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SmartFibres針對中空長航無人機研發的在航高速結構健康監測系統
發布時間:2014-07-24  
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摘要
本文論述了嵌入式光纖光柵(FBG)健康和使用監測系統(HUMS)的設計,鑒定和飛行服務評價。該系統為以色列空軍的中空長航(MALE)無人機(UAV)研發設計,其機身共有54個FBG傳感器被嵌入在機翼和尾梁,以便精確記錄這些組件的振動信號和實際載荷情況。該系統在飛行測試和常規無人機作戰任務中獲得可靠的飛行數據,并在頻域和時域中做相應數據分析,以便識別并記錄無人機的正常結構性能。基于所獲得的數據,可以記錄機翼和尾梁在每次飛行過程中的實際載荷譜,并著重記錄飛機著陸時的沖擊振動信號。該系統已經獲得了超過1000飛行小時的數據,其中包括超過300小時的日志記錄數據.該系統旨在提前發現和識別無人機正常結構性能的危險變化,促使必要的修復措施,從而為狀態檢修鋪平道路。

關鍵詞:無人機健康和使用監測系統(HUMS),光纖光柵(FBG)適航結構健康監測系統(SHM)

HUMS優點:
隨著現代無人機(UAVs)的逐漸增值,接踵而來的不僅是無人機在極端環境條件下能勝任多樣任務的高使用率,也產生了要在其使用壽命內連續監測其結構適航性的需求。維護日益老化的無人機艦隊,其可靠性,安全性及經濟性是無人機運營商和制造商首要關注的地方,包括循環載荷,耐腐蝕,耐磨,材料降解等等方面。近年來,為了保證無人機的安全經濟運行,人們提出了健康與使用監測系統(HUMS)的概念。這個概念是基于通過評估其真實飛行歷史及其對結構的影響,結合識別對有可能導致飛行故障的實時事件來記錄跟蹤個體無人機。 HUMS系統對無人機的運行監測有不可替代的優點,因為基于定期檢查的傳統無人機維護,要求直接接觸無人機所有的關鍵結構組件,而在遠程操控條件下,有限的可及性和對專業訓練的需求(比如昂貴的維修技師)對傳統無人機維護有著很大制約。還應該指出的是,無人機缺少人類飛行員,他實際上充當了一個實時高度復雜的傳感器,有能力識別由磨損、疲勞、鳥類或冰雹沖擊、雷擊等造成的異常行為。而HUMS系統的目的之一就是為了填補這一空白。通過采用HUMS概念,維護活動僅在需要時執行,這大大降低了無人機的維護成本。
HUMS概念
由以色列航宇工業公司(IAI)制造的AMALE無人機(圖1)被以色列空軍部隊選為評估光纖光柵HUMS系統在實戰操作環境下表現的實驗平臺。其機身的兩個尾梁都是復合梁結構,連接在機翼的前后兩端并支撐飛機尾翼,它包含一個水平尾翼,和兩個垂直的尾舵。

每根機身尾梁同時也是一根懸臂梁,在其后端承受較大重量。尾梁的荷載反映在臂桿上是垂直彎曲的形式。為了跟蹤這些負荷情況,在臂桿(圖2“頂部”及“底部”)的中心位置嵌入兩條光纖。每條光纖包含八只FBG傳感器。因此,飛機尾梁臂桿的8個部位被這兩列FBG傳感器分別監測; 一列傳感器位于臂桿頂部,另一列傳感器位于臂桿底部(圖2)。在這樣分部的感知網絡下,兩條光纖只對臂桿的垂直彎曲敏感。由于尾梁臂桿的橫截面相對于水平面來看是不對稱的,所以垂直彎曲將引起臂桿頂部和底部的光纖傳感器感知相反方向的壓力。




結論
這種基于光纖光柵原理的無人機監測方案已經在實戰環境中無故障運行了數百個飛行小時。該系統相對空軍中隊士兵來說操作簡單,飛行數據可快速下載以實現地面評估。所有重要飛行活動被FBG感測網絡準確的監測到。該系統易于操作,可視化的操作界面可快速準確的判斷飛行數據。如果有必要,它還可進行深入的分析。另外,全程跟蹤飛機結構的變化有助于狀態維修(CBM),以此降低飛機的維護及停機成本。
 
     
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