采用视觉检测法检查闪电袭击后飞机外壳损伤的专利分析

周梅萍/中国航空工业发展研究中心

传统中，在飞机遭遇闪电袭击后，专业人员需要利用专业设备对闪电袭击后的各个痕迹逐个进行检查，以发现外部损伤的痕迹下是否存在内部的结构损伤。通常每个痕迹至少需要花费5 ～10 分钟。而空客公司提出采用视觉检查评估的方式将测量的表面积与表面积阈值进行比较，探寻内部结构损伤，不仅简单便捷，而且节省了检查时间和检查费用，为检测领域开辟了全新的思路。

2019 年8 月16 日，空中客车公司在我国公布了关于“闪电袭击后检查飞机外壳损伤”的发明专利申请。该申请的申请号为201780044435.8，其要求16382343.82016.07.18EP 的优先权。该申请的PCT 国际申请的公布数据为WO2018/015592ES2018.01.25。现对该专利进行分析，通过视觉检测飞机表面痕迹，探寻其内部结构损伤。

背景简述

夏季雷雨天气不断增多，每当一道闪电划破天空，飞机就有可能遭受闪电袭击。闪电袭击对飞行中的飞机造成的影响可以说是天壤之别，遭受袭击后的飞机有的可能毫无损伤，有的可能有些视觉损伤（VD），也有的可能有严重的结构损伤（SD）。其中，VD 是指闪电袭击造成碳纤维增强聚合物（CFRP）外壳油漆刮掉一定面积的损伤；SD 是指对复合元件的结构层的损伤。具体损伤可以包括熔穿、结构点蚀、紧固件周围的烧痕和金属结构的油漆被烧焦、受损的纤维分层等。当飞机遭受闪电袭击时，需要立即判断飞机损伤的严重程度以及时检修并保障飞行安全。

闪电袭击造成的飞机损伤的严重程度取决于多种因素。例如闪电袭击的能级、闪电的峰值电流和袭击飞机的位置等。闪电袭击飞机时，闪电最初附着在飞机机体的一个地点并从另一个地点离开，由于飞机相对于闪电通道的相对速度，在那些初始点和离开点之间（扫掠行程）可能存在若干额外的附着点，这可能导致沿着飞机的整个外壳散布多达数百个闪电袭击的痕迹。

传统的方式，在飞机遭遇闪电袭击后，专业人员利用专业设备（如超声波、X 射线或热成像设备等）对闪电袭击后的各个痕迹逐个进行检查，以发现外部损伤的痕迹下是否存在内部的结构损伤。通常，逐个检查痕迹时，每个痕迹至少需要花费5 ～10 分钟。因此，在存在大量闪电附着点（扫掠行程）的情况下，检查飞机外壳痕迹的时间会很长，这需要飞机停场较长时间。传统方式检修受袭的飞机不仅会影响航空公司的运营，而且会造成昂贵的航班延误和服务中断。

技术要点

1.专利要点

空客公司在对VD 和SD 这两个参数进行深入研究后，决定通过视觉检测表面痕迹，探寻内部结构损伤。具体方法是在飞机遭遇闪电袭击后，对每个痕迹视觉检查评估，测量已经被闪电袭击去除的油漆表面积；将测量的表面积与表面积阈值进行比较，当最大SD 小于可容许的结构损伤（ADL）时，检查才能通过。该方法不仅可以免去检修设备，还可以简化检修方法，节约检修时间。

2.技术实现方式

如图1 结构损伤-视觉损伤关系示意图所示，飞机被闪电袭击后，其外壳上留有一系列的袭击痕迹。这些痕迹存在于VD 和SD 其中，飞机针对受到闪电袭击的可能性被分成不同区域，每个区域具有闪电袭击的最大预期能级。

检查闪电袭击后飞机外壳的结构损伤的方法包括以下步骤：

步骤1：检测每个被闪电袭击的痕迹去除的油漆面积。

步骤2：获取面积阈值。

其中，面积阈值与每个痕迹的SD相关，其通过以下步骤获得：

S1，按闪电袭击的不同能级，将SD 与VD 的经验数据进行分类（sorting），能级低于痕迹所在的特定飞机区域中可预期的最大能量；

S2，提供对于所述痕迹所在的飞机区域的可容许的结构损伤（ADL）；

S3， 计算可容许的视觉损伤（VDADL），其中对于痕迹所在的飞机区域，最大SD 小于ADL；

S4，将优化的VDADL 确认为面积阈值。

步骤3：对于每个痕迹，测量已经被闪电袭击去除的油漆面积（视觉损伤）。

步骤4：将所测量面积与面积阈值（即VDADL）进行比较。

面积阈值与每个痕迹的SD 相关，计算可容许的VDADL，其中对于所述痕迹所在的飞机区域，最大SD 小于ADL 时，检查通过。

3.VDADL 计算方式

在选择主要参数后，可以开发以下2 种方法用于计算VDADL：

方法1：如果在痕迹所在的特定飞机区域中预期的能量最大的闪电袭击导致的SD 低于所提供的ADL，则使用称为“边界框法”（Bounding-BoxApproach）；

方法2：如果特定飞机区域中预期的能量最大的闪电袭击导致的SD 高于所提供的ADL，则使用称为“能量依赖法”。

这两种方法都可以确定VDADL。其中，最大SD 小于痕迹所在的外壳区域的ADL。因此，如果在检查过程中发现闪电袭击造成的损伤且VD 小于VDADL，则可以确保飞机连续运行而不进行任何非破坏性测试，节省了航空公司的检查时间。

4.边界框法

如图2 所示，在该方法中，做了一个强有力的假设：对于上述最大能级，假定VD 和SD 之间没有关系，这导致对VD 和SD 作为统计上独立的参数进行分析。这个假设建立在这样的假定之上：对于足够数量的样本，由于VD 和SD 具有随能量单调递增的依赖关系，并且由于正在研究的面积与最大预见能量相关，预计损伤不会高于计算的限值。

该方法包括以下步骤：

S1，按主要参数（即能级或峰值电流）对数据进行分类。所测试的最高能级对应于痕迹所在的飞机外壳区域将经历的最大能量闪电袭击。

S2，计算最高能级的每种类型损伤的置信区间，同时考虑可供研究的样本数量和每种类型的损伤（如VD 和SD）要独立实现的置信水平。计算出的限值定义了数据受限的“边界框”，如图3 所示。

S3，由置信区间确定的最大视觉损伤（VDmax）是VDADL。

为了验证所述计算，必须确保痕迹的ADL 大于或等于边界框的上限，即最大结构损伤（SDmax）。因此，VDADL 对应于框的最右边限值（VDmax），如图4 所示。

图1 结构损伤-视觉损伤关系示意图

图2 采用称为“边界框法”时飞机区域中预期的最大SD 小于ADL

5.能量依赖法

如图5 所示，使用能量依赖法可在最小化测试次数的同时确定并验证最终可容许的视觉损伤（VDADL）图。具体如下：

（1）估算对于定义的ADL，VD的可接受范围内的能级，从而尽可能多的减少测试次数。

（2）一旦获得必须测试的能量，就可以确定VDADL 的。

如前所述，VD 和SD 平均地呈随能量单调递增的依赖关系。

由此可以推断，VD 和SD 也平均地呈单调递增的依赖关系，如经验数据所验证的。

该实施方案背后的想法是跨所有不同能级适当地模拟这种结构损伤-视觉损伤（SD-VD）关系，这与第一种情况即对于预期的最大能级独立地分析VD和SD 思路相反，进而计算结构损伤-视觉损伤（SD-VD）关系的预测置信区间。

当独立地分析SD 和VD 参数时，独立的预测区间更高，因为并非使用所有可用信息。考虑到SD 和VD 呈单调递增的关系，允许丢弃一些面积（VD，SD）；因此，预测区间更精确。在上述图6 中，应用边界框法和能量依赖法时的定性结果的比较显示了阴影面积，该阴影面积对应于使用能量依赖法时可以丢弃的面积。

6.技术效果

上述方法针对大多数损伤，无需使用超声波、X 射线或热成像设备，仅通过视觉检查评估，节省了时间并增加了飞机的运行时间。该方法的优点是它可以提供更快速的视觉检查，从而减少飞机在地面的停场时间。

总结

本专利技术在飞机遭遇闪电袭击后，采用视觉检查评估的方式将测量的表面积与表面积阈值进行比较，无需采用传统的超声波、X 射线或热成像设备等专业设备，简单便捷，节省了检查时间和检查费用。

本专利申请通过视觉检测表面痕迹，探寻内部结构损伤，为检测领域开辟了全新的思路。该方式不仅在航空领域有着极其重要的意义，还在医药、生物等领域有着重要意义。期待有识之士进一步研究、发展视觉检测技术，从而实现对受袭飞机的“自由检测”。