周梅萍/中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心
傳統(tǒng)中,在飛機(jī)遭遇閃電襲擊后,專業(yè)人員需要利用專業(yè)設(shè)備對閃電襲擊后的各個痕跡逐個進(jìn)行檢查,以發(fā)現(xiàn)外部損傷的痕跡下是否存在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷。通常每個痕跡至少需要花費(fèi)5 ~10 分鐘。而空客公司提出采用視覺檢查評估的方式將測量的表面積與表面積閾值進(jìn)行比較,探尋內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷,不僅簡單便捷,而且節(jié)省了檢查時間和檢查費(fèi)用,為檢測領(lǐng)域開辟了全新的思路。
2019 年8 月16 日,空中客車公司在我國公布了關(guān)于“閃電襲擊后檢查飛機(jī)外殼損傷”的發(fā)明專利申請。該申請的申請?zhí)枮?01780044435.8,其要求16382343.82016.07.18EP 的優(yōu)先權(quán)。該申請的PCT 國際申請的公布數(shù)據(jù)為WO2018/015592ES2018.01.25?,F(xiàn)對該專利進(jìn)行分析,通過視覺檢測飛機(jī)表面痕跡,探尋其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。
夏季雷雨天氣不斷增多,每當(dāng)一道閃電劃破天空,飛機(jī)就有可能遭受閃電襲擊。閃電襲擊對飛行中的飛機(jī)造成的影響可以說是天壤之別,遭受襲擊后的飛機(jī)有的可能毫無損傷,有的可能有些視覺損傷(VD),也有的可能有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷(SD)。其中,VD 是指閃電襲擊造成碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)外殼油漆刮掉一定面積的損傷;SD 是指對復(fù)合元件的結(jié)構(gòu)層的損傷。具體損傷可以包括熔穿、結(jié)構(gòu)點蝕、緊固件周圍的燒痕和金屬結(jié)構(gòu)的油漆被燒焦、受損的纖維分層等。當(dāng)飛機(jī)遭受閃電襲擊時,需要立即判斷飛機(jī)損傷的嚴(yán)重程度以及時檢修并保障飛行安全。
閃電襲擊造成的飛機(jī)損傷的嚴(yán)重程度取決于多種因素。例如閃電襲擊的能級、閃電的峰值電流和襲擊飛機(jī)的位置等。閃電襲擊飛機(jī)時,閃電最初附著在飛機(jī)機(jī)體的一個地點并從另一個地點離開,由于飛機(jī)相對于閃電通道的相對速度,在那些初始點和離開點之間(掃掠行程)可能存在若干額外的附著點,這可能導(dǎo)致沿著飛機(jī)的整個外殼散布多達(dá)數(shù)百個閃電襲擊的痕跡。
傳統(tǒng)的方式,在飛機(jī)遭遇閃電襲擊后,專業(yè)人員利用專業(yè)設(shè)備(如超聲波、X 射線或熱成像設(shè)備等)對閃電襲擊后的各個痕跡逐個進(jìn)行檢查,以發(fā)現(xiàn)外部損傷的痕跡下是否存在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷。通常,逐個檢查痕跡時,每個痕跡至少需要花費(fèi)5 ~10 分鐘。因此,在存在大量閃電附著點(掃掠行程)的情況下,檢查飛機(jī)外殼痕跡的時間會很長,這需要飛機(jī)停場較長時間。傳統(tǒng)方式檢修受襲的飛機(jī)不僅會影響航空公司的運(yùn)營,而且會造成昂貴的航班延誤和服務(wù)中斷。
空客公司在對VD 和SD 這兩個參數(shù)進(jìn)行深入研究后,決定通過視覺檢測表面痕跡,探尋內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。具體方法是在飛機(jī)遭遇閃電襲擊后,對每個痕跡視覺檢查評估,測量已經(jīng)被閃電襲擊去除的油漆表面積;將測量的表面積與表面積閾值進(jìn)行比較,當(dāng)最大SD 小于可容許的結(jié)構(gòu)損傷(ADL)時,檢查才能通過。該方法不僅可以免去檢修設(shè)備,還可以簡化檢修方法,節(jié)約檢修時間。
如圖1 結(jié)構(gòu)損傷-視覺損傷關(guān)系示意圖所示,飛機(jī)被閃電襲擊后,其外殼上留有一系列的襲擊痕跡。這些痕跡存在于VD 和SD 其中,飛機(jī)針對受到閃電襲擊的可能性被分成不同區(qū)域,每個區(qū)域具有閃電襲擊的最大預(yù)期能級。
檢查閃電襲擊后飛機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)損傷的方法包括以下步驟:
步驟1:檢測每個被閃電襲擊的痕跡去除的油漆面積。
步驟2:獲取面積閾值。
其中,面積閾值與每個痕跡的SD相關(guān),其通過以下步驟獲得:
S1,按閃電襲擊的不同能級,將SD 與VD 的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(sorting),能級低于痕跡所在的特定飛機(jī)區(qū)域中可預(yù)期的最大能量;
S2,提供對于所述痕跡所在的飛機(jī)區(qū)域的可容許的結(jié)構(gòu)損傷(ADL);
S3, 計算可容許的視覺損傷(VDADL),其中對于痕跡所在的飛機(jī)區(qū)域,最大SD 小于ADL;
S4,將優(yōu)化的VDADL 確認(rèn)為面積閾值。
步驟3:對于每個痕跡,測量已經(jīng)被閃電襲擊去除的油漆面積(視覺損傷)。
步驟4:將所測量面積與面積閾值(即VDADL)進(jìn)行比較。
面積閾值與每個痕跡的SD 相關(guān),計算可容許的VDADL,其中對于所述痕跡所在的飛機(jī)區(qū)域,最大SD 小于ADL 時,檢查通過。
在選擇主要參數(shù)后,可以開發(fā)以下2 種方法用于計算VDADL:
方法1:如果在痕跡所在的特定飛機(jī)區(qū)域中預(yù)期的能量最大的閃電襲擊導(dǎo)致的SD 低于所提供的ADL,則使用稱為“邊界框法”(Bounding-BoxApproach);
方法2:如果特定飛機(jī)區(qū)域中預(yù)期的能量最大的閃電襲擊導(dǎo)致的SD 高于所提供的ADL,則使用稱為“能量依賴法”。
這兩種方法都可以確定VDADL。其中,最大SD 小于痕跡所在的外殼區(qū)域的ADL。因此,如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)閃電襲擊造成的損傷且VD 小于VDADL,則可以確保飛機(jī)連續(xù)運(yùn)行而不進(jìn)行任何非破壞性測試,節(jié)省了航空公司的檢查時間。
如圖2 所示,在該方法中,做了一個強(qiáng)有力的假設(shè):對于上述最大能級,假定VD 和SD 之間沒有關(guān)系,這導(dǎo)致對VD 和SD 作為統(tǒng)計上獨(dú)立的參數(shù)進(jìn)行分析。這個假設(shè)建立在這樣的假定之上:對于足夠數(shù)量的樣本,由于VD 和SD 具有隨能量單調(diào)遞增的依賴關(guān)系,并且由于正在研究的面積與最大預(yù)見能量相關(guān),預(yù)計損傷不會高于計算的限值。
該方法包括以下步驟:
S1,按主要參數(shù)(即能級或峰值電流)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。所測試的最高能級對應(yīng)于痕跡所在的飛機(jī)外殼區(qū)域?qū)⒔?jīng)歷的最大能量閃電襲擊。
S2,計算最高能級的每種類型損傷的置信區(qū)間,同時考慮可供研究的樣本數(shù)量和每種類型的損傷(如VD 和SD)要獨(dú)立實現(xiàn)的置信水平。計算出的限值定義了數(shù)據(jù)受限的“邊界框”,如圖3 所示。
S3,由置信區(qū)間確定的最大視覺損傷(VDmax)是VDADL。
為了驗證所述計算,必須確保痕跡的ADL 大于或等于邊界框的上限,即最大結(jié)構(gòu)損傷(SDmax)。因此,VDADL 對應(yīng)于框的最右邊限值(VDmax),如圖4 所示。
圖1 結(jié)構(gòu)損傷-視覺損傷關(guān)系示意圖
圖2 采用稱為“邊界框法”時飛機(jī)區(qū)域中預(yù)期的最大SD 小于ADL
如圖5 所示,使用能量依賴法可在最小化測試次數(shù)的同時確定并驗證最終可容許的視覺損傷(VDADL)圖。具體如下:
(1)估算對于定義的ADL,VD的可接受范圍內(nèi)的能級,從而盡可能多的減少測試次數(shù)。
(2)一旦獲得必須測試的能量,就可以確定VDADL 的。
如前所述,VD 和SD 平均地呈隨能量單調(diào)遞增的依賴關(guān)系。
由此可以推斷,VD 和SD 也平均地呈單調(diào)遞增的依賴關(guān)系,如經(jīng)驗數(shù)據(jù)所驗證的。
該實施方案背后的想法是跨所有不同能級適當(dāng)?shù)啬M這種結(jié)構(gòu)損傷-視覺損傷(SD-VD)關(guān)系,這與第一種情況即對于預(yù)期的最大能級獨(dú)立地分析VD和SD 思路相反,進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)損傷-視覺損傷(SD-VD)關(guān)系的預(yù)測置信區(qū)間。
當(dāng)獨(dú)立地分析SD 和VD 參數(shù)時,獨(dú)立的預(yù)測區(qū)間更高,因為并非使用所有可用信息??紤]到SD 和VD 呈單調(diào)遞增的關(guān)系,允許丟棄一些面積(VD,SD);因此,預(yù)測區(qū)間更精確。在上述圖6 中,應(yīng)用邊界框法和能量依賴法時的定性結(jié)果的比較顯示了陰影面積,該陰影面積對應(yīng)于使用能量依賴法時可以丟棄的面積。
上述方法針對大多數(shù)損傷,無需使用超聲波、X 射線或熱成像設(shè)備,僅通過視覺檢查評估,節(jié)省了時間并增加了飛機(jī)的運(yùn)行時間。該方法的優(yōu)點是它可以提供更快速的視覺檢查,從而減少飛機(jī)在地面的停場時間。
本專利技術(shù)在飛機(jī)遭遇閃電襲擊后,采用視覺檢查評估的方式將測量的表面積與表面積閾值進(jìn)行比較,無需采用傳統(tǒng)的超聲波、X 射線或熱成像設(shè)備等專業(yè)設(shè)備,簡單便捷,節(jié)省了檢查時間和檢查費(fèi)用。
本專利申請通過視覺檢測表面痕跡,探尋內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷,為檢測領(lǐng)域開辟了全新的思路。該方式不僅在航空領(lǐng)域有著極其重要的意義,還在醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域有著重要意義。期待有識之士進(jìn)一步研究、發(fā)展視覺檢測技術(shù),從而實現(xiàn)對受襲飛機(jī)的“自由檢測”。