航天器健康管理技术研究

航天器健康管理技术研究摘要：航天器健康管理技术对于保障航天任务的顺利实现、节省发射、运

营成本、避免财产损失和人员伤亡有着重要作用。本文总结了国内外航天器健

康管理技术的发展状况以及最新成果，总结了航天器健康管理技术存在的问题

以及发展的方向。介绍了我国航天器健康管理研究与世界先进水平的差距，结

合我国特点，探讨了我国健康管理技术的研究重点。

1 引言

航天任务具有政治影响大、风险高、投资大、周期长等特点，因此保证航

天任务的顺利实施对任务和国家来说都是一个重要目标。航天器以及有效载荷

通常都是高可靠性设计的，但是由于空间环境的复杂性以及地面测试条件的局

限性，航天器以及有效载荷在运行时仍然会出现故障。尽管现在各个国家都开

展了航天器故障方面的研究，但由于是航天器系统是一个典型的复杂系统，这

类系统的特点就是子系统交互关联，在其性能、功能提高的同时，由于组成环

节和影响因素的增加，发生故障的潜在可能性也在增大，甚至有的故障可能会

发生连锁反应，引起整个任务流程的失败甚至引起整个系统的瘫痪。

航天器的健康管理技术是对航天器以及有效载荷进行故障预测、故障诊断、故障隔离、故障处理决策、部件性能跟踪、趋势预测等方面实现自主保障的一

门技术，对于控制航天器以及有效载荷的风险、降低保障成本、缩减维护规模

具有现实意义。航天器健康管理技术是在故障诊断技术的基础上发展起来的，

尤其是像航天器这样的复杂系统健康管理技术（Complicated System Intergraded Health Management，CSIHM）是集测试技术、人工智能、信息技

术为一体的综合应用，从故障监测、诊断、隔离、重构（Fault

Detection ,Isolation , R econfiguration , FAIR）技术一步一步发展演变而

来的，将管理功能扩展到自主重构、资源重组以便安全、有效地实现任务目标。

2研究状况

现在各个航天大国都在开展航天器健康管理所技术的研究，NASA更是将其

定为航天器健康管理技术放在21世纪太空飞行技术需求的第一位。NASA的航

天器健康管理研究项目由X-33/X-34/X-37，军用飞机项目有F-18，F-22，JSF，UCAV等，美国的的健康管理技术有两个典型代表，一是运载器综合健康管理技

术（Vehicle Integrated Health Management，IVHM），二是JSF项目提出的

预测与健康管理技术（PHM）。

2.1 IVHM

IVHM 是NASA 近些年在其可重复使用空间飞行器( reusable launch vehicle, RLV) 项目中正式提出的,它是在飞行器系统中集成和应用先进的软件、传感器、智能诊断、数字通信、系统集成等技术, 来实现对飞行器系统智能的、系统级的健康评估和控制、信息和决策管理, 帮助操作人员完成飞行任务、减

小风险和危害。

IVHM是NASA在运载器健康管理（Vehicle Health Management，VHM）技

术的基础上提出的，VHM技术最初在NSL-1、NSL-2火箭项目上应用实施，VHM

的另一应用对象是X-33，此项目将具有对飞行器各个子系统故障监测和功能管

理模块集成封装于两个LRU 单元内, 成为VHM 计算机, 分为3 个子系统: 通

过远程健康节点( remote health node, RHN) 组成智能传感器网络采集飞行器结构、机械和环境等数据; 监测和记录6 条MIL-STD2 1553 总线的通讯状况; 通过使用分布式光纤温度、氢气、应力传感器监测低温油箱。以X-33 的这种

硬件组成及功能结构为基础的VHM系统在随后的X-34、F/ A-18、DS-1、K-1 、X-37 等项目中得到了验证和发展, IVHM 技术从概念到系统结构、功能、硬件

组成等方面也有了完善和提高, 如X-34 中对硬件的升级、F/A218 对嵌入VHM 软件工具Livingstone 的升级和在X-37 视情保障中的应用。

伴随IVHM 的发展, 也出现了许多用于VHM 的诊断推理工具, 如:Ames 研

究中心开发的Livingstone 诊断推理工具, 成功用于DS-1、X-34、X-37 等; JPL( Jet Propulsion Laboratory)开发的推理工具SHINE 和诊断工具BEAM,成功用在X-33 等中; 此外还有基于模型的推理机TEAMS成功用在K-1 等中、基于模型的软件工具FACT。

新型的传感器、先进的诊断推理算法和系统集成方法等的应用也成为

IVHM 技术发展的重要成果。

综上所述, IVHM 已经得到一定发展, 但还不完善, 尚处于原理、部分功能和概念的验证阶段, 目前还没有具备完整IVHM功能的系统

2.2 PHM

20世纪90年代末,随着美军重大项目F-35 联合攻击机(JSF)项目的启动,

为预测与健康管理( PHM)技术的诞生带来了契机。PHM是JSF项目实现经济承

受性、保障性和生存性目标的一个关键所在。JSF的PHM系统是当前飞机上使

用的机内测试(BIT)和状态监控的发展,这种发展的主要技术要素是从状态(健康)监控向状态(健康)管理的转变,这种转变引入了故障预测能力,借助这种能力从

整个系统(平台)的角度来识别和管理故障的发生。其目的是减少维修人力、增

加出动架次率、实现自主式保障。

PHM 主要是利用先进传感器的集成, 并借助各种算法和智能模型(如模糊逻辑等) 来预测、监控和管理飞机的状态, 主要包括以下一些功能: ①故障检测; ②故障隔离; ③故障预测; ④残余使用寿命预计; ⑤部件寿命跟踪;

⑥性能降级趋势跟踪;⑦故障选择性报告: 只通知立即需要驾驶员知道的信息, 将其余信息通报给维修人员; ⑧辅助决策和资源管理; ⑨信息融合和推理机;信息管理: 将准确的信息在准确的时间通报给准确的人员