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英国直升机HUMS技术发展现状

发布时间：2008-6-30 阅览次数：来自：中国航空信息网

　　直升机健康与使用监控系统（HUMS）是一个集航空电子设备、地面支持设备及机载计算机监视诊断产品于一体的复杂系统。它使用传感器和机载计算机与地面支持设备的计算机相连以便连续观察、自动记录和分析飞行机载设备的性能特征，从而监测潜在失效，对早期故障作出诊断。英国自1991年研制世界上第一个HUMS以来，先后开发了三代产品。前两代HUMS系统的开发主要集中于20世纪后期，代表了上世纪HUMS系统的发展水平。目前正在研制、生产第3代HUMS系统。
　　一．英国直升机HUMS系统发展概况
　　英国国防部目前正在实施的直升机HUMS计划，主要包括史密斯航宇公司的通用HUMS（GenHUMS）系统项目和阿古斯塔·韦斯特兰公司的"灰背隼"HUMS（Merlin HUMS）系统项目。前者用于"支奴干"、"海王"、"美洲豹"、"山猫"直升机，后者用于"灰背隼"直升机。
　　 1．通用HUMS系统项目概况
　　 1994年，英国国防部为更新直升机机队HUMS系统，批准进行系统改进方案研究。该项目取得了积极的研究成果，并赢得了项目资金，其成果写入"支奴干"、"海王"、"美洲豹"、"山猫"直升机的辅助设备要求（MER）文本中。由于该系统可用于所有传统的直升机，故称之为通用HUMS系统。1995年英国防部为此展开竞标活动。史密斯航宇集团赢得合同后，于1996年开始在"支奴干"直升机上安装GenHUMS系统，2000年10月进入服役，2002年6月该系统实现全面使用能力。史密斯公司为验证此系统，收集了25000小时的运行服务数据，实现了预期目标。
　　 "海王"直升机于2001年7月开始实施通用HUMS系统计划，包括5种型别直升机，分别是Mk3、Mk3a搜索救援型、Mk4"突击队员"通用型、Mk5"多用途型"和Mk7"空中预警型"。该项目进展顺利，目前通过了初步设计评审和关键设计评审阶段，试验安装阶段于2003年12月开始。第一架安装了GenHUMS 的"海王"直升机于2005年进入服役，其余飞机将于2007年进入服役，所有90架"海王"直升机最迟于2008年全部装上GenHUMS系统。"海王"HUMS项目充分吸取了"支奴干"直升机的经验教训，使该系统的设计安装成为了GenHUMS系统硬件发展的里程碑事件，它甚至对"支奴干"HUMS系统的重新设计产生影响，以促使采用新的GenHUMS系统标准。
　　由于英国国防部在选择"山猫"直升机陆军和海军各型别的替换机种上犹豫不决，在现有"山猫"直升机的能力升级需求上也存在分歧，致使"山猫"Mk8型HUMS系统安装合同在2002年11月才开始启动。该项目已成功完成关键设计评审，于2004年春季开始试验安装，2005年底进入服役。但是"山猫"直升机HUMS项目的未来走向将受到"战场轻型多用途直升机"（BLUH）计划和"水面作战海上旋翼机"（SCMR）项目的影响。如果未来"山猫"的派生型满足BLUH计划和SCMR计划，GenHUMS系统将理所当然地被该直升机选用。
　　目前，"美洲豹"直升机HUMS系统的风险减低工作已经结束，设计规范也已经完成，招标活动正在进行。在该机上安装HUMS系统属于"美洲豹"直升机综合改装项目（PIMP）的一部分。"美洲豹"直升机的HUMS系统计划于2006年服役。
　　 2．"灰背隼"HUMS系统项目概况
　　英国Merlin HUMS系统与GenHUMS系统有显著不同，那就是所有Merlin HUMS系统的安装将在初始飞机采办合同中详细规定。这就意味着Merlin HUMS系统的设计、安装、实施与维护将由其制造商阿古斯塔·韦斯特兰公司来进行，并且该系统完全综合到飞机关键系统中。
　　第一批安装了Merlin HUMS系统进行服役的直升机是英国皇家海军"灰背隼"Mk1型直升机，它于1998年服役。当时，飞机HUMS系统软件仍然不够成熟。为消除软件与数据转换的缺陷，阿古斯塔·韦斯特兰公司在飞机软件系统程序编制、调试和运行等方面用多年时间进行技术攻关。英国皇家空军（RAF）"灰背隼"各型号直升机于2000年进入服役，这些飞机HUMS系统的安装是基于"灰背隼"Mk1型直升机，但是附加上了一些传感器以实现增强型HUMS系统功能（EHUMS）。当时，飞机软件系统不具备处理机载传感器所提供的数据的能力，直到2004年才得以解决。这项数据处理能力首先得以在Mk3型直升机上实现，此后推广到Mk1型直升机上。
　　二．英国直升机两种主要HUMS系统功能比较
　　 Merlin HUMS系统与GenHUMS系统都是全面的健康监测系统，但在基本功能上有些不同。表1和表2列出了具体细节。需要指出的是，除了结构使用监测、增强型结构使用监测、定量碎屑监测等功能外，GenHUMS系统能力达到甚至超过了Merlin HUMS系统能力。Merlin HUMS系统处理数据多以各自独立分散的处理单元进行（如表1所示），而GenHUMS系统的处理方法却采用相对集中的方式。
　　

表1 Merlin HUMS系统功能

英文缩写	系统功能
IBCOS	机内监测系统
FDR	飞行数据记录仪
SUM	结构使用监测
ESUM	增强型结构使用监测
TUM	传动装置使用监测
TVM	传动装置振动监测
ETVM	增强型传动装置振动监测（只对Mk3型）
QDM	定量碎屑监测
EUM	发动机使用监测
EHM	发动机健康监测
RTB	旋翼跟踪与平衡（只对Mk3型）

表2 GenHUMS系统功能

英文缩写	系统功能
BIT	机内测试
CV/FDR	座舱语音/飞行数据记录器
RTB	旋翼跟踪与平衡
RHM	旋翼健康监测
AHM	机体健康监测
THM	传动装置健康监测
EHM	发动机健康监测
LCF	低周疲劳寿命（发动机）

　　这两种HUMS系统都需要地面支持设备的支持，包括高度综合的Merlin HUMS系统也是这样。GenHUMS系统的地面支持设备是一个独立系统，专用于对HUMS系统的支持；而Merlin 增强型健康与使用故障诊断系统（EHUDS）则完全集成到其它设备中，并保持跟踪能力。这两种HUMS系统在机载软件计算与下载的状态显示（CI）等方面也存在不同。例如，安装到"灰背隼"Mk1型上的Merlin HUMS系统对动力传动系统部件的每一个传动振动信号计算4个参数，而装备到"支奴干"直升机上的GenHUMS系统则要计算传动振动的50个参数，多数与轴承、齿轮与轴等零部件有关。
　　三．英国直升机HUMS系统发展策略
　　 1．通用HUMS系统的发展策略
　　为减少通用HUMS系统开发成本，GenHUMS系统的采办策略定位于商用货架产品，因而也限制了它与直升机其它系统的综合。机载软件系统执行SIL S2安全级别标准（英国军标，S2级别相当于系统每年重大失效概率为10﹣3到10﹣2），即它的运行是处在安全相关系统中，而不是在安全关键系统中运行。这就意味着GenHUMS系统提供的数据仅仅用于适航建议。保障GenHUMS系统数据上传、下载与综合的地面支持设备，同样也执行SIL S2安全级别标准。值得指出的是，系统软件虽然执行SIL S2安全级别标准，但仍然需要进行大量评审试验，进行程序编制计划、模块测试、系统基准测试和鉴定活动。GenHUMS系统软件的需求跟踪和鉴定测试使用的是面向对象的动态需求系统（DOORS）。为最终鉴定此系统，英国防部对每一型号的飞机进行了一系列的飞行测试，以验证每一个参数。
　　 HUMS系统的首要任务之一是，直升机运营者能利用其搜集的数据进行零部件寿命判断、发现早期故障、制定维修计划等。为实现此目的，HUMS系统的数据可靠性就成为一个关键问题。数据的可靠性保障系统因而成为GenHUMS系统采办策略考虑的主要因素。目前，英国飞机制造商和军方准备将软件系统设计到SILS4安全级别标准中，以确保数据完整性。
　　考虑到执行SIL S2安全级别标准的实际状况，同时确保该系统在前线维修人员和机组人员面前不至于失去可信性，在GenHUMS系统进入服役前，英国采取了以下成熟策略。该策略是只有当供应商（史密斯航宇集团、HUMS综合产品组和飞机完好性监测辅助委员会）与用户（飞机平台综合产品组、前线工作站）同时鉴定得出该系统功能是成熟的、数据是确信的结论后，该系统方可进入服役。这个工作组是该策略的核心组成部分，称为"支奴干"HUMS系统成熟度工作组。例如，"支奴干"Mk2/2a型直升机HUMS系统成熟策略确定了以延长大修间隔期（TBO）、最终实现视情维修（OCM）的目标。这个最终目标可能短期内不能实现，但提供了HUMS系统的发展方向。"支奴干"HUMS系统的座舱语音记录器和飞行数据记录器（CV/FDR）是从飞机交付后就开始运行的，但由于软件性能问题，其地面支持设备直到2001年中期才开始运行。该HUMS系统初始运行期间，存在大量虚警现象，从而限制了飞机监测能力的使用（AUM）。此问题直到2001年末一个新的软件编制成功后才得以解决。另外，"支奴干"HUMS系统的旋翼跟踪与平衡（RTB）能力、传动装置健康监测（THM）能力、发动机健康监测（EHM）能力、充分数据的搜集等直到系统达到了充分的置信度才实现。2003年6月，该成熟度工作组批准通过了"支奴干"HUMS系统的旋翼跟踪与平衡能力、机体健康监测能力。2003年10月，设置了GenHUMS系统的传动装置健康监测参数初始门限值。现在，"支奴干"GenHUMS系统的所有功能都已实现。
　　 2．"灰背隼"HUMS系统的发展策略
　　相对于GenHUMS系统的更新需求，"灰背隼"飞机在初始合同中就指定了HUMS系统。作为制造商安装航电设备的一部分，HUMS系统与飞机其它关键系统共享传感器、数据处理单元以及交互机载显示能力。因而Merlin HUMS系统需要最高安全能力等级，即达到SIL S4安全级别标准。
　　该系统的鉴定包括从HUMS传感器开始一直到地面支持设备，尽管它不是无缝隙的端对端的程序。这不但是因为地面支持设备是在单独的合同中采办，而且是因为此程序上存在逻辑中断。具体地说，就是机载HUMS数据是通过数据转换卡（DTC）传送的。此数据转换卡会从飞机上拆下，送到地面支持设备以供使用。
　　 Merlin HUMS系统同样采用递增式采办策略。它预先限定HUMS系统的一项功能或几项功能，然后，利用记录的和综合的数据对此项功能在试验台上进行试验。在取得成功的基础上，进行一系列仪表飞行试验。搜集的任何数据将通过数据转换卡来利用。而且，所获取的数据也将与飞机仪器上记录的数据进行比较。HUMS系统功能获得认证后，将会发行到最终用户，并帮助训练用户使用这些数据。这项策略目前正用于Mk3型HUMS系统。Mk1型HUMS系统的研发将在Mk3型HUMS系统后期进行，如果可能的话，将利用从Mk3型HUMS系统搜集的数据。
　　在完成这些递增采办认证后，还有一个最终项目，就是完成从HUMS系统传感器到数据转换卡涵盖HUMS系统所有功能的鉴定。从数据转换卡到地面支持设备的HUMS系统保障链将单独进行测试。作为最后的认证，传感器到地面支持设备的鉴定将依据数据转换卡下载的一系列数据。
　　四．两种HUMS系统的发展前景
　　 1．GenHUMS系统
　　 GenHUMS系统项目在采办周期的不同阶段较好建立了平台发展计划。"支奴干"Mk2/2a现在充分安装了GenHUMS系统，在服役的2年期内，实现了全面使用能力。"支奴干"Mk2/2a型GenHUMS系统的成熟策略被证明是非常有效的，它成为实现直升机充分价值的有力工具。而且，这种方法从使用者的角度证明了系统可信性，维持了GenHUMS系统的可信度。从"支奴干"HUMS系统获得的经验将用于"海王"、"山猫"、"美洲豹"直升机HUMS系统的成熟计划，而对于这些项目，预计会在短期内实现全面系统能力。
　　另外，GenHUMS系统成熟方法相比较Merlin HUMS系统来说，成本较低，设计、采办和更新周期较快。作为用户，在决定改进什么，什么时间做出改进等方面拥有更多的自主权。
　　推行货架产品GenHUMS系统主要障碍是飞机制造商不愿使用HUMS数据来评定零件寿命，制定维修计划。在目前的后勤保障体系下，制造商每次修理零部件后收取报酬，没有必要采用HUMS数据。然而，英国国防部致力于改革后勤保障程序，从传统的采购协议过渡到指定飞机和零部件可用性水平的合同。这种商业上的激励措施将会改变现状。制造商将会利用所获取的任何数据来保障零件寿命的延长，从而减少维修资源。制造商将依靠HUMS数据来提高飞机可靠性，增加利益。
　　 2．Merlin HUMS系统
　　嵌入到"灰背隼"直升机软件中的HUMS系统执行SIL S4 安全级别标准，并被制造商明文规定。而且，设计商批准了对地面支持设备所处理的数据的使用。因此，在支持适航性决策中，任何HUMS数据的使用，都通过了从传感器到地面工作站的充分支持。
　　然而，执行SIL S4 安全标准的HUMS系统的充分实施并不是一件容易的事。设计商必须确信HUMS功能充分得到验证，产生的任何信息将用于适航性决策，因此拥有大量风险在内。另外，也要考虑其全寿命成本，不紧紧是财政，还有成熟时间。增强HUMS系统性能也不能孤立地进行，而且，在有利于提高飞机性能的飞机软件的改进中，任何HUMS的改进方案也将有可能抛弃。例如，在"灰背隼"Mk1型HUMS系统的早期应用中，一个软件缺陷问题阻止机载系统向数据转换卡传递数据，这个问题困扰时间长达1年多。尽管机载HUMS系统在此时间内也在应用，但没有数据从飞机上传下来。这除了导致数据丢失外，还使发展和成熟该系统遭受重大影响。
　　对于安装到"灰背隼"机队上的采用SIL S4安全标准的HUMS系统，尽管该系统必须进行端对端测试和预先验证，但是仍然采用递增式采办策略，这一点与GenHUMS系统类似。因此，最终用户不需要收集大量数据，因为可以从GenHUMS系统的研发历程中获取经验。但"灰背隼"HUMS系统是否能在数据完整性拥有更高水平、是否能完全综合到空中交通系统中去，还要拭目以待。（作者：中国航空工业发展研究中心航空技术所于晓伟）（责编姜）

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