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SmartFibres针对中空长航无人机研发的在航高速结构健康监测系统
发布时间:2014-07-24  
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摘要
本文论述了嵌入式光纤光栅(FBG)健康和使用监测系统(HUMS)的设计,鉴定和飞行服务评价。该系统为以色列空军的中空长航(MALE)无人机(UAV)研发设计,其机身共有54个FBG传感器被嵌入在机翼和尾梁,以便精确记录这些组件的振动信号和实际载荷情况。该系统在飞行测试和常规无人机作战任务中获得可靠的飞行数据,并在频域和时域中做相应数据分析,以便识别并记录无人机的正常结构性能。基于所获得的数据,可以记录机翼和尾梁在每次飞行过程中的实际载荷谱,并着重记录飞机着陆时的冲击振动信号。该系统已经获得了超过1000飞行小时的数据,其中包括超过300小时的日志记录数据.该系统旨在提前发现和识别无人机正常结构性能的危险变化,促使必要的修复措施,从而为状态检修铺平道路。

关键词:无人机健康和使用监测系统(HUMS),光纤光栅(FBG)适航结构健康监测系统(SHM)

HUMS优点:
随着现代无人机(UAVs)的逐渐增值,接踵而来的不仅是无人机在极端环境条件下能胜任多样任务的高使用率,也产生了要在其使用寿命内连续监测其结构适航性的需求。维护日益老化的无人机舰队,其可靠性,安全性及经济性是无人机运营商和制造商首要关注的地方,包括循环载荷,耐腐蚀,耐磨,材料降解等等方面。近年来,为了保证无人机的安全经济运行,人们提出了健康与使用监测系统(HUMS)的概念。这个概念是基于通过评估其真实飞行历史及其对结构的影响,结合识别对有可能导致飞行故障的实时事件来记录跟踪个体无人机。 HUMS系统对无人机的运行监测有不可替代的优点,因为基于定期检查的传统无人机维护,要求直接接触无人机所有的关键结构组件,而在远程操控条件下,有限的可及性和对专业训练的需求(比如昂贵的维修技师)对传统无人机维护有着很大制约。还应该指出的是,无人机缺少人类飞行员,他实际上充当了一个实时高度复杂的传感器,有能力识别由磨损、疲劳、鸟类或冰雹冲击、雷击等造成的异常行为。而HUMS系统的目的之一就是为了填补这一空白。通过采用HUMS概念,维护活动仅在需要时执行,这大大降低了无人机的维护成本。
HUMS概念
由以色列航宇工业公司(IAI)制造的AMALE无人机(图1)被以色列空军部队选为评估光纤光栅HUMS系统在实战操作环境下表现的实验平台。其机身的两个尾梁都是复合梁结构,连接在机翼的前后两端并支撑飞机尾翼,它包含一个水平尾翼,和两个垂直的尾舵。

每根机身尾梁同时也是一根悬臂梁,在其后端承受较大重量。尾梁的荷载反映在臂杆上是垂直弯曲的形式。为了跟踪这些负荷情况,在臂杆(图2“顶部”及“底部”)的中心位置嵌入两条光纤。每条光纤包含八只FBG传感器。因此,飞机尾梁臂杆的8个部位被这两列FBG传感器分别监测; 一列传感器位于臂杆顶部,另一列传感器位于臂杆底部(图2)。在这样分部的感知网络下,两条光纤只对臂杆的垂直弯曲敏感。由于尾梁臂杆的横截面相对于水平面来看是不对称的,所以垂直弯曲将引起臂杆顶部和底部的光纤传感器感知相反方向的压力。




结论
这种基于光纤光栅原理的无人机监测方案已经在实战环境中无故障运行了数百个飞行小时。该系统相对空军中队士兵来说操作简单,飞行数据可快速下载以实现地面评估。所有重要飞行活动被FBG感测网络准确的监测到。该系统易于操作,可视化的操作界面可快速准确的判断飞行数据。如果有必要,它还可进行深入的分析。另外,全程跟踪飞机结构的变化有助于状态维修(CBM),以此降低飞机的维护及停机成本。
 
     
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