飞机测试

p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp FLIR公司研制了一种新型热成像仪，或可改观飞机中复合材料湿气检测问题。 /p p style=" line-height: 1.75em text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/a06fa3cb-1eeb-45d6-b8aa-6e236e7fbf77.jpg" title=" 1-9-2.jpg" width=" 450" height=" 268" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 450px height: 268px " / /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 对于一架飞机来说，由于质量和强度要求，其机身结构大多使用碳纤维等复合材料。使用这些复合材料的飞机结构基本都保持了一种“蜂窝”状，一旦水蒸气等湿气进入这种结构，飞机将变得十分危险，但这种情况又是难以避免的。当飞机飞行到一定高度时，遇到高空中的冷空气，这些湿气会凝结成冰。这样一来，材料会被张裂，原本稳定的“蜂窝”结构变得脆弱。而如果这个过程反复的发生，材料结构遭到破坏，会严重影响飞机飞行的稳定性。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 由于湿气的危害，检查飞机中的湿气就变得尤为重要。众所周知，热成像仪是检查飞机结构是否进入湿气的一个重要的工具。通常，进行这项检测最好的时间段是飞机降落后的一小时以内，因为在这个时间段中，飞机部件材料与冷冻液之间的温度差达到最大值，会在成像仪中形成足够明显的对比度。但当一架飞机停放在机场几天之后，没有办法得到完美的成像效果时，又该如何进行检查呢？答案是：FLIR公司研制的新型热成像仪。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp strong & nbsp 热成像仪检查的优势 /strong /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp Thermografisch Adviesbureau BV是一家在检测湿气是否进入飞机结构方面具有多年经验的公司。这家公司的老板Ralf Grispen表示：“热成像仪进行检测是一种高效快速的检测方式，而传统的检测方法，例如通过锤子敲击材料表面，通过听声音的差别进行检测等与之相比准确度较差且受时间影响。此外，热成像仪可以通过温度差来展示飞机结构的全貌，并且可以清晰的展示出水分的分布。最重要的是，热成像仪可以报告、分析并且解释可能隐藏的大量湿气”。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp strong & nbsp 热量差的挑战 /strong /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp Ralf Grispen先生接下来补充道：“使用热成像仪来检测的最佳时间是飞机降落后的一个小时之内，这是你可以得到复合材料和湿气之间差别效果最好的热量图像”。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 由于湿气和复合材料具有不同的热性能。当加热或冷却达到热平衡后，可以观察到湿气和材料之间的不同。通过热成像仪，可以清晰的观察到材料表面热量分布。然而，要想一直得到好的热分析效果仍然是困难的。在2015年，Thermografisch Adviesbureau BV的团队受邀来到波音公司进行一家飞机机翼的检测，这架飞机在几天前已经停放在飞机库中。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “在这种情况下，由于飞机库的密闭环境，湿气和飞机结构材料之间的热量差并不明显。因此在飞机降落后检测才是最佳的。我们想挑战这个热量差的难题，于是我们通过各种方法来增加热量差，一种方法是进行加热让被检测的材料达到一个恒定的温度，这种方法通常也叫做加热热成像。但其缺点是通过加热后会发生短暂的热传导效应而使图像不稳定。尽管加热热成像是一种精确度高的检测方法，但是实际情况下却应用较少。因为为了得到这样一个热量成像图是非常消耗时间的，而且性价比比较低，所以这并不是一个很好的选择。Ralf Grispen先生向我们讲述了他们的主要思路。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp strong 热成像仪的成功 /strong /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 为了满足热量差的需求，Thermografisch Adviesbureau BV的团队需要进一步的探究。他们首先决定在飞机库中使用移动冷库以及干冰直接冷却机翼，通过这种方法来尽可能模拟飞机的飞行环境和飞机降落后的热量差。此外，通过操纵起重机来移动机翼保证了每个结构可以得到仔细的检查。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “我们希望可以向客户也同时向自己证明研发的热成像仪的效果。我们准备了一个小的测试样本，该样本具有和波音客机上机翼相同的材料，向其中注入水分，之后进行下一步的检测。通过FLIR P660型热成像仪我们成功的进行飞机复合材料的进水检测，通过所得到的热成像图和原图进行比对，清晰的发现了这些水分的存在“。Ralf Grispen先生补充道。 /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp strong & nbsp 保证检测的质量 /strong /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 针对上述情况，Ralf Grispen先生推荐了一款FLIR P660型的热成像仪。“通过多年的使用证明FLIR P660型的热成像仪是一台可靠的热成像仪，可以提供清晰度较高的分析图片以及详细的数据。” /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 最后他表达了自己对于热分析仪的看法，“未来热成像仪在飞机工业上会扮演更为重要的角色，尤其是随着越来越多的复合材料在飞机上得到应用，这种重要性会进一步放大。热成像仪作为飞机进水检测的主要方法，拥有着其他方法无法比拟的性价比，对于保证飞机结构和乘客安全，选择热分析仪是必须的”。 /p p br/ /p

新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，对其装配质量、精度等提出更高的要求。装配中几何尺寸、物理损伤等的高精度测量是调控飞机装配工艺、保证装配指标的基础和关键，对飞机服役性能有着重要的影响。本文围绕新一代飞机结构尺寸大幅增加、承力结构复材化发展下的需求，论述了大型飞机装配中高精度测量技术的研究进展，具体从大空间点位高精度测量方法、大型结构外形高精度测量方法、复合材料结构装配缺陷高精度检测技术等方面对国内外理论研究和技术应用进行了梳理和总结，并指明相关技术的未来发展趋势和前景。1 飞机装配那些事儿 飞机装配是飞机制造的关键环节，装配过程中涉及的学科范围广、技术标准要求高，属于典型的高端装备制造技术。飞机装配是将各种零、组、部件按照规定的技术条件和质量要求进行配合与连接，并进行检验与试验的工艺过程，装配的质量直接决定了飞机产品的外形精度、制造质量和服役性能等。 新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，其制造也向着高精度、低成本、柔性化、智能化等方向转变，对装配的精度、效率与质量均提出了更高的要求。此外，以纤维增强型复合材料为代表的轻质高强材料也逐渐由次承力结构升级为主承力结构。对此，开展大型飞机的大空间高精度测量、复合材料损伤的高精度检测方向的研究，是新一代飞机高效、高质装配的强有力支撑。图1高精度测量技术在飞机装配现场的应用2 飞机装配大空间测量场高精度测量方法 传统大空间测量场多使用单台或者单种测量设备进行构建，为满足大尺寸部件的高精度测量需求，组合式测量系统应运而生。通过组合多个测量设备或不同测量系统，往往可以达到一个较好的效果。 由于大空间测量场的特点，需要对其进行坐标配准，即将测量点坐标转换到全局坐标系下，并将数据进行融合。坐标配准、环境等因素往往会影响测量场的精度，所以还需要对测量场进行不确定度评估，并对误差进行补偿。因此，测量场配置优化、坐标系配准和不确定性评估等三个方面的内容是影响大空间测量场测量精度和效率的关键技术。图2 组合式大尺寸测量3 飞机大部件装配外形数字化高精度测量方法 飞机装配是保证飞机外形精度的重要环节，提高飞机部件装配外形检测水平对于提升飞机制造质量具有重要意义。飞机装配部件外形尺寸大、曲面形状复杂、型面测量数据量大，传统单一测量设备测量精度和效率之间的矛盾突出。随着近年来数字化测量技术的不断发展，其广泛应用于飞机大部件装配外形测量过程中，尤其在飞机大尺寸外形轮廓检测、飞机蒙皮对缝间隙、阶差检测以及铆钉平齐度检测等应用中展现出较大优势，这归功于其测量精度和效率的提高以及测量范围的扩大。在测量过程中会产生大量的点云数据，对大规模点云数据进行有效的优化处理对后续测量模型建立的准确度以及相关测量数值的精度十分重要。本章将具体针对数字化测量技术在飞机外形轮廓及蒙皮表面质量检测过程中的应用以及大规模点云数据的处理方法展开介绍。3.1　飞机大尺寸外形轮廓高精度检测航空产品中的大部件装配曲面外形准确度决定着飞机的气动/隐身性能，采用合理的方式对飞机大部件装配外形进行检测尤为重要。飞机曲面外形具有尺寸大、形状复杂、测量数据量大的特点，通常采用数字化测量方法实现大部件外形的高精度测量。早期数字化测量多采用接触式测量方法，以三坐标测量机为代表，常应用于整体叶片型面、中间整流罩的检测过程中。接触式测量具有测量精度高的优点，但缺点是效率低、易划伤目标表面且无法实现自动化测量。激光扫描法、结构光法、激光雷达法、摄影测量法等非接触式测量方法的出现提升了测量范围和测量效率，而且可开发性和自动化程度高的特点使它们在飞机大部件外形自动化测量方面展现出优势。表1列举了几种数字化测量系统并对其主要参数及优缺点进行了分析对比。表 1. 外形数字化测量系统对比但随着测量要求的进一步提高，单一设备无法兼顾测量精度和测量效率的矛盾愈发明显，近年来许多学者通过构建数字化组合测量系统，使设备性能互补，从而提高测量精度与效率。将关节臂测量仪、激光跟踪仪以及摄影测量组合，在飞机内襟翼上翼面外形精度测量上进行应用与验证，在保证外形测量精度的同时进一步提高了测量效率。此外，结合结构光重建和摄影测量技术也可实现高精度、高效率、非接触的大尺寸飞机结构外形的三维重建，精度可达到亚毫米量级（0.16 mm以下）。如图6所示。图 3 基于后方摄像机视觉定位的全局三维重建原理图为了进一步提升飞机大部件曲面外形的测量精度，需要对数字化测量系统进行站位规划与测量轨迹规划。测量仪器的站位规划是数字化测量的前提，站位的合理性直接影响着测量效率和精度。早期测量站位主要由操作者的经验决定，往往需要反复调整才能满足测量要求，测量效率低，难以满足现代飞机高效的测量需求。针对激光雷达测量飞机大部件外形测量需求，采用基于区域生长算法的站位规划方法得到初始站位，之后引入测量不确定度对其进行优化，该方法相比于经验法和聚类算法更具可行性和有效性。而对于飞机大型蒙皮柔性测量系统，效率优化的扫描站位规划被提出，提升了扫描效率和完整性。此外，规划轨迹可以使测量设备在满足测量条件的情况下充分发挥性能，最大程度上降低系统误差，提高扫描数据的精确度，从而提升测量精度与测量效率。对于包含激光跟踪仪和工业机器人的自动化扫描系统中的测量轨迹规划问题，首先在CATIA中按照结构特征类别进行轨迹的初始规划，之后对测量误差进行分析，建立系统误差预测模型并通过粒子群算法对测量轨迹做进一步优化，可达到快速找到满足扫描约束的同时系统误差最小的姿态的目的，从而提高曲面扫描的测量精度。为了提升结构光的检测精度，一种以改进贪心算法为基础的覆盖路径规划方法被提出，降低了视点数目，提升了结构光检测精度，从而提升了曲面外形测量精度，如图4所示。图 4 测量不确定度对比图。（a）文献方法；（b）目标采样法3.2　飞机部件外形表面质量高精度检测高精度数字化测量技术也广泛应用于飞机外形表面质量检测过程中，包括蒙皮对缝检测以及铆钉平齐度检测等。飞机蒙皮主要通过铆钉固定在机翼骨架外围，其作用是维持飞机的气动外形，必须承担一定的局部气动力，装配时要保证蒙皮对缝的间隙及阶差在允许范围内。此外，蒙皮表面铆钉平齐度对飞机的隐身性能及气动性能也有着比较重要的影响，随着新一代战机对隐身性能及气动外形的要求越来越高，相应地对飞机蒙皮铆接质量提出了更高要求。传统的蒙皮对缝检测采用塞尺测量，对人工操作要求高、效率低、误差较大，且不能有效采集和处理测量数据。随着数字化测量技术的不断发展，为了提高缝隙测量的精度和效率，国内外学者以线结构光视觉测量和激光扫描为代表的非接触测量方法应用于对缝检测中，如图8所示，相关的数字化检测设备，包括美国Origin Technologies公司的Laser Gauge系列产品、德国8Tree公司的Gap Check相关产品等均采用非接触测量方法快速测量蒙皮阶差和间隙。线结构光视觉传感器可以实现对蒙皮对缝阶差与间隙的尺寸测量，阶差和间隙的重复测量精度分别达到了0.04 mm和0.05 mm以下。针对二维激光对缝检测多次测量重复精度不高的问题，基于三维激光扫描的蒙皮对缝检测方法被提出，其间隙和阶差测量精度可分别达到0.04 mm和0.02 mm。此外，有学者利用机器视觉的方法，提出了一种基于改进优化算法的飞机蒙皮对缝视觉测量方法，达到精确测量蒙皮对缝间隙的目的，测量精度达到了0.02 mm以下。图 5 基于线结构光的阶差与间隙测量模型对于铆钉齐平度的检测，传统的检测靠人工抽检来实现，即采用传统卡尺或指针式三脚千分表手动检测，测量误差大且有较大局限性。非接触式数字化测量技术在铆钉平齐度检测方面同样展现出优势，构建双目多线结构光测量系统对铆钉齐平度进行测量，可实现对蒙皮表面铆钉头部凸台或凹坑特征的精准测量，精度可达到0.03 mm以下，但该系统无法同时测量多个铆钉。而基于3D激光扫描仪的图像采集系统，利用深度学习算法分析处理采集到的图像，可以同时检测多个结果，效率高，重复检测精度达到0.015 mm，精度相比人工抽检提高较大。此外，针对铆钉逐一检测任务量大且检测可靠度低的不足，基于面结构光的铆钉平齐度检测方法先提出了一种图像噪声轮廓分割方法，之后基于图像-点云映射策略实现了快速且稳定的分割铆钉点云，铆钉平齐度测量偏差达到了0.006 mm以下。如图6所示。图 6 铆钉标准件及平齐度测量结果。（a）标准件；（b）测量结果随着近年来数字化测量技术的不断发展，其广泛应用于飞机大部件装配外形测量过程中，尤其在飞机大尺寸外形轮廓检测、飞机蒙皮对缝间隙、阶差检测以及铆钉平齐度检测等应用中展现出较大优势，这归功于其测量精度和效率的提高以及测量范围的扩大。在测量过程中会产生大量的点云数据，对大规模点云数据进行有效的优化处理对后续测量模型建立的准确度以及相关测量数值的精度十分重要。4 面向复合材料装配缺陷的高精度检测技术 航空复合材料具有重量轻、比刚度大等优点，既能减轻飞机重量，也提高了飞机的整体互换性，方便维护，在飞机制造领域得到了广泛的应用。但此类复合材料由于装配时的应力变化会产生脱粘、分层、夹杂等装配缺陷，对产品的安全使用及长时间服役造成严重威胁，因此需要对复合材料装配过程中产生的缺陷进行高精度检测。 针对不断装机应用的各种新的航空复合材料、新的复合材料成型工艺、新的复合材料结构和新的检测与缺陷评估要求，从检测方法分类上，主要体现在：激光检测、超声检测、X射线检测和太赫兹检测技术等。近几年，随着众多学者对信号处理、图像处理和三维信号重构等技术的研究，使得检测精度和缺陷数据后处理能力逐步提升，面向复合材料装配缺陷高精度检测方法及技术逐步趋于智能化、自动化、可视化。图4 复合材料缺陷三维可视化[1]5 飞机装配测量为我国飞机制造保驾护航 大尺寸高精度测量技术已经成为但广泛应用中的核心关键技术尚处在积累阶段，需要不断的应用验证。数字化测量系统正朝着便携、网络、高效、精密方向发展，飞机装配大尺寸高精度测量技术也已从单一技术走向多传感器技术的融合。 对于飞机装配大空间测量场高精度测量，传统方法多基于单台或单种测量设备，导致精度及效率不足，通过测量场配置优化、坐标系优化、精度评估与补偿等技术来提升测量场的构建效率及精度是当前及未来的提升方向。而对于飞机大部件装配外形数字化高精度测量，飞机部件装配外形尺寸大、曲面形状复杂，型面测量数据量大，单一设备测量精度和效率之间矛盾突出。通过优化测量轨迹、提高视觉检测精度、大规模点云数据融合等技术手段充分发挥各测量设备的优点，来保证飞机大尺寸外形轮廓和飞机外形表面质量检测应用过程中的效率及精度。 因此，组合式数字化测量系统及多技术的融合研究是未来发展和提升的重要方向。在保持高检测精度的前提下，智能化、可视化、自动化的无损检测是未来的发展方向。 在数字化工厂和智能制造的背景下，根据目前大型飞机装配中的高精度测量技术及系统的特点，未来应立足于具体型号及实际应用场景，深入开展高精度测量技术及系统的应用和研究，并形成相应技术体系，充分发挥数字化高精度测量技术的优势。未来，多数字化测量系统协同工作，大空间数字化测量场构建，部件装配外形数字化及装配缺陷检测，这对提高我国飞机制造的水平和核心竞争力具有十分重要的意义。参考文献：[1] Qin L, Zhang S, Song Y, et al. 3D ultrasonic imaging based on synthetic aperture focusing technique and space-dependent threshold for detecting submillimetre flaws in strongly scattering metallic materials[J]. NDT & E International. 2021, 124: 102523.原文下载：张开富, 史越, 骆彬, 童长鑫, 潘婷, 乔木. 大型飞机装配中的高精度测量技术研究进展.pdf通讯作者介绍 张开富，西北工业大学教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授、冯如航空科技精英奖获得者，飞行器高性能装配工业和信息化部重点实验室负责人，兼任中国图学学常务理事、中国机械工程学会生产工程分会技术委员会委员。长期从事航空航天制造领域先进装配与连接、结构损伤及疲劳等研究工作，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、重大型号攻关计划等项目近20项，发表高水平学术论文70余篇、授权中国发明专利27件，主持制定航空行业标准2项，以第一完成人获国家科学技术进步二等奖、陕西省自然科学奖一等奖、陕西省科学技术一等奖各1项。课题组介绍 西北工业大学航空宇航装配团队依托于工业和信息化部重点实验室、西北工业大学航空宇航科学与技术学科（A+学科、双一流学科），获批陕西省科技创新团队、国防科技创新团队，长期从事航空航天领域装配建模与优化、先进装配与连接工艺、复材结构设计制造、智能测试技术与工艺等方向研究。团队拥有正高级职称人员6人（其中国家级人才3人）、副高级职称人员6人，硕博士研究生80余人。近年来，团队承担国家级科研项目30余项，授权国家发明专利50余项，在Composite Science and Technology、IEEE Transactions on Robotics、Additive Manufacturing、Composites Part B、航空学报、复合材料学报、机械工程学报等期刊发表学术论文百余篇，参与制定行业标准/型号研制规范10余项，研究成果在运20、C919、ARJ21等我国航空航天重大型号得到持续工程应用，先后获国家科学技术进步二等奖1项、省部级一等奖2项、其他省部级奖励5项。

如果让你想象未来的飞机长什么样？你的脑海中会浮现出什么样的画面？肯定会有科幻电影中造型古怪的各种飞行器也许不久的将来这样的飞行器就会出现在天空中飞机的研发过程是一项严谨的工作今天小菲就来带大家瞧瞧FLIR热像仪是如何助力飞机研发过程！✦ 飞机研发中温控的重要性✦ 一家总部位于英国的空气动力学研究机构——飞机研究协会（ARA），致力于为世界主要商用飞机和国防制造商提供创新项目。它最近开始测试一种长期理论，随着各国迈向净零排放，该理论可能会使长途航班更有效率。ARA在测试过程中使用FLIR红外热像仪证明了其理论的正确性，这项研究将对提高未来飞机设计的飞行效率产生直接影响。✦ 使用热像仪可视化气流✦ ARA希望测试其混合层流控制理论，该理论提出，在飞机机翼前部创建多孔部分将控制气流的过渡点，以减少湍流的影响并提高燃料消耗。ARA运营着一个大型跨音速风洞，本质上是一个高速风洞，速度高达1.4马赫（1000英里/小时），用于测试飞机模型。由于空气在如此高的速度下会产生湍流，气流的过渡点变化不到1℃，因此需要非常精确的热测量。此前，它使用的是热膜测量仪，然而这些测量仪只能测量到温度下降，却看不见温度状况，而且它们是通过粘合会干扰机翼表面。幸好，FLIR高清红外热像仪使ARA能够在不影响空气动力学的情况下清晰观察气流的变化，它确保了在测试和识别过渡点时具有更高的准确性。为了实现这项技术并进行测试，ARA需要一个集成合作伙伴。它选择了Teledyne FLIR的英国集成商合作伙伴Thermal Vision Research，后者将FLIR T1K热像仪借给ARA进行研究。ARA已经在风洞中使用了两台FLIR A655C红外热像仪来测试温度变化，当有机会使用更先进的热像仪来开发测试，以查看结果有何不同时，这似乎是更完美的选择。ARA光学测量系统部的Neil Stokes说：“我们与Thermal Vision Research的Matthew Clavey的关系可以追溯到很久以前。我们一直在研究整个站点的热成像技术。我看过几家公司的演示，但很多都是基于经验和对特定分销商或供应商的信任。Matthew真的很乐于助人，所以他把热像仪借给我们尝试了一周。每当我们有问题时，他都会给出正确的技术答案”。✦ T1K热像仪：提升准确性✦ 在完成测试之前，ARA进行了试验，以确保将FLIR T1K热像仪安装在隧道中，可以远程控制。ARA团队需要在大约30米外控制热像仪，以便他们可以在计算机上实时检索图像，从而能够看到气流的变化。当隧道运行时，它会引起振动，可能导致热像仪失焦，因此能够实时查看图像意味着他们可以纠正任何类似的问题。使用FLIR T1K热像仪可在测试过程中提高精度，并提升识别过渡点的准确性。FLIR T1K高清红外热像仪FLIR T1K配有1024x768像素的非制冷红外探测器，其灵敏度是非制冷传感器行业标准的2倍，所生成的图像质量非常出众。搭配尖端技术——UltraMax高清图像增强技术和FLIR MSX® 多波段动态成像专利技术(专利号：201380073584.9），能生成最高达310万像素的明亮清晰的热图像。其配备的FLIR OSX红外镜头系统还具有连续自动对焦功能，即使从较远距离处也能获得良好的测量值，因此任何时候都能让您的检测更轻松、随心、便捷。FLIR T1K高清红外热像仪使ARA能够证明混合层流控制理论在安全和受控的环境中是正确的。它现在能够将安装在风洞中的T1K作为一个概念提供给客户，以改进机翼设计获得更好的空气动力学性能。FLIR T1K拥有专家为用户量身定制的创新功能与用户界面如此出色的高清红外热像仪在各行业的检修和研发过程中都能帮您精准看透其中的温度变化