對飛機“望聞問(wèn)切”技術(shù)的發(fā)展

飛機導航與制導會(huì )告訴你身在何處；傳感器則讓你知道你是誰(shuí)、情況如何；而柔韌可控的飛機皮表則能使你適應環(huán)境。
　　要 點(diǎn)
　　●   今天的飛機遠不只是一種飛行機器，它還包括數千個(gè)傳感器，隨時(shí)監控飛行性能和機體完整性。
　　●   飛機的表皮不只是一個(gè)殼體，它是設計中一個(gè)有效工作的、日益智能化的部分，內含有天線(xiàn)、傳感器等等。
　　●   明天的飛機將具有判斷并報告飛機的健康狀況的先進(jìn)的算法，并能改變形狀。
　　最早的飛機沒(méi)有外殼，只有蒙著(zhù)織物的機翼。不久，設計師們把機身封閉起來(lái)，最初的目的是減少風(fēng)的阻力，最終目的則是能使乘客待在現在眾所周知的鋁制機艙里。但是，飛機的主體主要仍然是飛行的機身。
　　隨著(zhù)速度更快、動(dòng)力更強、結構更加復雜，傳感器和檢測儀器技術(shù)的進(jìn)展有所加快，設計師們利用這些技術(shù)來(lái)監控極其重要的飛機參數，如發(fā)動(dòng)機性能和某些機架問(wèn)題。但系統只把這些傳感器收集的數據顯示給機組人員，大多數數據在這之后就丟失了，除非機組人員把它們記錄下來(lái)。例外情況是試驗性飛機——這種飛機也許有額外的檢測儀器設備，其中包括數據記錄儀——但這樣的系統的應用范圍和功能都很有限。
　　時(shí)光飛逝，轉眼到了 21 世紀，今天的商用飛機有數以千計的內置傳感器、各種各樣的數據記錄儀，甚至有一套復雜的地面基礎設施，用于采集使用這些數據的算法和數據庫。這種檢測儀器不斷得到發(fā)展，以致能將數據流實(shí)時(shí)傳送到地面管理系統。
　　飛機的進(jìn)步不只是在角落里增加更多的無(wú)源傳感器。飛機的外殼不再僅僅是一個(gè)封閉式的結構：它不僅是安裝檢查結構本身完整性的傳感器的框架，而且也是安裝天線(xiàn)的框架。這些進(jìn)步可能不只是把機殼主要用作帶可調襟翼的堅固結構。機殼上還有一些執行機構，用以改變飛行特性，以應付飛行條件（如速度和任務(wù)）的變化。
　　一切正常，對此，我相當有把握
　　一架商用客機，如波音 777，安裝有大量的傳感器，數量有 4 萬(wàn)個(gè)之多，其中一半是與發(fā)動(dòng)機有關(guān)的。直接和長(cháng)期檢測這一數據流，意味著(zhù)飛機制造廠(chǎng)必須做的工作不僅僅是將這些數據讀數展示給空勤和地勤人員。波音商用飛機集團正在規劃一種把所收集數據、通信鏈路、數據存儲器以及高級診斷和預測算法組合在一起的三步AHM（飛機健康管理）戰略（圖 1）。該公司用來(lái)支持這一戰略的是一個(gè)龐大的數據庫，數據庫中保存了從幾百架飛機和幾百萬(wàn)小時(shí)飛行中收集的數據（參見(jiàn)附文《健康管理將數據變?yōu)橹R》。）
　　AHM計劃的第一階段在 2003年10 月份開(kāi)始現場(chǎng)測試，測試對象是美洲航空公司和法國航空集團屬下的波音 747 和 777 客機，測試將持續到 2004 年 3 月。在這一階段中，飛機的中心維護計算機通過(guò)一個(gè)航空公司可以接入的加密網(wǎng)站(www.MyBoeingFleet.com)和網(wǎng)絡(luò )，向地面實(shí)時(shí)地發(fā)送故障、錯誤狀況和其它數據（你可以訪(fǎng)問(wèn)www.boeing.com/commercial/aviationservices/myboeingfleet/index.htm網(wǎng)站）知道飛機配置詳情的地面系統，就會(huì )告訴機械師出了什么問(wèn)題以及可能產(chǎn)生問(wèn)題的根源。（例如，總線(xiàn) A 上的電源部件有故障。）地面軟件系統使用一個(gè)由以往的問(wèn)題和故障樹(shù)組成的龐大知識庫以及該飛機最低限度的設備清單，以便將該飛機的實(shí)際情況與計劃的行程和利用信息來(lái)安排航線(xiàn)和時(shí)刻表的航空公司的要求作比較。這樣，就可以把各種問(wèn)題（從小問(wèn)題到大問(wèn)題，從潛在問(wèn)題到實(shí)際問(wèn)題）的總影響減少到最低程度，
　　在第二個(gè)階段，AHM 系統將使用在正常飛行中獲得的數據抽點(diǎn)打印，并實(shí)時(shí)或近似實(shí)時(shí)地予以報告。這一信息使波音公司和航空公司防患于未然。例如，軸承溫度的某一升高速度可能意味著(zhù)該軸承性能在下降，操作人員應該在今后 100 小時(shí)內對其進(jìn)行檢查，但這并不是當前的危機。第三階段是在獲得數據抽點(diǎn)打印后將一個(gè)連續的數據流發(fā)送給地面系統。
　　通信鏈路需要為飛行中的飛機提供額外的帶寬。為了補充通信鏈路，機載計算機會(huì )把數據先轉儲到機載光盤(pán)里。這些光盤(pán)由地勤人員取出，再交給 AHM 工作人員。航空公司可以通過(guò)波音公司為他們開(kāi)設的加密門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，訪(fǎng)問(wèn)所有數據和結論。這個(gè)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站使得航空公司可以對下一步工作進(jìn)行評估并作出決定，并使得日程變動(dòng)最少，維護效率最大。
　　根據飛機設計和操縱的大量知識，AHM系統可以進(jìn)一步查看數據趨勢、假警報（許多傳感器經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題）、速率變化和檢測參數的組合。這樣做的目的是：把數據與飛行規范、飛機型號、飛行任務(wù)和獨特配置等進(jìn)行比較，優(yōu)先得到有關(guān)問(wèn)題及其嚴重性的結論。
　　對機身表皮做文章
　　天線(xiàn)及天線(xiàn)數量的激增說(shuō)明：飛機設計師們如何不僅把飛機表皮用作一個(gè)物理的外殼，還必須將它派很多用場(chǎng)。除了一般的話(huà)務(wù)鏈路外，飛機上還有多個(gè)雷達系統、對地數據鏈路、直接對衛星鏈路、GPS 導航系統、軍用飛機的干擾系統，等等。（汽車(chē)也好不到哪兒去，通用汽車(chē)公司估計：一部配備全部選購件的 2004 卡迪拉克轎車(chē)將至少有 17 副天線(xiàn)，而防撞雷達尚待安裝。）
　　為了把機身表皮變成電子構件，工程師們正在研究滿(mǎn)足機械和電子兩方面要求的先進(jìn)共形天線(xiàn)設計。盡管共形天線(xiàn)不是什么新東西，但它必須支持的頻率和帶寬則都是新的，較高的頻率意味著(zhù)機身表皮固有的曲線(xiàn)輪廓和尺寸會(huì )對天線(xiàn)產(chǎn)生更大的影響。美國空軍研究實(shí)驗室的天線(xiàn)部門(mén)正在研究，一種可以嵌入機翼根部或環(huán)繞機翼的共形天線(xiàn)陣（參考文獻 1）。這種 5.45 GHz雷達天線(xiàn)陣列使用 116 根間隔為半波長(cháng)的微帶插接式天線(xiàn)；在進(jìn)行測試時(shí)，這些天線(xiàn)交替地在主波束方向上被激勵，主波束指向前方，與地平面成45 度角。這些天線(xiàn)用 10 個(gè)有源元件時(shí)，其近旁瓣比主波束低 13 dB，而采用 15 個(gè)有源元件時(shí)，近旁瓣又降低了9 dB。由于機翼前緣曲線(xiàn)的緣故，只有 8 個(gè)元件是有效的，但模擬試驗和比例模型試驗都表明，這種天線(xiàn)可以在大多數仰角方向上產(chǎn)生高質(zhì)量的波束。