民用飞机燃油系统健康管理问题研究

葛锐　卞刚　周宇穗

【摘 要】本文介绍了民用飞机健康管理系统国内外研究现状，并从民用飞机燃油系统健康管理角度出发，结合先进的飞机健康管理新技术理念，研究了基于燃油系统特定故障模式下的健康管理，并初步给出了燃油系统健康管理的概念方案，为后续国内燃油系统健康管理的研究提供参考依据。

【关键词】民用飞机；燃油系统；故障模式；故障诊断；健康管理

0 引言

隨着航空技术的日益发展，民用飞机维修维护技术也不断提高。过去依靠机组报告、机务地面检查、确认故障后准备航材和维修设备等开展飞机维修维护的传统手段，已不适应当今世界激烈竞争的民航运输业，飞机健康管理新技术应运而生[1-3]。

国外，美国NASA早在20世纪70年代就提出了航天器综合健康管理（Integrated Vehicle Health Management， IVHM）的概念[4]。进入21世纪后，国外更是投入大量的人力物力开展飞机健康管理研究。波音公司开发的飞机健康管理系统（Airplane Health Management， AHM）已在日本、新加坡、法国、中国等航空公司的飞机上大量应用和推广，空客公司开发的AIRMAN（Aircraft Maintenance Analysis）系统实现了对飞机的实施健康和故障诊断[5]。

国内，在飞机健康管理技术研究方面起步较晚，但近年来随着国家对航空业的大力投入，高校、研究所等在航空系统诊断领域开展了多项预先研究项目，以缩短与国外的技术差距，提高国内航空业的国际竞争力。此外，国内航空公司也开展了探索和实践，比如2006年南方航空公司开发了飞机远程诊断系统，2007年东方航空公司实现了无线QAR技术[5]。

本论文仅从民用飞机燃油系统健康管理角度出发，结合先进的飞机健康管理新技术理念，研究基于燃油系统特定故障模式下的健康管理，并初步给出了燃油系统健康管理的概念方案，为后续国内燃油系统健康管理的研究提供参考依据。

1 民用飞机燃油系统故障模式

飞机燃油系统是飞机的基本系统，按功能定义，燃油系统通常分为贮存子系统、通气子系统、压力加油子系统、燃油测量及管理系统、供油系统、应急放油子系统、燃油箱惰化系统、转输子系统、除水子系统。其故障模式主要由关键部件的故障失效所致，包括燃油泵、阀、引射泵、传感器、管路、接头、连接线路等。

a）燃油泵故障模式

民用飞机燃油系统多采用离心泵，由装在蒙皮或燃油箱后梁上的泵壳和可拆卸的泵芯组成，泵芯主要由叶轮、电机等组成，如图1所示。主要故障模式为：

1）气蚀

离心泵的汽蚀过程是指，燃油泵在工作中，在燃油温度升高或者叶轮叶片根部形成湍流时，发生燃油在该处汽化并产生汽泡且随之破灭，最后造成叶轮冲击的现象。汽蚀会使离心泵产生强烈的振动等危害。其次，汽蚀时会导致燃油泵送流量和压力下降，甚或燃油中断。

2）密封件泄漏

燃油泵密封件会发生泄漏故障，包括周期性漏油、持久性漏油、偶然性漏油，主要原因是由于密封轴的窜动、脉动工作压力、振动问题、密封不良或安装不当、摩擦副磨损等问题所致。

3）电机故障

离心泵电机一般采用的是交流三相异步电动机，故障模式主要包括定子故障、转子故障、轴承故障，故障会导致堵转、升温等安全隐患。

b）阀故障模式

飞机燃油系统阀种类较多，按照驱动方式分为电磁/电机驱动切断阀和机械作动单向阀等，电磁/电机驱动切断阀故障模式主要为无法打开/关闭和泄漏，机械作动单向阀故障模式主要为流体回流和泄漏。

c）引射泵故障模式

引射泵的主要故障模式为喷嘴阻塞，造阻塞的主要原因为：

一是，燃油中杂质较多，包括油液中带有杂质，滋生的微生物，油箱内部密封胶的老化脱落，生产或维护时遗留的金属屑或其他外来污染物（比如棉絮纤维物等）。

二是，燃油中的水分较多，在高空飞行中时外界温度低，水分结冰堵塞引射口喷嘴。

引射泵喷嘴被阻塞后，回造成引射泵工作性能下来，甚或丧失功能，进而影响燃油系统的正常工作。

d）传感器故障模式

飞机燃油系统传感器主要包括电容式油量传感器、密度计、压力传感器、温度传感器等，其故障模式主要为：采集线路松动、短路、开路故障，油量传感器被污染，敏感线圈老化或损坏，敏感弹片不能复位，温度传感器热敏材料外力损坏等。

2 传统燃油系统故障诊断

传统飞机燃油系统故障诊断的主要步骤为：首先检测到燃油系统的故障特征信号并完成故障特征的提取（由飞机的自检设备完成并显示征兆信息，多数情况下无须维修人员参与）；然后根据故障征兆确定故障原因，这就是问题的难点，尤其是疑难故障，难以做到故障的准确定位，目前主要是根据故障隔离手册和维修手册等对几乎所有可能的原因逐条翻阅并按步骤进行故障排除。这种排故流程导致排故效率低，而且对于一些复杂间歇性故障，目前方法难以凑效。大量的可靠性分析报告可知，飞机的每一次故障都可能造成航班延误，延误时间从几十分钟到几个小时及至十几个小时不等，由此造成的损失是巨大的。

3 燃油系统健康管理概念方案

本论文介绍的燃油系统健康管理概念方案是基于目前传统的主流飞机构型，设计的一台在线/离线监测的便携机。该便携机根据全程/地面采集的民用飞机燃油系统故障现象及运行状态数据，在目前故障隔离手册及维修手册等故障隔离基础上，基于燃油系统常见的故障模式、系统原理架构、线路、部件信息、接口、数据库（大（下转第339页）（上接第331页）数据采集及分析、专家数据库等）、诊断系统自适应能力以及机上检测，对飞机燃油系统的性能进行评估，分析并快速诊断、定位和分离故障因素，制定最合理高效的排故和维护程序，增加故障辨别能力，减少故障的误报率和漏报率，增加鲁棒性，为飞机运营维护提供支持。

该系统主要包含以下三个模块：

a）故障实时管理模块：

将飞行中民用飞机燃油系统的相关信息在线/离线传递给地面站进行诊断分析，为客户提供快速的排故决策，维修控制中心的工程师根据燃油系统提供的故障等级和排故方案得以对排故需要停场时间进行评估，并对后续航班计划及时进行决策或调整，按需安排维修工作并提前部署必要的专业人员、机务、航材、工装和设备等。

b）故障预警与分析模块：

该健康管理系统通过自动监控、收集并传输民用飞机燃油系统的中央维护信息、机组告警信息、系统状态信息、性能检测信息、系统监控数据等各种有效信息，进行故障模式分析和预警分析，使航空公司可以解决逐步发展中或潜在的但尚未发生故障的燃油系统问题，有助于维修计划的制定并优化维修维护间隔期，可减少航班延误、节约资源浪费，且大幅提高运营安全性。

c）勤务管理与设计数据库模块：

为各航空公司提供机队状况，提供实时的飞机维修要求可视性，增强维修、工程、运营的管理能效，同时还能将燃油系统非常规的维修工作转变为定期维修，将维修工作从传统维修逐步转向预防性维修，为飞机后续工作及其他系列机型排故、设计及优化等提供最直接的机队运营数据。

4 结论

本论文分析了民用飞机燃油系统的故障模式及故障机理，在此基础上基于目前传统的主流飞机构型，进行了燃油系统健康管理概念方案设计。可为后续国内燃油系统健康管理的研究提供参考依据。

【参考文献】

[1]刘熊.民航飞机故障诊断专家系统的研究[J].内江科技，2009（4）.

[2]胡亮.基于G2的飞机故障诊断系统应用研究[J].技术创新，2014（3）.

[3]崔建国，李忠海，吕瑞，等.现代大型飞机的关键技术—健康管理技术研究[R].中国航空学会2007年学术年会，可靠性、安全性、维修性与适航专题0701-08-35.

[4]PETTIT C D， BARKHOUDARIAN S， DAUMANN A G， et al. Reusable rocket engine advanced health management system： architecture and technology evaluation summary[C]. AIAA，35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference& Exhibit， AIAA 99-2527.Los Angeles，AIAA，1999：1-10.

[5]馬小骏，左洪福，刘昕.大型飞机运行健康与健康管理系统设计[J].交通运输工程学报，第11卷，第6期，2011.12.

[责任编辑：朱丽娜]