民航飞机发动机状态监控技术与系统研究终稿新.docx
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民航飞机发动机状态监控技术与系统研究终稿新
民航飞机发动机状态监控技术与系统研究
指导老师戎翔博士
姓名学号
朱垒2007011133
李毅2007011119
周志华2007011111
南京航空航天大学金城学院
二ОО九年十一月
1.引言..............................................................3
1.1概念...........................................................3
1.2意义...........................................................3
1.3运用...........................................................3
2.发展历程..........................................................4
2.1早期飞机数据记录器概述.........................................4
2.2飞行数据记录的新发展...........................................6
3.飞机状态监控技术...............................................7
3.1ACMS系统的组成...............................................7
3.2QAR概述.....................................................7
3.3ACMS其他部件.................................................9
3.4ACMS系统的工作原理...........................................9
4.发动机状态监控技术...........................................11
4.1数据收集.....................................................11
4.2数据处理.....................................................12
4.3修正.........................................................13
4.4警戒.........................................................14
4.5数据储存.....................................................14
4.6分析.........................................................14
4.7展望.........................................................15
4.8结论.........................................................15
5.飞机与发动机状态监控系统软件功能介绍................................................................15
5.1ACARS........................................................16
5.2COMPASS......................................................17
5.3AIRMAN.......................................................18
6.总结.............................................................23
7.参考文献.........................................................23
1、引言
1.1概念
21世纪，随着人类科技的发展，人们的生活变得越来越便捷，地球正变成一个越来越小的地球村。
而现今连接世界各地最方便快捷的途径，就是航空业。
随着民航的日益发展，其快速性当然不言而喻，但是人们正越来越关心的是，民航运输的安全性。
因此，飞机状态监控技术和飞机发动机状态监控技术作为与民航安全性最紧密的部分首先值得我们关注。
最初，人们通过飞行数据记录器，即通常所说的“黑匣子”来记录飞行数据，当飞机发生事故之后，找到飞机飞行数据记录器，根据记录的飞机飞行状态参数，可以分析事故原因。
近年来，随着电子技术、计算机技术和通讯技术的迅速发展，现代民用运输机上开始加装飞行状态监控系统（ACMS），通过系统可以更加有效、及时地利用飞行数据。
对于现代飞机上，飞行数据已经在更多的领域发挥着重要作用：
分析飞行数据、为航空公司的“视情维修”提供依据；分析与飞行员飞行操作有关的飞行参数，指导飞行员培训和提高飞行质量；分析飞行数据，总结飞行规律，改进飞机设计；分析试飞中的记录数据，排除故障，消除飞行隐患。
而发动机是飞机的心脏，对其进行监控非常必要
随着飞行参数系统的大量安装．利用其记录的数据，
如发动机的转速、温度等．采用有效的数据处理方
法，对发动机的工作状态进行监控，对于发动机的维
修及早期发现事故征兆，无疑是一种投资少、见效快
的新途径。
1.2意义
飞行监控数据所反映的任何机型的超限特点，无不反映了该机型飞行特性与操纵特点，而这些飞行特征与操纵特点又无不与飞行运行安全紧密相连。
根据超限特点查找原因、掌握规律，有针对性的提出现实可行的解决方案。
小而言之，保障每一次航班的安全飞行；大而言之，则是在推进民航同机型安全隐患治理，防患于未然，通过达到安全管理系统（SMS）所要求的干预使该机型在人们可以接受的风险水平下运行，使之成为保证整个民航安全运行的重要部分。
所以说，借助飞行数据了解飞机的运行状态和飞机性能是较稳妥准确的途径之一。
而对于发动机状态监控技术来讲，发动机是飞机的“心脏”,是飞机取得飞行高度和飞机速度的动力源。
发动机工作状态的好坏不仅影响飞机任务的完成；而且影响飞行的安全。
所以，良好的发动机监控系统对正确使用发动机，及时发现与排除发动机的故障，安全、有效、经济的完成指令时任务是十分必要的。
1.3应用
鉴于飞行数据的重要性，所以在现代民用运输机上，通过传感器或者与微机化的机载电子设备相连的总线采集了大量的的模拟信号、数字信号和离散信号，并将这些描述飞机的操纵、姿态、发动机运行状况、自动驾驶情况以及警告系统的信号保存记录下来，提供给技术人员分析使用。
2.飞机数据记录器的发展历程
2.1早期飞机数据记录器概述
最早的飞行数据记录器采用模拟记录技术，称为FDR（FlightDataRecorder）记录结构非常简单，如图1.1：
但是，FDR的数据记录载体是不锈钢薄带，记录方法是机械刻划记录波形，而且只能记录飞机飞行高度、飞行空速、航向、垂直加速度和时间五个参数。
随着电子技术的迅速发展，许多机载电子系统实现了数字化合微机化，如INS、ADC、FCC、FMC等都是以微型计算机为核心进行计算、处理或控制的设备。
所以民航飞机上开始使用数字式飞行数据记录器DFDR（DigitalFlightDataRecorder）,记录载体为磁带，具有6个或8个磁道，可进行循环记录；记录方法使用数字记录技术，先将信号转换成二进制代码，在通过磁头转换为磁信号，然后记录到磁带上；它所记录的参数比FDR多很多，课记录几百甚至上千个参数，DFDR可保存最后25个小时的飞行数据。
同时，记录系统中增加了数字式飞行数据采集部件（DFDAU）、盒式磁带记录器、机载打印机、控制显示器以及以微处理为核心的数据管理单元（DMU）等部件。
盒式磁带记录器主要用于日常的维护监控。
整个系统的功能基本达到了磁带记录器的完备程度，其系统图如图1-2：
目前有些飞机上开始使用体积小、重量轻的固态存储器式飞行数据记录器，它克服了磁带式记录器运带机构故障率高的缺点，大大提高了记录精度和可靠性；同时克服了磁带式记录器只能顺序读出数据的缺点，能够方便地提取最近4小时内任意时间点的飞行数据；并且它利用数据压缩技术节省了很大的记录容量，所以这种记录器将是目前的发展方向。
目前，对DFDR的译码通常有两种方式：
一是从飞机上拆下记录器直接译码，但是由于DFDR安装位置的限制，使得拆卸工作极为不便。
二是利用拷贝记录器做媒介，将DFDR中的数据直接拷贝到该记录器中，然后将拷贝记录器送到译码站进行译码，但是拷贝过程缓慢，也不是一种较好的工作方式。
盒式磁带记录器虽然装取方便，但其记录容量受到大大的限制，所以人们开始寻找更好的利用飞行数据的方式。
2．2飞行数据记录的新发展
现今，由于FDR和DFDR两种记录器容量的限制，以及无法为飞机进行实时监控的局限性，所以人们在现代民航运输机上加装ACMS（AircraftConditionMonitoringSystem）系统，即飞机状态监控系统，开始将飞行数据用于日常的维护和监控。
对于ACMS的具体研究及分析，将在第三章进行具体分析。
利用ACMS是掌握安全飞行主动权的有效途径。
在大量占有、分析飞行数据的基础上，及时的、准确地挖掘存在的隐患，预测可能出现的问题，制定有效的安全措施，将问题苗头遏制在萌芽状态，将大大提高飞行安全性，保障航空公司的高效运作。
3.飞机状态监控技术
3.1ACMS系统的组成
飞行状态监控，顾名思义，就是对飞机的运行状态进行监视和控制。
ACMS系统是飞机上安装的先进机载数据采集和处理系统，它能以实时方式收集数据，对发动机状态和飞行性能进行监控以及进行特殊的工程调查。
由ACMS所收集到的各种原始数据既可以经机载的飞机通讯寻址与报告系统（ACARS）通过甚高频地空数据链发送到地面接收站，最后传送到航空公司的终端；也可以通过数字式飞行数据记录器（DFDR）和快速存取记录器（QAR）将数据记录保存下来，在飞机过站或航后供航务和机务人员使用；另外也可通过机载打印机、多功能控制与显示组件及时地获取数据信息。
DFDR作为该系统的必备部分，主要用于飞行事故的调查取证，而其他部分主要用于日常的维护和监控。
笼统的讲，ACMS系统主要包括核心组件和外围设备两大部分，下面详细介绍这两部分的内容。
1.核心组件
ACMS的核心组件是数字式飞行数据采集部件（DFDAU）或飞行数据管理部件（DFDM），其内部有两个中央处理组件CPU，两者之间通过422接口连接。
CPU1为DFDR和QAR提供数据，以便在飞机发生事故或突发性事件后，供有关人员进行调查分析；CPU2为ACARS系统提供数据，供航务和机务人员实时监控发动机状态和飞行性能使用，其数据内容和格式可由用户更改，称为报告。
2.外围设备
ACMS系统的外围设备包括飞机通讯寻址和报告系统（ACARS）、快速存取记录器（QAR）、飞行数据记录器（DFDR）、多功能控制显示组件（MCDU）或综合显示组件（IDU）、座舱打印机（PRT）、飞行数据输入面板（FDEP）、三轴加速度计（LA）和记载装填器（ADL）等设备。
其结构图如3-1：
图3-1ACMS的系统结构组成
3.2QAR概述
QAR和DFDR作为ACMS系统中两个最重要的部件，一个负责存取数据一个负责记录数据，在ACMS中发挥着极大的作用。
DFDR在飞机数据记录器的发展历程中已经提及，现在对QAR进行简单地分析。
QAR是QuickAccessRecorder（快速存取记录器）的简称，其记录容量为128MB，连续记录时间达600小时，可以同时采集数百个数据，涵盖了飞行运行品质的绝大部分参数。
QAR主要用于日常机务维护、飞行检查、性能监护及飞行品质监控等需要。
具有不可循环记录，记录数据比FDR（黑匣子）多，不带保护装置，便于存取等特点。
作为对飞行运行实施品质监控的有利工具，QAR不仅能够帮助管理者不断加强安全管理，增强安全预警，而且也能够帮助飞行员查找存在的不足，持续提高个人技术水平，保证飞行安全，其作用已日益得到大家认可。
不仅如此，QAR的最大价值在于它能有利于提高运行安全裕度。
飞行中的事故、事故征侯、不安全事件的比例在数学上呈金字塔型的几何图形，一定数量的不安全事件会促成事故征候，进而导致事故。
利用QAR的数据监控，我们可以及时发现飞行各个阶段的不安全事件，找出原因，采取措施来控制事件的再次发生。
3.3ACMS其他部件
（1）ADL（AircraftDataLoader）机载装填器：
主要用来装载用户应用软件和编辑软件等。
（2）PTR（printer）座舱打印机：
可以直接将某些报告打印输出，如从地面来的上行l链气象信息、签派信息及输入到CDU的数据信息。
（3）MCDU（Multi-ControlandDisplayUnit）多功能控制显示部件：
主要作用是提供机组人员与系统的接口，在软件控制下可实现人机对话，完成对工作状态的控制或选择、数据输入和报警显示等功能。
（4）ATE（AutoTestEquipment）自动测试设备：
是由计算机控制，可编程交流、直流电源、可编程测量设备、可编程开关矩阵集合等组成的测试设备，通过它可以与磁带拷贝机或检查仪连接，完成数据转录或系统测试工作。
3.4ACMS系统的工作原理
ACMS核心部件DFDAU内部有两个微处理器：
CPU1和CPU2，前者主要负责为DFDR和QAR提供数据；后者负责向ACARS系统提供数据。
对于来自ARINC429总线的数字信号、同步器的交流模拟电压信号和直流模拟电压信号以及来自飞机各系统的离散式信号，两者分别给予不同的处理。
CPU1对总线来的数据进行奇偶测试、有无更新测试、SSM（符号状态码）是否失效测试以及有无计算数据等测试，只有通过测试的数据字，CPU1才予以接收。
所有被接受的数据字统一由CPU1调制为哈弗双相格式，经哈佛双相发生器将这些数据信息输送给DFDR何QAR，进行数据的记录工作。
CPU2是ACARS系统的关键部件，他通过总线与导航和发动机仪表系统、大气数据计算机等系统相连，获取这些系统的实时数据，在用户应用软件的控制下产生报告，并将这些报告向地面、打印机或显示器等介质发送，达到实时监控目的。
CPU2接受到的数据有BNR、BCD和离散量DIS等几种类型，他们在总线上都是二进制码，CPU2接受这些信号之后，根据不同数据类型对应的不同转换算法，将它们变换成字符流，以方便用户在应用软件的触发逻辑或待发报告中使用。
报告的产生有两种方式：
一是CPU2按照用户应用软件中的触发逻辑自动发送ACARS报告；二是CPU2响应来自地面系统的数据请求，从相关设备获取所需要数据，产生ACARS报告。
4.发动机状态监控技术
航空发动机是飞机的重要组成部分，由于其结构复杂，对精度和可靠性要求非常严格。
同时因其工作在极其恶劣环境中，受到各种因素的干扰，对其性能也提出了很高要求。
飞机发动机故障监控系统的设计就是为了保障及时有效的监控发动机性能和可靠性状态，诊断故障。
通过监控来调整性能，分析故障。
最终达到提高发动机质量的目的。
发动机状态监控为监控航空发动机性能和状况提供了一种有效的方法．可以利用这方面的信息来测量发动机在使用寿命期内的可靠性。
现代民用航空发动机的状态监控，一般包括对发动机机械参数和性能变化监控两方面。
对机械参数的监控包括：
（1）对发动机转子振动的监控，振动水平反应了发动机转子的平衡情况以及轴承的状态；
（2）对滑油消耗量和磁性屑的监控。
对发动机性能变化的监控，则是通过对发动机主要参数如：
转子转速、发动机排气温度、燃油流量等的监控来反映发动机性能衰退情况、发动机有无故障和部件有无损伤。
发动机状态监控的步骤简单明了；从发动机收集数据，对这些数据进行某种形式的处理，然后分析所得的结果。
对发动机状态作出评价。
4.1数据收集
发动机性能和状况监控的主要数据是飞行中测得的参数。
这些参数包括压力、温度、振动等等以及环境条件，如速度、高度、大气温度．此外，可能还需要象发动机型号、制造标准方面的数据。
另外一些信息，比如飞行次数．出发地和的地，对于操作人员可能是有价值的，但在发动机状态监控过程中不需要一些程序需要发动机内部不同阶段的压力和温度．而最完善的程序要用到象燃油热值这样的参数。
在飞行中，收集数据在预定的时机（如发动机起动起飞或在巡航期间）进行。
由于发动机状态监控涉及到监控发动机性能和状况的中、长期趋势，因而必须尽可能地在发动机工。
作稳定的那个飞行阶段收集数据，例如在推力不变的情况下收集起飞数据，在高度和速度不变的情况下收集巡航数据。
空勤人员收集数据最基本的方式是在飞行中的适当时机手工记录参数值。
这种方法简单，但有许多严重的缺陪，例如，参数的范围受到空勤人员直接使用的测量仪器的限制，可能读错测量仪器或者是记录的值不精确，数据可能被错误地传送到地面数据处理系统．尽管有这些缺点，但对于旧式发动机／飞机系统或不采用多数现代化飞机和发动机使用的附加电子数据收集装置的飞机操作人员来说．手工记录可能是唯一的方法。
对于数据记录，最令人满意的是通过机载计算机系统自动记录．即自动化状态监控系统或ACMS。
自动化状态监控系统可能是单独装跫．也可能是更为复杂的飞机监控系统的一部分。
自动化状态监控系统可用预编制程序来识别飞行状态的台适时机．收集此时数据，然后准确地记录数据。
通常可以在自动化状态监控系统里，对数据作某种形式的预处理，从而提高数据的质量．比如说对若干样本求平均值。
可在许多物理介质（包括微型磁带、软盘或纸上打印输出）上记录数据，或通过机载遥测设备把数据直接传到地面处理站。
应用自动化的．数据收集方法将改善原始数据的质量。
对于现代发动机而言，较为完善的发动机状态监控程
序监控其大量的测量仪器，应用自动化数据收集方法至关重要。
由于空勤人员不可能有时间手工记录，因而军用发动机的数据收集通常是自动完成的．此外，多数军用发动机的数据情况也各不相同。
发动机状态监控程序重点放在发动机内部某些关键部件的寿命上．而不是发动机整机的状态。
每一个关键部件给定一寿命值，机载设备以飞行中完成的机动动作为依据．计算并记录每一部件所消耗的寿命。
在适当的时候。
将这一数据传送到发动机状态监控处理系统。
较现代化的发动机确实有能力收集数据进行更为详尽的性能分析。
由=F在不断做机动动作的军用飞机上更难识别收集数据的适当时机，因而需要一个完善的自动化状态监控系统。
4.2数据处理
有多种不同的技术可用来处理从发动机上收集的数据。
最基本的是在纸上简单地画出数据曲线。
这种方法可能使使用旧式发动机的少数操作人员满意．但无法提供发动机性能或可靠性的任何详细信息。
可用以计算机为基础的发动机状态监控程序来替换手工方法。
现在可以在个人计算机、工作站或交互地主机上使用一些发动机状态监控程序。
发动机状态!
监控程序倾向干建立相同的结构：
数据收集，数据处理，显示并存贮结果，以便和过去的数据作比较。
可提供的处理数据类型如下：
（1）性能监控
通过对发动机的原始数据进行处理来评价发动机的性能，通常分两个阶段进行：
第一个阶段是在考虑高度、速度、大气温度等外部环境对发动机影响的基础上，将数据规范化；第二个阶段是将规范化的参数值与理想发动机的期望值作比较。
理想发动机的性能在设计、地面试验期间确立。
或通过评定使用中的若干发动机的性能，根据经验来确定。
这一技术被称为“综合性能分析（OPA）”，可用于从装备各种层次测量仪器的发动机上收集数据。
综合性能分析的结果定义为“测量6，’，主要是给定环境条件下，所测量的参数值与期望的参数值之间的差值。
谀j量6与时间的关系图形象地表示了发动机性能的变化。
扩展综合性能分析，称为“单元体性能分析（MPA）”，可用于装有大量测量仪表的发动机。
单元体性能分析应用详细的油路分析和可能是制造厂独家拥有的其它技术，来估算发动机内部各独立单元体性能的变化。
并计算这些变化对发动机综合性能的影响，用此信息查出性能降级的可能原因，操作人员据此安排维修。
（2）状况监控
状况监控功能主要是想给出有关发动机部件（象油泵、轴承）的机械状况。
这些功能分成两类t第一类使用在发动机运转期间收集的数据l第二类在发动机停车时进行测量和分析。
第一类功能的例子包括振动分析、滑油温度分析、压力监控和发动机舱温度分析i第二类功能的例子包括滑油消耗监控、光谱测定的滑油分析以及滑油残渣分析。
在日常维修中，通常计算滑油消耗作为人工填充滑油箱的依据，不过自动化状态监控系统用于自动监控滑油的状态已越来越多。
光谱测定和残渣分析需要在实验室分析滑油样品。
（3）寿命跟踪
寿命跟踪主要用于军用发动机。
这一过程是通过确认和测量发动机工作循环来确定发动机单元体或部件的使用“寿命”。
每一单元体或部件都有一个与发动机循环有关的寿命。
跟踪剩余的循环数，当寿命接近零时，就可警告操作人员。
在民用发动机方面，寿命跟踪将起到延长发动机内关键部件寿命的作用。
通过在飞行中的不同时机特别是起飞、爬升及反向推力着陆时，测量推力级，能够计算实际推力占全部推力的比例，据此转换为按这种比例增加的部件的寿命。
（4）事件处理
事件处理通常只在装有自动状态监控系统的发动机上进行。
自动状态监控系统有能力存贮大量的数据，把事件当作一个突发事故来考虑，这一事件被自动查出或由空勤人员引发。
当一个或多个参数超过预先设置的值时，不管是瞬时超过还是超过了一定时间，都可能自动引发事件。
人为的事件可能是由于意想不到的振动或发动机噪音的变化而引起的。
为了能全面调查事件。
机载自动状态监控系统需要存贮若干秒数据。
用发动机状态监控程序处理事件数据通常是相当简单的，而且局限于确认和存贮，以便将来显示和调查。
4.3修正
数据处理的结果经常含有测量仪器的噪音或数据收集装置所带来的影响，修正减少了噪音的影响。
有许多技术可以使用，包括取平均值、指数修正以及更完善的专有技术。
修正数据的结果是，可能要花较长的时间查出参数值的真实变化延迟时间取决于噪音级和所采用的修正算法。
由于现代发动机的测量仪器和机载信号处理的改进，噪音对其影响已不太明显，因而不需要怎么修正就可较早查出参敦值的真实变化。
4.4警戒
警戒是这样一种手段，它通知发动机状态监控程序的用户，程序已查出明显的事件．事件可能是未预料到的，比如说输入参数不能用，但最常用的是在参数超过预先规定的范围时，报告用户。
这些范国可能是绝对值或与某些原始值或基线有关。
可以确定一定的范围来显示警告或更严重的事件。
对用户而言，自动产生报警是一种重要的手段。
因为它不需要寻找．也不会丢失或遗漏．如果正确地建立警戒机理．用户应该让输入的数据处理自动进行。
只有在报告警戒的时候才调查问胚．
4.5数据存贮
以计算机为基础的发动机状态监控程序，可以用于线存贮器来提供包含数据处理结果的历史数据库，存贮原始数据、处理的结果以及警戒信息。
可以在以后提取这些数据，应用这些数据来检查参数值的变化趋势或者帮助评价发动机性能或是调查问题。
这些数据还可用来作进一步分析或仿真、发动机生产和机群统计以及写入报告。
4.6分析
目前，对发动机状态监控程序的
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