本刊记者 李 丹

卿新林 Qing Xinlin

国家“千人计划”专家

Expert of Thousand Talents Plan

厦门大学航空航天学院教授

Professor of Aerospace Engineering,Xiamen University

清华大学航空航天学院（原工程力学系）博士，美国斯坦福大学航空航天系博士后，第六批中央“千人计划”国家特聘专家，国家外专局高端外专项目《大型客机项目》入选者。现任厦门大学航空航天学院特聘教授、博士生导师、飞行器健康管理研究团队负责人；曾任中国商飞公司特聘研究员、北京研究中心民机健康管理研究部负责人。主要学术兼职有结构健康监测国际航空工业指导委员会技术委员会理事，中国仪器仪表学会设备结构健康监测与预警分会副理事长，民机结构与复合材料北京市重点实验室学术委员会委员，上海民用飞机健康监控工程技术中心技术委员会委员，西北工业大学讲座教授、博士生导师。发表论文130多篇，获得美国授权发明专利16项。

：您是结构健康监测技术领域的专家，尤其是复合材料结构健康监测，请为我们简要地介绍一下结构健康监测技术在先进复合材料中应用的重要性和前景。

卿新林：飞行器结构正朝着大型化与智能化方向发展，结构的大型化与智能化对材料性能提出了更为严格的要求，不仅要求材料具有更高的强度和刚度以减轻结构重量，同时要求材料在特殊服役条件下具有特殊的性能。先进复合材料具有比强度和比刚度高、材料力学性能可设计、易于整体成型等优点，是轻质高效结构设计的最理想材料，在飞行器结构中得到越来越广泛的应用。然而由于复合材料结构本身的特点及所受载荷和使用环境的复杂性，使得复合材料结构的完整性与耐久性分析变得非常困难。现有的设计、制造与检测技术都存在不少限制，复合材料的优越性能在大型结构的应用上还远没有得以充分发挥，其应用增长速度及所带来的经济效益与复合材料所能提供的优越性能还不匹配。

类似于人体的神经网络系统，以永久集成在结构表面或嵌入结构内的分布式传感器网络为基础的结构健康监测（SHM）是确定结构完整性的革命性创新技术。通过在结构上内置的传感器网络，获得结构状态、操作以及服役环境等信息，根据传感数据的诊断结果可进一步用于结构健康状况预判及辅助相应的控制决策，建立基于结构实际健康状况与性能的视情维护策略。在民用航空领域，结构健康监测技术被视为保障复合材料大量使用和提高飞行安全性、降低维护费用的关键技术。结构健康监测技术在飞行器复合材料结构的设计、制造、服役到维护修理的全寿命周期中都具有重要作用。

首先，结构健康监测为复合材料结构服役过程的损伤检测提供有效的技术手段。复合材料结构的缺陷与损伤模式具有不易被观察与检测的特点，如果这些损伤/破坏在产生的初期不能被使用者与维护者及时发现，就有可能导致突发性破坏，造成结构失效，引起意想不到的灾难性事故。现有的无损检测技术在复合材料结构损伤检测中可以发挥一定的作用，但这些技术无法对复合材料结构中的损伤进行实时监测，现场检测局限性大，无法检测隐藏部位的损伤，人工干预多，人为因素影响大，且非常费时,特别是现代飞机的结构尺寸越来越大，大型民机复合材料机翼壁板长达十几米甚至几十米，现有的无损检测技术不仅检测成本相当高昂，而且检测速度和效率都将难以满足制造商、客户及维护部门的要求。与现有无损检测技术相比，结构健康监测技术的优点主要体现在：实时监测结构状态、人为干预少、无需进入被检测区域。

结构健康监测是变革飞行器传统的结构维护策略、实现视情维护的基础，基于飞行器复合材料结构实际状态的视情维护将保证维护工作的科学性，避免维护过剩或者维护不足现象，使维护任务处于合理状态，是新一代飞行器维护技术的发展趋势。特别是基于结构损伤预测的预测维修将使复合材料结构的维护管理更加积极主动、提前介入，以进一步提高飞行器的安全性和经济性。

结构健康监测在复合材料结构的制造过程中可以发挥重要作用。制造成本过高与产能太低是大型复合材料结构制造技术中需要解决的主要问题，这也是工信部在智能制造2025中要解决的关键问题。比如，复合材料树脂传递成型（RTM）制造工艺在复杂大型三维结构制造方面具有低成本与大批量生产的潜力，但目前缺少对RTM工艺过程的实时监控，产品质量难以保证。结构健康监测技术在RTM制造工艺中能够实时确定三维树脂流动前沿，检测孔洞和异物，监测局部材料特性和固化度，并提供树脂流动、固化和缺陷缓解的主动反馈优化控制技术，从而提高质量、增加产量、降低成本和废品率，实现大型复合材料结构的智能制造。

我之前总会认为，在越野活动中，速度应该远排在驾驶技巧或者车辆通过性这些因素的后面，但全新AMG G 63却用实际行动告诉我，速度在很多时候同样重要。虽然每次短暂休息时，发动机舱内的风扇都会用巨大的轰鸣声告诉我这套动力总成和驱动系统刚才是有多么努力，但当我再次在积雪中磨炼自己的双手和双脚时，它们却总会给我提供最为可靠和充沛的前进力量。

同时，结构健康监测在基于损伤容限的结构设计中可为结构减重提供技术支撑。现有假设隐藏损伤存在于复合材料结构中的保守设计方法未能使复合材料的优越性能得到充分的利用，由于结构健康监测系统能够提供结构在整个服役过程中的健康状态，微小损伤能得到及早发现并及时维修，从而改进基于目视检测的损伤容限设计理念。

：结构健康监测技术的国内外研究现状如何？您所带领的团队作了哪些研究工作？

卿新林：美欧国家非常重视航空航天工程结构健康监测技术的研究，到目前为止，无论是在基础理论研究，关键技术攻关，还是装机验证及实际应用，结构健康监测技术都取得重要进展，在美国NASA及DOD的多个研究项目中都采用了结构健康监测技术。在民用航空领域，波音、空客、巴西航空、庞巴迪等公司也非常重视结构健康监测技术的研究与应用，他们一方面不断获取新的结构健康监测技术，一方面开展技术成熟度较高的结构健康监测技术的装机验证，比如他们几年前就开始了基于压电传感器的结构健康监测技术的飞行验证试验，为结构健康监测技术在民机结构（特别是复合材料结构）上的推广应用奠定了较好的基础。

国内学者在飞行器结构健康监测的一些单项技术原理性研究方面一直紧跟美欧国家，取得了一批有重要影响的学术成果。近年来，国内结构健康监测技术的研究突飞猛进，在某些方面，已经处于国际先进水平。由中航工业飞机强度研究所牵头承担的工信部民机预研项目民机复合材料结构健康监控技术对撞击载荷与损伤的监测、光纤应变测量的基本原理进行了大量研究，提高了这一技术的成熟度。中国商飞公司北京研究中心在工信部民机预研专项以及北京市科委等的支持下，协同南京航空航天大学、大连理工大学、北京大学、清华大学以及中国商飞公司客户服务中心等对大型民机结构健康监测的体系构架与系统集成关键技术进行了大量研究，提出并建立了大型客机集成化结构健康监测技术体系构架，奠定了基于分布式传感器阵列的大型民机结构健康监测技术的理论基础；根据大型民机未来运营维护技术支援的需求，建立了大型民机结构健康管理数据库框架，提出了结构健康监测技术实施流程和基于结构状态的视情维护策略。这些工作为民机复合材料结构健康监测技术进一步研发与应用奠定了坚实的基础。

尽管国内在军机上对基于压电传感器、光纤传感器以及智能涂层等的结构健康监测技术进行了少量的装机验证，但到目前为止，还没有开展任何形式的民机结构健康监测技术飞行验证试验。国内迫切需要利用各种可能的资源，在不断研究新的结构健康监测技术的同时，开展成熟度较高的民机结构健康监测技术的飞行验证，进一步提高结构健康监测的技术成熟度，尽快推广复合材料结构健康监测技术的应用，为保证国产大型民机的安全低成本运营、提高市场竞争力提供技术支持。

本人自2010年10月回国加盟中国商飞公司北京研究中心后，在工信部民机预研专项、国家自然科学基金和863计划等的资助下，和团队成员一起对大型民机结构健康监测的体系构架与系统集成关键技术进行了大量研究，提出了提高压电传感器高应变承受能力的预压应力法和应变传递方式优化法，发展了大型传感器阵列技术、主被动一体化监测技术以及多功能信息处理技术，建立了集主被动传感为一体的定量化和高可靠性的结构健康监测系统，创建了大型民机集成化结构健康监测技术试验与验证平台；同时对结构健康监测的前沿技术开展了一些探索，比如提出和发展分布式多功能复合材料结构状态探测技术、智能螺栓技术等。

目前，我所在的厦门大学飞行器健康管理研究团队正在开展飞行器全寿命周期的健康管理研究，主要包括先进传感技术、复合材料机体结构以及发动机的健康监测与安全评定，复合材料结构的视情维护策略以及先进维修技术的研究。

：航空领域国内外的主要差距在哪些方面？从您的研究领域来看还有哪些技术需要攻克？

卿新林：在民用航空领域，近几年国内取得了很多重要进展，比如ARJ21交付使用、C919成功总装下线、远程宽体客机研制即将开展。但无可否认，国内航空领域与美国相比还存在较为明显的差距，这种差距主要体现在两个方面：一是关键技术与经验的拥有，一是技术创新。比如，在复合材料结构的应用上，先进设计分析手段及技术体系缺乏，高性能材料体系未充分验证，制造技术自动化程度低，结构维护保障技术体系不足，适航经验缺乏。在新技术的应用上，国际上的主要航空公司都非常重视技术创新，比如空客公司甚至提出Innovation to Business （I2B）的理念，他们投入大量人力物力支持技术创新。而我们在民用航空领域主要是跟踪和研究波音、空客公司已经在使用的成熟技术，对他们正在研究并在未来型号上有很好应用前景的新技术的关注与研究投入很少。

在我所从事的复合材料结构健康管理领域，目前需要攻克的主要技术难题是发展复合材料结构从“生”到“老”的全寿命周期健康管理技术。包括在“生”——制造阶段，如何实现自主性和智能性，以确保结构的高质量；在服役阶段至“老”——修补阶段，如何有效监控结构状态，充分发挥其潜在效益。具体说来，就是要以分布式多功能传感器网络技术为核心，发展基于结构健康监测的飞机复合材料结构设计、寿命预测和维护新方法，创建面向飞机复合材料结构全寿命周期健康监控的决策支持基础理论。攻克这些难题可彻底改变复合材料结构设计方法、制造工艺以及检测与维护技术，对于实现复合材料结构功能一体化、充分利用复合材料的优越性能、大幅降低复合材料制造与运营维护成本具有重要的理论意义与应用价值。

：在国家各项政策的支持下，飞行器健康管理将会迎来怎样的发展机遇？

卿新林：在“十三五”规划提出的国家计划实施100个重大工程及项目中，多个项目涉及到航空航天领域，这对我们航空航天领域的科技工作者来说，无疑是一个自己施展才华同时也为国家贡献力量的极好机会。需要特别提出的是，在工信部于2015年10月30日中发布的《中国制造2025》重点领域技术路线图中，明确将“突破飞行器健康管理瓶颈技术，实现在新装备上的初步应用；提高健康管理的智能化、综合化水平，建立以网络为中心的智能化服务保障体系”作为“航空航天装备—飞机”领域的5个关键共性技术之一；将“先进健康管理系统整机验证；主动综合控制的健康管理系统和整机验证”作为“航空航天装备—航空发动机”的7个关键零部件之一。毫无疑问，在今后相当长的一段时间内,飞行器健康管理将是航空航天领域的一个重要发展方向。