壽命無極限：飛機(jī)壽命管理的技術(shù)革命

戚燕杰 ，呂志剛 ，劉馬寶 ，侯立國(guó) ，李立人

（1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.西安交通大學(xué)，西安 710049；3.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621；4.精功集團(tuán)，浙江紹興 312030）

壽命無極限：飛機(jī)壽命管理的技術(shù)革命

戚燕杰1，2，呂志剛1，2，劉馬寶1，侯立國(guó)3，李立人4

（1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.西安交通大學(xué)，西安 710049；3.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621；4.精功集團(tuán)，浙江紹興 312030）

通過對(duì)飛機(jī)壽命控制疲勞損傷、壽命監(jiān)控技術(shù)與飛機(jī)壽命管理思想等發(fā)展歷程的簡(jiǎn)要回顧，揭示了安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾的尖銳性和復(fù)雜性。通過航空界現(xiàn)行的各種對(duì)策之歷史局限性與利弊剖析，闡述了飛機(jī)壽命管理技術(shù)革命的歷史必然性、迫切性與廣泛性（群眾性）。對(duì)國(guó)內(nèi)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）各類技術(shù)手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出“簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”是各類型技術(shù)能否最終勝出的金標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)ICMS技術(shù)及其八大優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了扼要介紹，闡明ICMS技術(shù)在飛機(jī)壽命管理技術(shù)革命中的獨(dú)特地位和作用。對(duì)飛機(jī)壽命管理技術(shù)革命的性質(zhì)、維修產(chǎn)業(yè)革命、技術(shù)革命發(fā)展依靠的力量等問題進(jìn)行了探討，指明飛機(jī)壽命管理技術(shù)革命所面臨的障礙與艱巨性。將ICMS技術(shù)對(duì)中國(guó)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義、對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念革命性改變的作用、對(duì)人類環(huán)境保護(hù)事業(yè)的意義、以及對(duì)其他工業(yè)領(lǐng)域的啟示與借鑒意義等積極因素進(jìn)行了提示。

飛機(jī)使用壽命；壽命管理；技術(shù)革命；ICMS

本文是《壽命無極限：飛機(jī)壽命管理新理念》的姊妹篇[1]。飛機(jī)壽命的管理在現(xiàn)代航空企業(yè)管理中日益受到重視。經(jīng)濟(jì)性在維修中的地位越來越突出，飛機(jī)技術(shù)壽命管理的概念正在轉(zhuǎn)化為不同服役時(shí)間修理和換件等費(fèi)用的新概念。用技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合評(píng)估確定飛機(jī)的使用壽命，是當(dāng)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造與使用維修方面所發(fā)生的重要變化，安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾呈現(xiàn)的尖銳性和復(fù)雜性，是對(duì)當(dāng)代航空企業(yè)管理（及相關(guān)領(lǐng)域）的新挑戰(zhàn)。新思想和新技術(shù)既可提高飛機(jī)的安全性，又可大幅延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命，這對(duì)于增強(qiáng)飛機(jī)的客/貨運(yùn)載能力、戰(zhàn)斗力和降低使用成本具有重大意義，經(jīng)濟(jì)效益、軍事效益都十分顯著[1-2]。

1 問題的由來

1954年1月和4月，英國(guó)2架“慧星”號(hào)民航客機(jī)先后因飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞斷裂而在空中解體，機(jī)上35人和21人全部遇難，舉世震驚。自此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷及嚴(yán)重危害引起了世界航空業(yè)的極大關(guān)注。

1955年，瑞典科學(xué)家Bo Lundberg撰文“飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命”，開辟了用確定飛機(jī)壽命控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷保證飛行安全的新領(lǐng)域。此后各國(guó)相繼開展了大量試驗(yàn)研究工作。美國(guó)A.M.Freudenthal教授于20世紀(jì)70年代，率先把可靠性理論與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命研究結(jié)合起來，提出采用分散系數(shù)給出帶可靠度要求的機(jī)群安全壽命，從宏觀角度控制機(jī)群結(jié)構(gòu)損傷的方法，此方法一直沿用至今。

1975年，美國(guó)空軍首先制定了“損傷容限/耐久性”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)源頭入手，通過提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體疲勞特性和把握裂紋擴(kuò)展速率、控制裂紋臨界危險(xiǎn)尺寸和采用耐久性修理的方法，保證機(jī)群的飛行安全和經(jīng)濟(jì)使用。該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則被波音、麥道等飛機(jī)制造商全面采用貫徹，現(xiàn)已推廣到全球航空設(shè)計(jì)、制造業(yè)。

2002年5月25日，臺(tái)灣華航CI-611航班B747-200飛機(jī)發(fā)生空中解體事故，機(jī)上19名機(jī)組成員和206名乘客全部遇難。事故調(diào)查組從殘骸中發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)多處疲勞，最終結(jié)論是：機(jī)身結(jié)構(gòu)多處疲勞斷裂導(dǎo)致空中解體。飛機(jī)壽命之問題再度引起世人的關(guān)注[3]。

近20年來，世界各國(guó)多型民用、軍用飛機(jī)按給定的設(shè)計(jì)壽命DSO、檢查周期進(jìn)行使用和維修，仍然不斷地發(fā)生著空中解體的災(zāi)難性事故[2]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全使用的可靠度遠(yuǎn)未達(dá)到強(qiáng)度、剛度規(guī)范要求的99.87%！這究竟是什么原因？難道都是維修不充分造成的嗎？無限地縮短飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢查的周期可能嗎？安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾的解決根本出路在哪里？……

2 壽命監(jiān)控技術(shù)與飛機(jī)壽命管理思想的發(fā)展

2.1 壽命監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)40年代末期，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開始了對(duì)飛機(jī)疲勞載荷的監(jiān)控工作，迄今已有60多年歷史，目前已在軍用飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。壽命監(jiān)控技術(shù)發(fā)展至今可劃分為4個(gè)時(shí)代：第一代是通過對(duì)飛機(jī)飛行小時(shí)和起落次數(shù)的記錄來實(shí)現(xiàn)的；第二代是電子式多參數(shù)記錄系統(tǒng)；第三代是在原有飛參記錄系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了對(duì)疲勞危險(xiǎn)部位應(yīng)變變化數(shù)據(jù)的記錄；第四代是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM），其在原有載荷監(jiān)控的基礎(chǔ)上增加了對(duì)疲勞關(guān)鍵部位損傷情況的直接實(shí)時(shí)監(jiān)控。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過使用涂層、光纖、壓電傳感器、聲發(fā)射、智能材料等先進(jìn)技術(shù)對(duì)局部裂紋、腐蝕、磨損等情況進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)。用戶可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)飛機(jī)的修理或宣布到壽作出決策。這類技術(shù)自20世紀(jì)末問世以來就是全球航空界的研發(fā)重點(diǎn)，隨著這類技術(shù)的完善和推廣，傳統(tǒng)的飛機(jī)壽命管理理念和模式將發(fā)生革命性的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的根據(jù)飛機(jī)使用時(shí)間確定維修時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)來確定維修時(shí)機(jī)。這將提高飛機(jī)安全性，維修費(fèi)用、維修工時(shí)及停機(jī)時(shí)間將隨之劇減，飛機(jī)使用壽命大幅增加，是今后的發(fā)展方向[4]。

2.2 飛機(jī)壽命管理思想的發(fā)展

飛機(jī)壽命的管理經(jīng)歷了由“機(jī)群壽命管理”向“單機(jī)壽命管理”發(fā)展的過程。當(dāng)前，航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛機(jī)壽命的管理均采用了基于載荷（應(yīng)變）的單機(jī)壽命管理思想。隨著SHM的出現(xiàn)和發(fā)展，產(chǎn)生了基于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控的單機(jī)壽命管理的理念和思想。

“機(jī)群壽命管理”存在兩方面的不足：一是不能最大限度地保證每架飛機(jī)的飛行安全；二是不能充分發(fā)揮每架飛機(jī)的壽命潛力。機(jī)群安全壽命是用疲勞試驗(yàn)的總試驗(yàn)壽命（小時(shí)數(shù)）除以疲勞分散系數(shù)獲得的，其高可靠度是以犧牲機(jī)群中絕大多數(shù)飛機(jī)的可用壽命為代價(jià)的，這種方法存在著相當(dāng)大的浪費(fèi)?！耙坏肚小笔降臋C(jī)群壽命管理思想使得絕大多數(shù)飛機(jī)壽命潛力無法發(fā)揮出來。無論從安全性和經(jīng)濟(jì)性，機(jī)群壽命管理的思想都相對(duì)落后，具有歷史局限性。

無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了SHM理念的產(chǎn)生和對(duì)應(yīng)的單機(jī)壽命管理思想的提出[5]?；赟HM的單機(jī)壽命管理思想，要求對(duì)每架飛機(jī)各個(gè)關(guān)鍵部位的裂紋、腐蝕等損傷的萌生與發(fā)展進(jìn)行“直接”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)飛機(jī)是否繼續(xù)使用、進(jìn)行修理、宣布到壽等適時(shí)做出決策。這種管理思想使得現(xiàn)有的以載荷（應(yīng)變）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)分析“間接”得到的疲勞損傷作為依據(jù)、按飛機(jī)使用時(shí)間確定維修時(shí)機(jī)與飛機(jī)壽命的管理模式發(fā)生根本改變——改為“直接”依據(jù)關(guān)鍵部位的真實(shí)可見損傷來確定飛機(jī)的維修時(shí)機(jī)與飛機(jī)壽命。這樣既可提高飛機(jī)的使用安全，又可直接針對(duì)每架飛機(jī)的制造質(zhì)量和實(shí)際使用載荷歷程，極大地降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用與維修工時(shí)，充分發(fā)揮出每架飛機(jī)的有效壽命，是飛機(jī)壽命管理思想的發(fā)展方向[6]。

2.3 安全性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾

如今，無論是“機(jī)群壽命管理”還是“單機(jī)壽命管理”，都是在處理隱于深層的安全性與經(jīng)濟(jì)性之矛盾。

以安全著稱的新加坡航空公司之對(duì)策是“機(jī)隊(duì)現(xiàn)代化”——加快機(jī)型交替，飛機(jī)用到11～12年就考慮淘汰售出，機(jī)齡使用最長(zhǎng)也不超過15年（“老齡飛機(jī)”的統(tǒng)計(jì)概念），這似乎已成為亞洲地區(qū)航空公司不成文的行業(yè)規(guī)范。中國(guó)民航亦在效仿這種思路[7-8]。這種對(duì)策將矛盾安全性的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移給購(gòu)買二手飛機(jī)的“下家”航空公司，又將矛盾經(jīng)濟(jì)性的壓力轉(zhuǎn)移給了政府財(cái)政，造成采購(gòu)經(jīng)費(fèi)的劇增。經(jīng)濟(jì)性的壓力由于轉(zhuǎn)移給了財(cái)政巨人（納稅人）而被理所當(dāng)然地淡化了。而下家公司收購(gòu)了許多便宜的二手飛機(jī)，例如，俄羅斯可謂二手飛機(jī)滿天飛，結(jié)果是連連發(fā)生嚴(yán)重飛行事故，背上了飛行安全的沉重包袱[9]。那些收購(gòu)二手飛機(jī)的國(guó)家也陸續(xù)嘗到了苦頭。

美國(guó)航空市場(chǎng)相對(duì)比較成熟，消費(fèi)者并不在乎飛機(jī)的壽命問題，很多飛機(jī)飛了30多年也還在用[7]。美洲地區(qū)飛機(jī)數(shù)量大，航空業(yè)將矛盾放在了地面，其飛機(jī)檢修制度嚴(yán)格、維修人員隊(duì)伍龐大、設(shè)施較為完備。飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和維修幾乎完全依賴地面人員進(jìn)行周密安排的定期近距無損檢測(cè)，這就是導(dǎo)致航空公司運(yùn)營(yíng)成本高居不下的一個(gè)主要因素！僅飛機(jī)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)費(fèi)用就占全壽命成本的25%，而全球商業(yè)航空公司每年的飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢修費(fèi)用達(dá)100億美元[10]，相當(dāng)于150多架新B737飛機(jī)的價(jià)格[11]。

現(xiàn)代飛機(jī)的高技術(shù)性能使得購(gòu)機(jī)成本日趨昂貴，經(jīng)濟(jì)性的壓力使用戶迫切期望延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命，延壽已成為發(fā)展趨勢(shì)[12-13]。隨著“超期”服役的飛機(jī)越來越多，飛機(jī)老齡化成為全球性的問題，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展已成為人類歷史發(fā)展的主流和主導(dǎo)力量的當(dāng)代[14]，安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾的尖銳性和復(fù)雜性日趨顯露。飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是隨著老齡飛機(jī)的延壽而發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性保障技術(shù)[10]。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

鑒于現(xiàn)行壽命管理思想與技術(shù)手段的歷史局限性，業(yè)界的專家們從20世紀(jì)80年代起就一直在尋求能準(zhǔn)確把握機(jī)群中每架飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的先進(jìn)方法——“結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)”之技術(shù)手段。2002年第二十三屆國(guó)際航空科學(xué)大會(huì)再次把“結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)”列為航空技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。從2003年開始，美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量資源開展該類技術(shù)的研發(fā)活動(dòng)。

3.1 各類型技術(shù)介紹

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)是一種“過程技術(shù)行為”，與傳統(tǒng)的“無損檢測(cè)”技術(shù)相比，“過程監(jiān)測(cè)”技術(shù)能更加及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到結(jié)構(gòu)的各類損傷（裂紋）。從無損“檢測(cè)”到在線“監(jiān)測(cè)”是技術(shù)進(jìn)步質(zhì)的飛躍和歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。西方國(guó)家為實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)”之應(yīng)用，所采用的技術(shù)手段可謂“八仙過海，各顯神通”。這些技術(shù)手段總體上可分為3大類：①應(yīng)力-應(yīng)變法；②直接監(jiān)測(cè)法；③間接監(jiān)測(cè)法[4]。

應(yīng)力-應(yīng)變法包括：疲勞壽命計(jì)技術(shù)，光纖傳感器技術(shù)。直接監(jiān)測(cè)法包括：聲發(fā)射技術(shù)，柔性電渦流技術(shù)，相對(duì)真空度技術(shù)CVM，信息智能涂層技術(shù)。間接監(jiān)測(cè)法包括：振動(dòng)分析技術(shù)，機(jī)電阻抗分析技術(shù)，蘭姆波監(jiān)測(cè)技術(shù)。

國(guó)際上目前仍一直在沿用著“應(yīng)力-應(yīng)變”法。大量試驗(yàn)證明，由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋受多種分散因素的綜合影響，這類技術(shù)只能粗略地預(yù)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與飛行歷程“線性相關(guān)”的疲勞裂紋發(fā)生的時(shí)域，無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到機(jī)群中每架飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂紋，更無法監(jiān)測(cè)到與飛行歷程“非線性相關(guān)”的隨機(jī)性、突發(fā)性裂紋[2]。而且，這類傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以解決“虛警率”和滿足高可靠性、耐久性、低成本的實(shí)用要求。

澳大利亞投入了上億美元，研發(fā)了硅膠薄膜真空度比較傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CVM），該技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家屬于前列，并被美國(guó)空軍和波音公司在F-22戰(zhàn)斗機(jī)和波音客機(jī)上試用。由于傳感器是硅膠制成的抽氣薄膜，環(huán)境適應(yīng)能力和復(fù)雜結(jié)構(gòu)信號(hào)集取受限，同時(shí)，傳感器需配置真空泵和真空度鑒別設(shè)備，系統(tǒng)就很難做到長(zhǎng)壽命和高可靠性。特別是傳感器要按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀、尺寸制造專用模具，因此成本很高。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均價(jià)格為2萬美元，典型的民航飛機(jī)（B737）一架約需200～300萬美元，約為飛機(jī)價(jià)格的4%～5%。這樣的價(jià)格對(duì)用戶來說是很難承受的。

光纖傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是一種被許多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為是可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的好技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是傳感器信息量大，能同時(shí)采集應(yīng)力、溫度、形變等多種信號(hào)，但只適用于區(qū)域性監(jiān)測(cè)，無法對(duì)各種孔結(jié)構(gòu)的裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷90%以上是孔的裂紋。國(guó)內(nèi)外某些研究單位的飛機(jī)全尺寸疲勞試驗(yàn)曾應(yīng)用此類技術(shù)，但實(shí)際效果甚差。

其他技術(shù)，例如：聲發(fā)射技術(shù)、柔性電渦流、壓電傳感器（應(yīng)力-應(yīng)變，空客公司的研發(fā)思路）等，原理和系統(tǒng)構(gòu)成都較復(fù)雜，成本價(jià)格昂貴，實(shí)用性差，貫徹與推廣相當(dāng)困難。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣應(yīng)用之成敗，在很大程度上取決于被測(cè)故障參數(shù)及其所用傳感器的恰當(dāng)選取?！昂?jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”是各類型技術(shù)能否最終脫穎而出的金標(biāo)準(zhǔn)。

3.2ICMS技術(shù)

西安交通大學(xué)呂志剛教授在對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷復(fù)雜性深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非線性科學(xué)的思想于2004年提出了由“隨附損傷特性和疲勞響應(yīng)特性”、“電參量可測(cè)試性”、“信息智能涂層”等概念組合而成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測(cè)新理念[1]。呂教授領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)團(tuán)隊(duì)全面主持了飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋在線監(jiān)測(cè)技術(shù)——“信息智能涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（intelligent coating crack monitoring system，ICMS）的研發(fā)、試驗(yàn)和考核工作。該技術(shù)將結(jié)構(gòu)各類損傷、納米材料、涂層技術(shù)、電子信息等多領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，使其成為具有損傷探測(cè)、信息采集與傳輸和分析判斷功能的經(jīng)濟(jì)實(shí)用系統(tǒng)[2]。ICMS技術(shù)已申報(bào)中國(guó)和國(guó)際發(fā)明專利（PCT），具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[15]。

通過基礎(chǔ)理論研究、計(jì)算機(jī)仿真和各種材料300多組典型構(gòu)件的疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)證明，ICMS對(duì)各種裂紋的檢出率高達(dá)100%。ICMS技術(shù)于2005年底通過了由空軍裝備部組織的、由多名院士和結(jié)構(gòu)疲勞領(lǐng)域權(quán)威人士組成的專家組所進(jìn)行的部級(jí)鑒定[16]，達(dá)到了在飛機(jī)批生產(chǎn)和大修中貫徹的基本技術(shù)條件，在數(shù)種型號(hào)飛機(jī)上的試驗(yàn)應(yīng)用表明其具有突出的“實(shí)用”優(yōu)勢(shì)[2]。

波音公司、空客公司無損檢測(cè)中心、中國(guó)商飛、中航集團(tuán)西飛公司、沈飛公司、成飛公司，中航集團(tuán)601所、603所、623所等國(guó)內(nèi)外著名航空企業(yè)、科研院所的有關(guān)負(fù)責(zé)人、總師、技術(shù)人員均考察或聽取過ICMS技術(shù)講座并與研發(fā)團(tuán)隊(duì)建立了業(yè)務(wù)聯(lián)系；北京飛機(jī)維修工程有限公司、中國(guó)國(guó)際航空股份有限公司、中國(guó)民用航空局航空安全技術(shù)中心、中國(guó)民航大學(xué)等單位代表參加過ICMS研發(fā)團(tuán)隊(duì)主講的《飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷與健康狀況監(jiān)控新技術(shù)講座》。業(yè)內(nèi)人士對(duì)ICMS技術(shù)的研發(fā)成就與應(yīng)用前景一致給予了積極的評(píng)介。

3.3 ICMS技術(shù)的八大優(yōu)勢(shì)

“簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”是ICMS的最顯著特點(diǎn)。具體表現(xiàn)在以下8個(gè)方面：①系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，體積小（主系統(tǒng)相當(dāng)于2個(gè)煙盒）、重量輕（＜1 kg）；采用電阻值作為監(jiān)測(cè)參量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單、元器件少，計(jì)算機(jī)軟件語句簡(jiǎn)練；②可靠性很高（MTBF＞5 000 h），檢出率可達(dá)100%；耐久性甚佳（系統(tǒng)自身的使用壽命在全封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)＞30年、半封閉＞25年），維修性優(yōu)良（可做到免維護(hù)）；③系統(tǒng)自身安全性高；采用3.5 V直流驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)電壓小于1 V，功耗極低；④準(zhǔn)確性強(qiáng)，監(jiān)測(cè)類全；不受裂紋發(fā)生的方向性制約，全方位提高了結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和精度；能夠?qū)︼w機(jī)結(jié)構(gòu)已知的所有類型之損傷（裂紋）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)用性好；⑤采用航空工業(yè)現(xiàn)在廣泛使用的防腐涂料經(jīng)過物理改性作為智能涂層的驅(qū)動(dòng)層，保證了與飛機(jī)基體防腐涂層的相容性，易于在飛機(jī)制造與大修時(shí)貫徹，增強(qiáng)了實(shí)用性；⑥新老兼顧，適用性好。對(duì)于新飛機(jī)——設(shè)計(jì)制造進(jìn)去；對(duì)于老飛機(jī)——大修時(shí)安裝上去（安裝簡(jiǎn)便）；⑦軍民通用化，成本價(jià)格低（每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平均價(jià)格約為0.8萬元人民幣，典型民航飛機(jī)一架約需150～200萬元人民幣，約為飛機(jī)價(jià)格的0.3%～0.5%）；⑧產(chǎn)品系列化，性價(jià)比優(yōu)異（以最小的投入最大地為用戶節(jié)約飛機(jī)檢修成本，停機(jī)時(shí)間隨之劇減，經(jīng)濟(jì)效益有新增長(zhǎng)點(diǎn)。對(duì)于典型的第三代軍用飛機(jī)以其價(jià)格之0.5%的投入提高機(jī)群平均使用壽命的50%以上[17]）。

4 飛機(jī)壽命管理的技術(shù)革命

4.1 飛機(jī)壽命管理的技術(shù)革命

ICMS技術(shù)是人類信息革命大潮在飛機(jī)壽命管理領(lǐng)域的一個(gè)具體體現(xiàn)。工業(yè)革命時(shí)代，人們?cè)O(shè)計(jì)制造了飛機(jī)，極大地提高了生產(chǎn)力。進(jìn)入信息革命時(shí)代，人們運(yùn)用飛機(jī)使用壽命的信息（如ICMS技術(shù)）更加合理地使用、管理飛機(jī)，使生產(chǎn)力再次得到極大地提高。提高生產(chǎn)力是貫穿于工業(yè)革命、信息革命始終不變的宗旨。這類技術(shù)的推廣應(yīng)用，是航空業(yè)歷史上一項(xiàng)重大技術(shù)變革，是生產(chǎn)力技術(shù)方式在機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化基礎(chǔ)上的進(jìn)一步信息化與智能化；實(shí)現(xiàn)以此類技術(shù)為核心的技術(shù)群的更迭過程，成為在新的歷史時(shí)期起主導(dǎo)作用的技術(shù)，因而其具備技術(shù)革命的性質(zhì)。由于這類技術(shù)的推廣應(yīng)用與飛機(jī)維修產(chǎn)業(yè)密切關(guān)聯(lián)，勢(shì)必帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域維修產(chǎn)業(yè)革命，對(duì)航空企業(yè)經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這類技術(shù)的完善與推廣應(yīng)用將導(dǎo)致元器件制造商、飛機(jī)制造商以及維修商之間爭(zhēng)奪由誰來控制運(yùn)營(yíng)及維修信息，對(duì)航空業(yè)相關(guān)領(lǐng)域人員的生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、科學(xué)試驗(yàn)都有歷史性影響，是技術(shù)革命性質(zhì)的表現(xiàn)。

這類技術(shù)既然能導(dǎo)致維修產(chǎn)業(yè)革命，那就必然會(huì)引發(fā)從事相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)人群利益的動(dòng)蕩。原有的產(chǎn)業(yè)人群利益狀態(tài)已相對(duì)穩(wěn)定，并形成既得利益鏈。既得利益者與穩(wěn)定的利益鏈將對(duì)這類技術(shù)可能引起的動(dòng)蕩自覺不自覺地產(chǎn)生抵觸情緒。中華文化中“求穩(wěn)”的心態(tài)無形中構(gòu)成的保守勢(shì)力也將對(duì)此類技術(shù)的起步產(chǎn)生負(fù)面影響。

人們對(duì)此類問題的認(rèn)識(shí)與覺悟程度、既得利益者與穩(wěn)定的利益鏈等，這些因素構(gòu)成了對(duì)ICMS技術(shù)推廣應(yīng)用起步及成功與否的巨大挑戰(zhàn)。

ICMS技術(shù)與維修產(chǎn)業(yè)革命所面臨的巨大挑戰(zhàn)決定了其發(fā)展也必須擁有巨大的力量。這些挑戰(zhàn)不僅僅是技術(shù)層面上的，在思想認(rèn)識(shí)與傳播、商業(yè)化運(yùn)作、國(guó)際合作等方面皆需克服許多困難。這就決定了其發(fā)展的力量必須來源于廣大的群眾，技術(shù)革命的行動(dòng)是群眾的行動(dòng)。作為群眾行動(dòng)引導(dǎo)者的政府機(jī)構(gòu)應(yīng)是技術(shù)革命發(fā)展的主導(dǎo)力量（這里的群眾是指所有與技術(shù)的研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、組織管理、決策、宣傳等直接/間接相關(guān)的人員，及其所構(gòu)成的一切能夠支持技術(shù)發(fā)展的力量——政府的、民間的、個(gè)人的、國(guó)內(nèi)的、國(guó)際的等）。

產(chǎn)業(yè)革命發(fā)展與所依靠的力量來自社會(huì)發(fā)展的年輕力量或新生力量，如新興商業(yè)集團(tuán)或民營(yíng)企業(yè)。民企是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活力的源泉，也是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)門檻高、投資風(fēng)險(xiǎn)大，研發(fā)周期長(zhǎng)、效益回收慢，是典型的技術(shù)密集高端產(chǎn)業(yè)。美國(guó)和歐盟的經(jīng)驗(yàn)都表明，成功的航空制造體系，既需要國(guó)家的規(guī)劃與推動(dòng)，也需要市場(chǎng)導(dǎo)向和民間資本的積極參與。對(duì)于每個(gè)有思想的企業(yè)家來說，未來的投資取向都將是重大選擇、時(shí)代課題。曾經(jīng)頗具聲勢(shì)的歐洲“尤里卡計(jì)劃”就很值得借鑒。該計(jì)劃的決策者主要是科學(xué)家，沒有企業(yè)家，歐洲很快就嘗到了苦果：大量研究投入沒有換來有價(jià)值的商業(yè)創(chuàng)新。后來歐盟投入2.9億歐元收拾殘局，促進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的商業(yè)創(chuàng)新[18]。政府投入和市場(chǎng)運(yùn)作并舉是ICMS技術(shù)推廣應(yīng)用發(fā)展的總體模式。

對(duì)于監(jiān)控技術(shù)發(fā)展所經(jīng)歷的4個(gè)時(shí)代，在該領(lǐng)域中國(guó)航空業(yè)一直處于跟隨發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)步調(diào)的境遇。而ICMS技術(shù)的推廣應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域?yàn)橹袊?guó)實(shí)現(xiàn)“跨越式”發(fā)展帶來了難得的歷史機(jī)遇。ICMS技術(shù)可幫助中國(guó)跨過某些階段。中國(guó)要縮小與世界的差距，不可能靠循序漸進(jìn)、照搬國(guó)外，必須走跨越發(fā)展的道路。要跨越就必須要有創(chuàng)新，其中理論創(chuàng)新是重要內(nèi)容[18]。ICMS創(chuàng)新技術(shù)與理論的推廣應(yīng)用，對(duì)于發(fā)展中國(guó)家來說，贏得發(fā)展時(shí)間和謀求戰(zhàn)略主動(dòng)都有重大意義。

4.2 ICMS與飛機(jī)翻修延壽

通過翻修確保老飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性（安全性）實(shí)現(xiàn)飛機(jī)使用的壽命延長(zhǎng)是航空業(yè)現(xiàn)在沿用的一種方法。其作法是飛機(jī)停飛進(jìn)廠，大拆大卸，通過無損檢測(cè)檢查發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞、腐蝕等損傷并進(jìn)行加強(qiáng)修理。這種方法實(shí)質(zhì)是在吃飛機(jī)的安全余量。對(duì)于F16和F15飛機(jī)，購(gòu)買新機(jī)的花費(fèi)是翻修老飛機(jī)的5～10倍[19-20]（例如，F(xiàn)15飛機(jī)機(jī)年齡大部分已超過20年，翻修可使它們的使用壽命從8 000 h延長(zhǎng)到12 000 h）。

ICMS技術(shù)使飛機(jī)疲勞危險(xiǎn)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，飛機(jī)不停飛，疲勞危險(xiǎn)被有效地掌握了，風(fēng)險(xiǎn)顯著減小，實(shí)質(zhì)上增加安全余量，在確保安全的基礎(chǔ)上，可最大限度地發(fā)揮出機(jī)群的使用壽命。這比購(gòu)置新機(jī)所需費(fèi)用要低數(shù)十倍至百余倍（如某型飛機(jī)購(gòu)置費(fèi)用2.5億元/架，所給壽命為2 000 h；花費(fèi)150萬元應(yīng)用ICMS技術(shù)可延壽至4 000 h；比購(gòu)置新機(jī)節(jié)省費(fèi)用166倍[17，21]）。

4.3 ICMS與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念變革

SHM與ICMS技術(shù)的完善與推廣應(yīng)用能夠帶動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的革命性轉(zhuǎn)變[10，22]。帶有SHM的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)是其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（靜強(qiáng)度）不可能達(dá)到的，它可使維護(hù)成本和可靠性處于固定水平（而沒有應(yīng)用該類技術(shù)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著使用壽命年限的增加維護(hù)成本增加，而可靠性降低）。這樣在同樣保證結(jié)構(gòu)完整性的條件下，許用應(yīng)力的增加則可降低由裂紋擴(kuò)展確定的飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體重量減小、而結(jié)構(gòu)效率提高。ICMS能更深入地了解機(jī)體結(jié)構(gòu)在各飛行階段（起飛、巡航、加力、著陸等）所受的應(yīng)力，這些信息將使現(xiàn)行的保守設(shè)計(jì)方法得到優(yōu)化而改變，從而降低結(jié)構(gòu)的重量[22]。飛機(jī)總體重量減小了，燃油消耗隨之減少，航材消耗、制造成本……，由此產(chǎn)生的一系列改變所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益對(duì)于航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

4.4 ICMS對(duì)人類環(huán)境保護(hù)

ICMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可使其能夠較快地推廣應(yīng)用，可使民用/軍用飛機(jī)的退役時(shí)間相對(duì)延后，從而大量地減少工業(yè)垃圾，這對(duì)于人類的環(huán)境保護(hù)事業(yè)將會(huì)產(chǎn)生積極的作用?？纯醋湓诿绹?guó)亞利桑納州圖森市全球最大的“飛機(jī)墓場(chǎng)”，面對(duì)這里停放的數(shù)千架飛機(jī)人們就不難認(rèn)識(shí)和理解這個(gè)意義[23-24]。

4.5 ICMS與航空產(chǎn)業(yè)及其他產(chǎn)業(yè)的啟示

在當(dāng)代史上，飛機(jī)維修產(chǎn)業(yè)RCM思想的推廣應(yīng)用，證明了民航飛機(jī)維修管理思想的革命性進(jìn)步對(duì)其他工業(yè)領(lǐng)域的啟示作用與借鑒意義是偉大的[25]。ICMS技術(shù)還適用于艦艇、橋梁、建筑、造船、石油、天然氣、海洋平臺(tái)等以金屬作為主要結(jié)構(gòu)部件的行業(yè)，有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。ICMS技術(shù)已在中國(guó)2010年上海世界博覽會(huì)的世博軸上得到應(yīng)用。

SHM的時(shí)代已經(jīng)到來[26]！效用決定價(jià)值，ICMS的價(jià)值由未來的收益而定，而不是由過去的成本決定[27]。

航空航天業(yè)是全球化的產(chǎn)業(yè)，綜合體現(xiàn)著全人類的智慧。行業(yè)的性質(zhì)決定了ICMS技術(shù)的推廣應(yīng)用在地域上的廣泛性（空間）和時(shí)間的持久性。ICMS技術(shù)革命的組織者、經(jīng)營(yíng)者、參與者及社會(huì)各界，如果對(duì)這一技術(shù)革命的性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，在保守勢(shì)力等負(fù)面影響下很有可能使其巨大的潛力不能發(fā)揮出來而留下歷史遺憾。

5 結(jié)語

真正的創(chuàng)新都具有其獨(dú)特的價(jià)值主張，其強(qiáng)大之處在于淘汰陳舊技術(shù)或其它競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)而促成市場(chǎng)的轉(zhuǎn)型。以“壽命無極限”為價(jià)值取向的ICMS創(chuàng)新強(qiáng)烈地挑戰(zhàn)著現(xiàn)有秩序!最大的挑戰(zhàn)還是來自于人們的陳舊理念。世界上的任何一種轉(zhuǎn)變或革命，首先是源于理念的轉(zhuǎn)變或者是新理念的誕生。理念的轉(zhuǎn)變和新理念的誕生恰恰需要一個(gè)交流平臺(tái)，以便人們能夠在這個(gè)平臺(tái)上，專業(yè)、認(rèn)真、熱情和開放地去進(jìn)行全方位的溝通和討論，在百家爭(zhēng)鳴聲中產(chǎn)生出思想理念碰撞所迸發(fā)的火花?！秹勖鼰o極限：飛機(jī)壽命管理新理念》和《壽命無極限：飛機(jī)壽命管理的技術(shù)革命》就是期望能建立起這樣的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上完善ICMS發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，這個(gè)頂層設(shè)計(jì)是解放思想理念的制導(dǎo)力量。

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[23]林寶慶．漫步美國(guó)空軍異常壯觀的“飛機(jī)墓場(chǎng)”[EB/OL]．（2010-10-20）聯(lián)合新聞網(wǎng)．http：//www.williamlong.info/google/archives/168.html.

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[25]吳興旺．民航飛機(jī)維修管理思想介紹及其對(duì)其他工業(yè)領(lǐng)域的啟示[J]．機(jī)電技術(shù)，2003，26（B09）：326-331.

[26]羅克鈴．SHM時(shí)代，傳感器為橋梁安全編織安全防護(hù)網(wǎng)[EB/OL]．電子工程專輯，（2007-10-29）[2010-10-20].http://www.eet-china.com/ART_8800487338_480501_NT_e5185a24.HTM.

[27]陳志武．金融的邏輯[M]．北京：國(guó)際文化出版公司，2009.

Ultimate Service Life：Technological Revolution For Aircraft Life Management

QI Yan-jie1，2， LV Zhi-gang1，2，LIU Ma-bao1，HOU Li-guo3，LI Li-ren4
（1.Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072， China； 2.Xi′an Jiaotong University， Xi′an 710049， China；3.AMECO， Beijing 100621， China； 4.JingGong Group， Shaoxin 312030， China）

Through the brief review of the developmental process of the control of the aircraft life fatigue damage，life monitoring technique and life management thought，it elaborates the keenness and complexity of the contradiction between flight safety and economic operation.Through the analysis of limitation，advantages and disadvantages of the various currently adopted measures in aviation field，it reveals the inevitability，urgency and extensiveness of the technological revolution of the aircraft life management.It comparatively analyzes the strength and weakness of the different types of techniques of structural health monitoring （SHM）at home and abroad，and proposes “simplicity，reliability，economy and practicability” as the gold standard that determines whether the various types of technique will eventually win.It introduces ICMS technique and its eight advantages，and clarifies the unique status and role of ICMS technique in the technological revolution of aircraft life management.It discusses the nature of the technological revolution of aircraft life management，and the power on which the development of maintenance industry revolution and technological revolution are based，meanwhile，it points out two obstacles and the difficulty faced by the technological revolution of the aircraft life management.It prompts the significance of the ICMS technique toward the revolutionary change in aircraft structural design，the development of aviation industry of China，the environmental protection of human beings，and the inspiration toward other industrial fields.

aircraft′s service life； aircraft life management； technological revolution； ICMS

V221

A

1674－5590（2011）01－0029－06

2010-10-25； 基金項(xiàng)目：西北工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士論文創(chuàng)新基金項(xiàng)目（5211102-0500-G14104）

戚燕杰（1964—），男，陜西西安人，博士，副教授，研究方向?yàn)榭煽啃跃S修性工程與管理.

（責(zé)任編輯：黃 月）