红外热像检测在直升机维护中的应用研究

红外热像检测在直升机维护中的应用研究

吕世龙

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江市哈尔滨150060

摘要：复合材料损伤检测是目前直升机地面维护中急待解决的难题。根据直升机定检要求，应用红外热像检测技术对其旋翼桨叶和复合材料蒙皮进行检测研究。在外部热激励下,由于内部热传导过程的不同导致对应表面温度场分布不均，使得红外热图像能够清晰显示出复合材料构件的内部结构特征或损伤。但目前在外场原位检测方面仍缺乏先进方法和技术手段。为此，开展了将红外检测技术应用于直升机维护尤其是复合材料蒙皮损伤检测方面的研究。

关键词：红外检测；复合材料；直升机维护  

随着越来越多的高科技、小型化的绝缘型新设备在航空领域的实际应用，采用传统的耳听和目测等方式已经很难实现对它们的运行状态作出正确地检测和判断;以往我们一般通过设备停运以及解体的方式对其运行情况进行检测、分析，然而这种旧方式对电力系统的正常运行水平以及经济效益影响较大，为了解决此类问题，相关技术人员积极探索新技术、新手段对运行中进行实时检测，为及时发现设备运行隐患提高依据。该技术检测快速且可视化操作，能为修理或更换方案的制订提供直观的损伤影像和参考数据，在直升机日常和应急维护保障中的应用。

一、红外热像仪原理

红外热成像技术是一种对物体进行热辐射间接扫描并将扫描结果转换成红外图片的非接触红外诊断技术。特别是当它被应用于航空领域实时检测时，将会体现出具有操作安全简单、高灵敏度、高效率检测诊断以及可进行计算分析等一系列优势，因此红外热像技术近年来在国内外行业中的投入使用显得日益广泛。但是，值得注意的是，至今我国还没有开发、研究出较为实用且被广泛认可的红外测温诊断方法以及故障判断标准。所以对于特定设备地故障诊断准确度则主要还是由专业测试人员的专业知识与技能水平决定。目前所使用的红外成像仪主要有光学成像物镜、红外探测器以及光机扫描系统几个部分所组成。通过这些元件把被测物体所发散出来红外辐射能量依次进行相关滤波，主要有空间滤波、光谱滤波，较为先进的设备还将其进行相关软件处理，然后把物体表面的能量分布情况通过红外探测器在光敏元件上得到反映，再把这些模拟信号转换成数字信号，通过以上步骤便可将物体表面的能量分布情况在显示器上以视频信号的方式被人们所阅读。红外成像仪通过一些软件的再加工便可将物体表面的能量分布情况进行精准量化，并且能够在实现可视的情况下，进行进一步的分析。

二、红外热像检测在直升机维护应用

1、检测对象。复合材料由于较高的比刚度、比强度，较好的减重和吸波性能，在直升机制造使用中已得到大量应用。以某型直升机为例，广泛采用了轻合金薄蒙皮的NOMEX蜂窝夹层结构以及KEVLAR纤维、玻璃纤维、碳纤维等高强度复合材料，机身蒙皮中复合材料所占比例已达60％。但由于层间强度低、横向性能差、抗压能力弱等缺点，复合材料蒙皮在日常维护中常因维护工具碰撞、拆装过程中的撞击、人员粗暴踩踏等产生损伤，而在遂行应急任务如抗震救灾、营救人质或战斗人员输送等时，多在简易机场或野外起降，常因旋翼旋转带来的地面沙石或其他异物产生冲击损伤。上述损伤源多为低能量冲击，出现概率高，即使在冲击或撞击表面未留下任何痕迹，也会在结构内部形成局部的脱胶、分层或基体断裂等损伤，导致其抗压强度等力学性能大幅降低，具有极大的隐蔽性和危害性，直接影响直升机的飞行安全。

2、检测原理及设备。红外检测技术属于红外热成像视觉检测，其检测过程与被检材料的热扩散过程紧密相关。红外检测技术通过热激励源进行外部主动加热，当热量加载到试件表面时，热流注入试件并在其内部扩散。由于缺陷／损伤部位与基体材料热特性的不同，缺陷／损伤部位对热量的传递过程不同，其结果导致了材料表面温度分布不均，使得红外热图像中损伤部位的影像与正常部位的影像在明暗或色彩上产生明显的区别。

（1）检测原理。直升机复合材料蒙皮红外检测基于材料的热辐射特性和表面温度场变化，在外部主动加热方式下，通过红外热像仪扫描记录蒙皮表面因内部损伤部位不同热特性导致的表面温度场变化过程，将待测目标发射的不可见红外辐射转换为可见光图像，由对应表面温差或影像变化特点来判别蒙皮内部存在的损伤。

（2）设备组成。用于直升机复合材料蒙皮损伤检测的红外检测设备主要包括便携式电脑、热激励系统和热图像采集系统三个部分。便携式电脑控制硬件系统协调工作，同时作为应用软件运行平台并提供可视化操作界面。热激励系统主要包括脉冲闪光灯和供电电源，用于对被检材料进行外部主动加热，电源集成度高且热激励能量可调。热图像采集系统主要为红外热像仪，将其待测目标发射的不可见红外辐射转换为可见光图像。由于具有高速数据传输能力，因此可对损伤部位的红外热图像进行实时观察和采集。检测系统应用软件在VC++集成开发环境下编写，不仅能完成热像仪控制、热图像采集和热激励方式及时间的选择等功能，同时还能对所采集热图像进行进一步的综合处理和分析损伤面积测量、损伤埋藏深度计算和温度一时问变化曲线等，最终得出分析结论和检测报告。

3、检测实例及分析。在某型直升机定检期间，采用前述红外检测设备对该型机的旋翼桨叶和座舱盖易损部位进行了检测。

（1）旋翼桨叶前“Z”形梁部位检测。旋翼在工作时要承受强大的离心力和复杂多变的空气动力，是直升机上最大的承力部件，对直升机旋翼的维护是保证直升机飞行安全的重要基础。直升机旋翼桨叶主要由大梁、蒙皮、桨根加强层、桨叶蒙皮支撑件(后“Z”形梁和前“z”形梁)、聚氨酯泡沫填料和平衡配重等部分组成，具体如图2所示。旋翼桨叶为变截面翼形结构，桨叶表面涂有聚氨酯保护漆。

（2）座舱盖蜂窝夹芯结构检测。直升机座舱盖顶部为玻璃布蒙皮和Nomex蜂窝夹芯结构，日常对发动机和旋翼进行维护时机务人员经常在该位置上下和站立，长时间脚踏容易导致其面板与内部蜂窝芯脱胶，为此对该部位进行了检测。

图指出了具体的检测部位，其中部位1为机务人员经常脚踏和站立位置，部位2则较少脚踏和站立，座舱盖顶部的红外检测结果，由左向右依次为热激励前、热激励初期和热激励一定时间后的红外热图，较亮部位实际为蒙皮表面喷涂的防滑漆，在此之前复合材料蒙皮表面均喷涂有耐热保护漆，由于两种漆的热辐射特性(热发射率)不同，因此在自然状态下的红外热图特征不同，表现为明暗程度不同看出，随着热传导过程的深入，蒙皮下与蜂窝芯脱胶部位逐步显现，与正常部位相比，该部位已无法辨别出完整的六边形蜂窝芯格，由于较少脚踏和站立，没有出现脱胶，正常区域的蜂窝芯结构轮廓显示清晰。蒙皮下蜂窝中心由于热量无法向深层传递，热量堆积，表面温度较高，相对较亮。而蜂窝芯格与蒙皮黏接较好，热量可沿蜂窝芯格壁向内部传递，吸热大于未黏接部位导致表面温度较低。

结论

结果表明，红外检测技术完全可用于直升机复合材料蒙皮损伤尤其是日常维护和野外起降过程中由于低能量冲击或撞击造成的内部分层、脱胶或基体断裂等的快速检查，通过损伤面积测量、埋藏深度测量等具体功能，可为损伤部位修理方案制订和修理后的质量检查等提供直观的内部浅层影像和准确的参考数据。该技术不仅可应用于直升机维护保障，也可用于其他各类飞机复合材料构件的损伤检测及修理工作中，为复合材料构件的日常和应急维护推广应用。

参考文献：

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