航空领域电子的故障预测与健康管理技术

韩杰钢

引言：随着社会和经济的同步发展，越来越多的人们选择了飞机作为出行工具。为了提高飞行安全性，最主要的就是保障航空装备的安全与健康。本文对可能引发航空领域电子设备故障的因素进行了分析，对PHM技术的故障预测与健康监测进行研究。

科技的飞速发展要以保障航空领域的设备的安全为前提条件，同样航空领域设备的安全性越高也同样说明了科技的发达。在航空设备进入使用前科研人员都会经过缜密的计算和对设备的检验，但是偶尔也会出现不可避免的故障，如何避免这些灾难的发生，一直都是科研领域讨论的首要问题之一。但是现在科技的发展，航空领域的设备已经逐渐融入到我们的生活中，不再是遥不可及，这样一来，科学家的责任与能力带来了前所未有的挑战。

一、故障预测与健康管理技术现状

故障预测与健康管理技术（PHM）在国内外航空领域扮演了越来越重要的角色，此项技术不仅可以监测发动机的健康还能够估计其余寿，为实现飞机的安全飞行做出了很大贡献。美军F-35联合攻击机确立了PHM技术在实现美军武器装备战备完好性和经济可承受性方面的重要地位，故障预测与健康管理技术现已成为航空技术研究的一个热点话题。

二、PHM技术的故障预测

目前围绕航空领域电子的故障预测与健康管理技术，国内外的研发和应用主要涉及以下几个方面：第一，关于航空电子设备的核心器件失效的问题，也是技术人员研究的重点问题，因为航空电子器件制造之后，会随着时间的推移或一些人为原因，其性能会逐渐退化、磨损，而超大规模集成电路又是所有航空电子设备的核心器件，必须保证其电路的寿命和完整性。第二，引发电子设备出现故障的原因有很多种，最重要的一点就是外部环境应力对其造成的损伤，航空装备在不同的环境应力下所受到的损伤不同，电子设备的可靠性也会随之降低。必须搜集和积累电子产品寿命周期中承受的所有外部应力载荷，计算出其损伤程度和消耗的寿命，估计出余寿时长。为此，需要在产品嵌入若干个传感器来感知外部载荷（温度、温度变化、湿度、振动、冲击、压力、电压、电流等）[1]。第三，电路的特性会随着电子产品的使用时间长久而老化退化。因此，必须对器件、电路等系统的失效模式和危害度进行分析，选取适当的物理量进行故障先兆的检测，如放大倍数、频率响应等作为预测模型，通过对电路特性参数的监测，从而评估电子器件及设备的性能，判断故障的出处并及时更换修补。第四，设置故障预警电路，这是国外公司正在研究的一种方法。预警元件与板上的IC电路属于一类，失效机理相同，在飞行中所处的环境条件也一致，但设计时加大了类似与电流密度等因素的工作负荷，使其承受的工作应力加大，失效的过程也会随之变短，这样故障就会事先显示在预警元件上，能够预测出电路板出现故障的时间，保障其他IC电路的安全性，这样就能极大地降低航空装备出现事故的風险。

三、PHM技术的健康监测

（一）航空电子设备的状态分类

从健康管理角度对航空电子设备进行分类，可细分为如下五类：正常，错误，异常，故障和损坏[2]。

正常，即航空电子设备能够按照预定方式运行，一切指标均在正常范围内。错误，即航空电子设备在运行过程中突发性的错误，检测表现为“未见故障”。它可能由瞬时环境因素超限，或级联故障引起，是暂时性的、非常驻状态。在引发错误的因素被消除后，设备能够自行恢复或修复。异常，是指产品运行方式与功能不属常态，表现为功能降级。这种情况大多是因为设备内部的一些电路器件敏感于临界外部条件，导致设备偏离预订工作状态。待临界外部条件恢复正常后，设备会自行修复[3]。为避免设备出现异常状态，应该定期对设备进行调整合维护。故障是指产品无法执行规定的功能，表现为功能丧失。设备自身的内在缺陷，或内部电子器件发生损伤是造成功能丧失的主要原因，但外部环境也对故障的产生有一定影响。为了保证设备能持续工作，可以对其采取故障禁锢、余度、容错等设计措施，并及时对故障设备进行维修。

（二）航空领域电子设备的健康监测

航空装备的电子器件的性能会随着时间的推移老化、失效。老化的电子器件失效率近似为常数，其与平均故障间隔时间（MTBF）的关系如下：

λ=I/MTBF

此外，航空领域电子设备内部各部件组成并不相同，因此失效率也不同，导致不同因素对设备内部各部件的影响也不尽相同。因此，在对航空领域电子装备的健康管理过程中，应该注意以下几点：第一，航空领域电子装备的PHM技术应该对装备进行合理的分阶段健康管理，从而使不同设备内部的部件充分发挥其功用；第二；对航空领域电子装备不同阶段的健康监控，应该把侧重点集中在导致设备失效的原因和失效率较高的电子器件上；第三，应该充分结合现代化电子信息技术，针对不同的航空领域电子设备配备健康模型，并对影响其健康和使用寿命的因素开展PHM设计，从而更有效、更及时的对设备做出健康预测[4]。

结语：虽然新技术的发展势必要代替原有的技术，但是如何保障航空领域的电子产品的安全性仍然是科学研究界要面临的重大挑战之一，对航空电子设备的故障预测及解决，对保障科学体制的管理，对参与设备运行的人员来说仍是最重要的课题之一。对故障预测的准确有效，对电子元件的突发性的故障，甚至包括对系统数据的收集与分析的繁重的任务，都是我们科学领域的科研人员的非常艰巨的挑战之一。

参考文献

[1]曾声奎，Michael G.Pecht，吴际.故障预测与健康管理（PHM）技术的现状与发展[J].航空学报，2009，5（25）：20-22.

[2]张秋菊，张冬梅.电子系统故障预测与健康管理技术研究[J].光电技术应用，2012，2（15）：13-18.

[3]韩国泰.航空电子的故障预测与健康管理技术[J].航空电子技术，2009，3（15）：15-20.

[4]邱立军.故障预测与健康管理技术在焊工装备领域的应用[J].四川兵工学报，2012，3（25）：10-18.

（作者单位：丽水学院）