现代航空技术

制作：陆臻辉 2012.3

在此之前先了解一下测控专业： 测控技术与仪器专业是以计算机技术、智能信息处理技术、 测量工程和自动控制工程为基础的信息时代高技术专业。 本专业主要课程包括：电路分析理论、模拟电子线路、信 号与系统、数字电路、数字信号处理、微机原理与应用、 高级语言与程序设计、单片机原理与程序设计、计算机控 制技术、计算机接口与系统开发、计算机网络、多媒体应 用技术基础、自动测试技术、模式识别原理、传感器原理 与应用、精密机械设计基础、现代仪器设计技术、电子测 量技术、工程光学等。

能学到什么？ 1、较系统地掌握本专业领域的技术理论与基础知识，主 要包括机械学、电子学、光学、测量与控制、市场经济和 企业管理等基础知识； 2、掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实 验能力，具有本专业测控技术、仪器与系统的设计、开发 能力； 3、具有较强的外语应用能力、科技创新意识和较高的综 合素质； 4、掌握电子和信息技术、传感系统和测控、电子仪器、 精密仪器和智能化器仪表、网络系统和工业过程控制系统 等方面的基本理论和基本技术。

就业前景 本专业毕业生可到研究所、高科技术公司、 金融机构、政府技术管理部门、高告等院 校、重点工程等单位从事科学研究、技术 开发、系统设计和制 造等方面的工作。 在国民经济各部门从事测量与控制领域内 有关技术、仪器与系统的设计制造、科技 开发、应用研究、运行管理等方面的工作

其中，在飞机制造方面测控技术具有广阔 的前景，下面就这一具体行业进行介绍。

大型飞机中的若干关键测控技术及 其发展趋势 大型飞机是衡量一个国家科技、工业水 平和综合国力的重要标志之一，它不仅关 系到国民经济，而且对维护国家安全和国 家利益具有重要的政治意义。大飞机制造 涉及到电子、机械、新材料、冶金、化工、 工业制造等方方面面，是各种高、精、尖 技术的大集成，因而被誉为工业领域的皇 冠。

测控技术的应用贯穿于飞机设计、制造、使用和保障的全 过程，是高精度加工制造、航空安全和可靠性、航空维护 自动化和快速化的基础。一方面，随着大型飞机项目研究 的逐步深入，测控行业迎来了重大机遇和挑战；而另一方 面，随着电子技术、计算机技术、网络技术、材料技术等 的迅猛发展，航空测控技术也得到了很大的发展。测控技 术在大飞机中的应用主要包括2个方面，一方面是应用于 飞机的设计、制造和维护、修理中，另一方面是应用于飞 机的使用中。本文将介绍大

型飞机的若干关键测控技术， 包括智能与网络传感器技术、航电系统总线技术、结构健 康监测与健康管理技术，以及智能结构技术，并探讨其发 展趋势。

智能与网络传感器技术发展传感技术的重要性 传感器是飞机的“感觉器官”,是任何测 控系统信息的源头和信息获取的关键，在 大型飞机测试技术中具有核心、主导的地 位。但该项技术往往不被我国飞机设计专 家和领导所重视，由于存在许多关键技术 需要解决，高精尖的传感器目前尚需要进 口甚至被国外技术封锁。

智能与网络传感器技术 由网络传感器组成的分布式传感网络作为一种 新型的信息获取与处理系统，综合了先进的通信 技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术 和传感器技术。它将大量的多种类传感器节点组 成自治的网络，实现对物理世界的动态智能协同 感知。传感器网络的载体有电缆线、电力线、光 纤、电磁波等。其中采用电磁波作为载体的无线 传感器网络，可以实现小型化、低功耗、远端信 息的并行处理，有着传统传感器技术无法比拟的 优势，成为大型飞机测控技术中传感器技术的发 展趋势。

智能与网络传感器技术 无线传感器网络技术的优势在哪里？ 无线传感器网络技术与传统传感技术相比，其优 势在于：分布节点中多角度和多方位的信息综合 可以有效地提高信噪比；传感器网络成本低；网 络具有自治性，系统容错能力强；传感器节点与 被测对象距离近，可消除环境噪声对系统性能的 影响；多节点信息的融合，有利于提高信息感知 的性能、扩大感知的范围；借助具有移动能力的 节点及网络结构的调整能力，可以有效地消除传 感的盲区。

结构健康监测(SHM)与健康管理技 术 故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)是指利用现有知识来预测飞机部件 未来的健康状态，是一种综合后勤学和维修效益的技术。 相较于传统的维修方式，PHM能够比较全面、准确、实时 地进行故障诊断和预测，有利于减少寿命周期成本、保障 飞机飞行安全。PHM系统包括机载实时诊断与预测、飞机 状态报告与记录、地面诊断与自主式后勤3部分。其中机 载PHM系统的体系结构包括：集中式结构，适合系统规模 小、子系统较少的情况；分布式结构，利于降低系统测试 费用，但冗余性、可靠性较低；集中式和分布式结合而成 的分层融合式结构，在低层次收集信号、高层次诊断、预 测结果，更加适用于现代飞机高智能化、高复杂性的要求。

结构健康监测(SHM)与健康管理技 术 结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)作为 PHM技术在结构领域的

具体应用，最初主要对结构载荷进 行监测，目前正向结构损伤监测、损伤定位、结构寿命预 测等方面发展，逐渐发展至具有对于结构损伤具有自修复、 自保护的功能。飞机结构表面或内部可能由于化学腐蚀、 应力作用、撞击、热疲劳等原因产生损伤及裂纹，如果不 及时补救，可能引起损伤的进一步扩展，进而导致结构破 坏、造成重大事故。利用结构健康监测，可以在损伤发生 的初期即发现损伤，从而提供飞机结构的安全性评估，预 测结构的寿命，保证飞机的安全。结构健康监测系统主要 包括4个部分：传感器系统，数据采集、处理及传输系统， 损伤识别、模型修正、安全评定与预警系统，以及数据管 理系统。

结构健康监测(SHM)与健康管理技 术 目前，结构健康监测与健康管理技术的研 究涉及的应用对象相当广泛，研究也取得 了较好的成果。如美国NASA将光纤传感器 网络埋入碳纤维复合材料飞机蒙皮，使材 料具有感知力和判断力。

结构健康监测(SHM)与健康管理技 术该技术的挑战？ 结构健康监测技术还面临着许多困难和挑战，比 如被监测结构本身复杂、监测系统所处环境复杂、 传感器采集信息不完全或不确定、采集信号时背 景噪声大、信号之间的交差耦合、分析时间过长、 实时性差等。SHM技术的研究热点将集中在智能 传感技术、先进的信号处理技术、失效计算方法、 信号质量分级与评价方法、损伤识别技术、提高 系统有效性与可靠性等方面。

智能结构技术 智能结构(Smart Structure)是将传感器、驱动器、微控制器及相应电路等 集成在结构中，使该结构不仅具有传统的承受载荷、保持形状等功能，还具 有识别、分析、处理及自适应控制等功能，使其自身或其所处环境处于最优 状态，即所谓智能功能，其工作原理如图5所示。 智能结构实际上是复合材料结构与测控系统相结合的产物，或者说是测控系 统融合到传统材料和传统结构后的产物。因此，测控技术也是飞行器智能结 构中极其重要的一环。 智能结构技术中包括智能材料、智能材料的配置、控 制器、结构集成几个关键技术。其中，智能材料根据功能特点可分为2类：一 是对外界激励具有感知功能的材料，即传感元件，主要包括压电材料、光导 纤维、电阻应变丝等；二是能在外界环境或内部状态变化做出响应或驱动的 材料，即驱动元件，主要包括形状记忆合金、压电元件、流变材料和磁致伸 缩材料等。合理地布置传感、驱动元件可以以低能耗获得高性能的结构，反 之则可能影响系统的精度并导致系统不稳定。智能结构的控制器一般由分布 式微处理器和中

央处理器，控制的对象就是结构本身。控制器必须有很好的 实时性和可靠性，才能应对结构所处环境中的非线性、不确定性及时变性。 此外，智能结构集成的技术，关系到力学特性、结构稳定性、使用寿命等很 多方面的问题。

智能结构技术 包含的种类 1 智能蒙皮 ：智能蒙皮是指在航空航天器、军舰、 潜艇的外壳(蒙皮)内植入智能结构，它具有随 外界条件变化而变化及探测周围环境的能力，适 合于电子战(包括识别、预警、隐身和通信等)、 材料内部损伤监测、减振降噪及飞行器座舱的自 动通风、保暖、冷却。在航空航天领域应用智能 蒙皮，有利于提高飞机的飞行性能，使飞行器设 计小型化、简单化，提高飞机的可靠性和可用性。

智能结构技术 包含的种类 2 损伤监测智能结构：损伤监测智能结构可 以诊断结构损伤的位置、类型及程度，并 进行结构健康状况评估，以预防事故发生。 主要包括飞机起飞前判断飞机是否能够飞 行、飞机飞行中遇到意外损伤进行自诊断 和自修复、飞行过程中监测各结构健康状 况、飞机关闭动力后提高完整结构信息等 方面。它是结构健康监测的一个重要分支。

智能结构技术 包含的种类 3 强度及形状自适应智能结构：自适应智能结构不仅能承 载、传动，而且能根据外界环境的变化，在自诊断基础上， 自适应地调节到最优状态。自适应智能结构包括强度自适 应智能结构及形状自适应结构。其中形状自适应智能结构 可以根据环境的变化和任务的需要自适应地触发驱动件， 改变结构的外形，并通过传感元件反馈形成闭环控制。其 中典型的形状自适应结构包括自适应机翼和自适应旋翼。 自适应机翼不采用铰链结构，在飞行中根据飞行状况和结 构承载，依靠机翼自身的扭转、弯曲等形式，改变翼型和 攻角，从而获得最佳气动特性。

智能结构技术 包含的种类 4 减振降噪智能结构：智能结构与振动主动控制相结合，可以有效地 消除飞行器的有害振动，从而减轻对航电设备的干扰、提高系统可靠 性；同时可以抑制噪声传播，有利于维护旅客及机组人员的健康和乘 坐的舒适性。减振降噪智能结构是保证飞机安静飞行的一项重要技术， 各国都投入大量资金进行研究。如在波音777-300ER中，研究者利用 形状记忆合金制成可变面积的发动机锯齿形零件以降低发动机中的气 流剪切及噪声；Lord公司利用磁致伸缩材料研制的一套智能减振系统， 已经安装在飞机发动机支架上并证明可以降噪20dB以上；南京航空 航天大学智能材料与结构研究所利用压电元件结合振动主动控制技术，

成功地抑制了飞机座舱模型的振动及噪声；该所还利用长周期光纤光 栅的微弯特性，构成了一套能够用于智能结构振动监测的系统等。

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