，传感器可以在工作模式、空闲模式和休眠模式之间进行合理转换［11］，电源消耗较少，在很长一段时间内都不需要更换电池。如果传感器是数字输出型，根据采集的参数，直接进行判断，只有超过一定的取值范围才进行数据传输。

4.3 包装箱状态监测模型

图3 导弹包装箱无线传感器节点系统

导弹包装箱状态监控传感器网络节点通用平台的硬件系统框图如图3所示。系统包括传感器模块、微处理器模块、库房数据处理中心和相应的呼叫响应设备。该节点能够对包装箱内部的温度、湿度、振动等参数进行数据采集，对于在设定的控制范围内的数值停留在传感器一级进行处理；对于超出设定范围的数值经过无线/有线信号发送到微处理器，经微处理器内部的专家系统或推理算法对多个传感器数据综合分析之后，将该包装箱数据运行结果发送到库房数据处理与监控中心。如果多个包装箱都存在普遍的温湿度问题，可以通过中央空调调节库房温湿度，从而改善各个包装箱内部温湿度。当然，如果存在突发的强烈振动或者个别包装箱过热过湿情况，微处理器将直接利用自身报警装置报警，呼叫技术人员立即处理，同时也将数据发送到监控中心。

状态监控系统微处理器内置的显示模块实时显示各个无线传感器节点的工作情况。如果发现某个无线传感器节点失效，微处理器的显示模块就显示失效节点的标识号，库房工作人员可及时更换或检修失效节点，保证库房包装箱检测区域不存在检测死角。当库房包装箱内有异常情况发生时，微处理器又可以作为报警器使用，内置的报警装置可及时报警异常情况。报警装置的报警上限可以自行设定，可以在不同的气候地域视具体情况设定不同的安全界限。导弹包装箱内部网络模型结构如图4所示。对于使用金属包装箱的导弹，内部传感器节点不能使用无线网络进行数据传输，应该采用有线传输方式。

图4 导弹包装箱传感器网络结构

5 传感器系统选型

为了确定可运用于空空导弹包装箱状态监测的商业可用传感器系统，共收集了来自22个生产厂家的31种传感器系统的特性，这些传感器系统的特性包括感知参数、电源供应和电源管理能力、采样频率、板上存储器、数据传输方式、内置信号处理软件的可用性、尺寸、重量和成本。典型的传感器有：Texas Instruments公司生产的TMP275温度传感器、Sensirion公司生产的 SHT15湿度传感器、BOSCH公司生产的SMB380数字输出型震动传感器、VTI Technologies公司生产的SCA3000-E01加速度传感器、Intersema公司生产的MS5534B大气压力传感器。

要实现PHM技术在导弹内部的运用，当前的传感器系统应该在几个方面提高。首先是尺寸和重量，运用PHM的电子系统具有高密度元器件，需要小尺寸、轻质量并能够安装到电路板上的传感器系统。板上电源也是当前传感器系统的一个主要限制，特别是对于无线数据传输传感器系统，主要的板上电源是电池，一旦用完就需要更换或者充电。在PHM运用中，需要具有小尺寸、轻质量的高容量电池或者非电池电源，这样传感器系统能够运行更长的时间。板上数据处理能力也应该得到提高。

6 结束语

PHM技术的应用将提高空空导弹的战备完好率，提高部队的快速反应能力，降低维护成本，简化技术人员培训流程。借助于传感器技术、数据融合技术、智能推理技术等，PHM能够实现对空空导弹健康状态的评估，进行故障诊断与定位。

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Study on Application of PHM in Air-to-Air Missile Service Support

WANG Qian，LI Zhi-qiang，ZHANG Xiao-hu，RONG Peng-hui
（Air Force Logistics College，Xuzhou 221000，China）

On the base of introducing the concept of PHM and its research status at home and abroad briefly，and referring to the model of OSA-CBM，the architecture of PHM system for air-to-air missile is put forward，and the function of every module is described.By summarizing the benefits brought by using PHM on missiles in store，analyzing the factors influencing the reliability to determine monitoring parameters，and giving requirements on choosing sensor systems according to its cost and shape，condition monitoring system for missile package box is established.Through a market survey，sensor systems available for condition monitoring system are determined，and expectation is represented for sensor systems accessible inside missile in the future.

PHM，air-to-air missile，sensor system，package box，condition monitoring

TP212

A

1002-0640（2015）05-0021-04

2014-03-19

2014-05-22

王 茜（1967- ），女，安徽萧县人，副教授，硕士生导师。研究方向：机载制导弹药测试。