Vehicular antenna

最早的飛機沒有外殼，只有蒙著織物的機翼。不久，設計工程師把機身關閉起來，最初的目的是減少風的阻力，終究目標則是能使乘客待在現在眾所周知的鋁製機艙裡。可是，飛機的主體首要還是飛翔的機身。

隨著速度更快、動力更強、構造更加複雜，感測器和檢測儀器手藝的進展有所改善，設計工程師利用這些手藝來監控極爲主要的飛機參數，如動員機機能和某些機身問題。但系統只把這些感測器收集的數據顯示給機組人員，大多數數據在這之後就丟失了，除非機組人員把它們記錄下來。破例的環境是實驗性飛機──這類飛機也許有額外的檢測儀器設備，此中包羅數據記實儀──但這類系統的運用範圍和功能都很有限。

韶光飛逝，轉眼到了 21世紀，今天的商用飛機上有數以千計的內建感測器、各類各樣的數據記實儀，乃至有一套複雜的地面根本舉措措施，用於採集使用這些數據的演算法和數據庫。這種檢測儀器不斷地發展，以致能將數據流即時地傳送到地面的經管系統。

飛機的前進不只是在角落裡增添更多的被動感測器的範圍。飛機的外殼不再僅僅是一個關閉式的結構︰它不但是安裝檢查構造自己完全性的感測器的框架，並且也是安裝天線的框架。這些提高可能不只是把機殼當作帶可調整阻力板的堅實構造。機殼上還有一些執行機構，用以改變飛翔特征，以應付飛翔前提（如速度和任務）的轉變。

一切正常，對此，我相當有把握
一架商用客機，如波音 777，安裝有大量的感測器，數目有4萬個之多，其中一半是與發動機有關的。直接和恒久檢測此一數據流，意味著飛機製造廠必需做的工作不單單是將這些數據讀數展示給空勤和地勤人員。波音商用飛機集團正在規劃一種把所搜集數據、通訊鏈路、數據存儲和高級診斷和預測演算法組合在一起的三步AHM（飛機健康管理）戰略（圖 1）。該公司用來支援此一計謀的是一個複雜的數據庫，數據庫中保留了從幾百架飛機和幾百萬小時航行中收集的數據（拜見附文《健康辦理將數據變為常識》。）

AHM企圖的第一階段已經在客歲10月份開始現場測試，測試對象是美洲航空公司和法國航空團體屬下的波音747和777客機，測試將延續到2004年 3月。在這一階段中，飛機的中間維護電腦（maintenance computer）透過一個航空公司可以接入的加密網站(www.MyBoeingFleet.com)和網路，向地面即時地發送故障、毛病狀態和其它數據（你可以拜候 www.boeing.com/commercial/aviationservices/myboeingfleet/index.htm 網站）。知道飛機設置裝備擺設詳情的地面系統，就會告訴機械師出了什麼問題以及可能產生問題的本源。（例如，Bus A上的電源部件有故障。）地面軟系統統利用一個由以往的問題和故障樹構成的龐大知識庫以及該飛機最低限度的設備清單，以便將該飛機的現實環境與設計的行程和利用訊息來安排航線和時刻表的航空公司的要求作比較。如許，就能夠把各類問題（從小問題到大問題，從潛在問題到實際問題）的總影響降到最低程度。


圖 1: 飛機健康管理規劃對航行中的飛機進行全面監控，並在飛行過程中將訊息轉發給地面人員，因此，飛機一停飛，就可以入手下手需要的保護工作（圖片由Boeing Commercial Airplanes公司提供）。

在第二個階段，AHM系統將使用在正常飛行中取得的數據快照（snapshot of data），並即時或近似即時地予以陳訴。此一訊息使波音公司和航空公司可以防患於未然。例如，軸承溫度的某一升高速度可能意味著該軸承的性能在下降，操作人員應該在今後100小時內對其進行搜檢，但這並非當前的危機。第三階段是在取得數據快照後，將一個持續的數據流發送給地面系統。

通訊鏈路需要為飛行中的飛機供應額外的頻寬。為了彌補通訊鏈路，機上的電腦會把數據先轉儲到機上的光碟裡。這些光碟由地勤人員掏出，再交給AHM工作人員。航空公司可以透過波音公司為他們開設的加密入門網站，訪問所稀有據和結論。這個入門網站使得航空公司可以對下一步工作進行評估並作出決定，並使得時刻表的改觀起碼，保護效率最大。

憑據飛機設計和功課的大量常識，AHM系統可以進一步檢視數據趨向、假警報（許多感測器經常産生的問題）、速度轉變和檢測參數的組合。如許做的目的是︰把數據與飛行規範、飛機型號、飛行任務和怪異設置裝備擺設等進行對照，優先得到有關問題及其嚴重性的結論。


圖 2: 主動陣列可為電子控制轉向天線提供所需的大籠蓋角，並與飛機輪廓共形，如Rowe Manor研究有限公司的“聰明型表面”單元。

對機身表皮做文章
天線及天線數量的激增說明了︰飛機設計工程師是若何不但把飛機表皮當作一個物理的外殼，還另外有很多用途。除了一般的話務鏈路外，飛機上還有多個雷達系統、對地數據鏈路、直接對衛星鏈路、GPS導航系統、軍用飛機的干擾系統等等。（汽車也好不到哪兒去，通用汽車公司估量︰一部配備掃數選購件的2004凱迪拉克轎車將最少有17副天線，而防撞雷達尚待安裝。）

為了把機身表皮變成電子構件，工程師們正在研究滿足機械和電子兩方面要求的先進共形天線（conformal antenna）必需撐持的頻率和頻寬則都是新的，較高的頻率意味著機身表皮固有的曲線輪廓和尺寸會對天線產生更大的影響。美國空軍研究嘗試室的天線部門正在研究，一種可以嵌入機翼根部或環繞機翼的共形天線陣（參考文獻 1）。這種 5.4Hz雷達天線陣列使用116根距離為半波長的微帶插線式天線（microstrip patch antennas）；在進行測試時，這些天線瓜代地在主波束標的目的上被啟動，主波束指向前方，與地平面成45度角。這些天線用10個自動元件時，其近旁瓣（near-side lobe）比主波束低13dB，而採用15個自動元件時，近旁瓣又降低了9dB。由於機翼前緣曲線的原因，只有8個元件是有用的，但摹擬實驗和比例模型實驗都指出，這種天線可以在大大都人仰角標的目的上產生高品質的波束。

使飛機與一顆衛星連結聯繫是另一個挑戰，因為二者之間的角度是隨機轉變的。你可以製造一個安裝在機身外殼上的勾當拋物面反射器，但這類方法在機械上很複雜，而且還占用深度。由於利用自動陣列手藝，設計師目前就有了另一種解決方案。Rowe Manor Research公司(www.roke.co.uk)把一個超高頻波段（SHF）電動轉向天線建立在一個經修改的十二面體上，它有40個完全相同的三角面，每一個三角面又有6個自動式十字偶極元件（active cross-dipole element）（圖 2）。

這類結構能為任何操控方向提供很多自動元件，還能為球面上半部供給異常一致的性能。其方位覆蓋範圍為360°，仰角覆蓋規模為 -10°～+90°，發送時採用左旋極化，領受時採用右旋極化。天線是由數位控制的3位元移相器驅動；主動電路均是單片微波積體電路，具有接收用的低噪聲放大器和發射用的功率放大器。移相器具有±22.5°的角分辨率，天線具有 20-dBm輸出功率、10-dB增益和小於 4.5 dB的噪聲系數。

固然，在設計工程師巴望的眼光裡，飛機上所有的表皮都應該是有用的。飛機的垂直尾翼是另一個可以哄騙的區域。美國太空總署（NASA）的 Dryden飛翔嘗試中心(www.dfrc.nasa.gov)已在 F/A-18戰鬥機尾翼上試驗了一種“智慧型表皮”天線，它是基於美國空軍Wright實行室、Northrop-Grumman公司和TRW公司航空系統部的研究功效（參考文獻2和圖3）。這類用於空-空鏈路和空-地鏈路的天線，可以取代傳統的刀形天線；它使65 MHz時的旌旗燈號噪音比提高了15dB～25dB，並具有更對稱的輻射圖和更小的雷達特徵，還可以減少阻力。這類類型天線的關頭是利用具有恰當電氣特性和構造特性的材料。本例中利用的是熱固性材料，它具有低消耗、高導電率的特征，既能激發電流活動，又具有承受重荷所必須的高強度。

GPS導航此刻已成為飛機上的必備設備，但要接收 GPS旌旗燈號，飛機還需要利用另外一種天線。Mitre公司(www.mitre.org)已開辟出一種使用微帶元件的同心雙元件自適應陣列天線。在沒有天線罩的情況下，包羅安裝縫褶（flange）在內，該天線（美國專利編號為6,597,316 B2）有7英寸見方，重量只有589克。該天線頂用於自動自適應電子電路的被動元件，均是採用高介電常數基板製造的，這種基板也具有良好的溫度穩定性。

與飛機有關的另外一件工作是評估遨遊飛翔姿態，研究的對象包括諸如氣流角、側滑角和攻角等許多因素。Dryden飛行研究中間的工程師們對一個利用安裝在5×2.5×3cm氣動翼片上的普通應變儀的系統做了一個飛行試驗，它就像風洞中連接到飛機上的一簇連線，用來測量局部的氣流角（參考文獻 3）。應變儀的電子讀數與已知數據相幹聯，以便將這類力丈量數據換算成氣流角。未來的系統可能採用光纖應變儀，以縮小尺寸並減少連線。

為了測量攻角和側滑角，研究人員正在研究一種既利用L形探頭又利用和4個雙通道壓力感測器的系統（參考文獻 4和圖 4）。壓力感測器丈量來自探頭的空速管壓力和靜態壓力，並透過RS-422介面將這些讀數傳送給飛機上的電腦。然後，有一種演算法利用這種壓力差讀數，即時地計算出攻角和側滑角系數。設計工程師已經在分歧的飛翔前提下對此一系統進行飛翔考試，以改進探頭設置裝備擺設和演算法。即便在攻角到達90度的情形下，該系統的性能也比得上、乃至超

過標準的測試設備；這項研究規劃的一個目標是改良大於45°角時的測量效果。


圖 3: 美國太空總署的F/A-18系統研究飛機的垂直不變器已不再互為鏡像了，因為一個聰明型表面天線安裝在右垂直穩定器的頂端（圖片由美國太空總署 Dryden遨遊飛翔研究中間供給）。

接下來就是應力問題。“應力”不但是一個心理現象，也不僅是電視和醫學雜誌這些大眾媒體上頻繁報導的主題，它還是一個主要的力學問題。飛機機身要承遭到兩種應力︰一種是固定負載產生的靜態應力；另外一種是由於振動和飛行運動產生的動態應力。這一應力可以逐漸導致佈局件和飛機外殼的裂紋增大。是以，飛機在開辟過程中要在正常狀態下和偶爾的極端條件下，經歷大量的複雜應力實驗，以評估其以小時計較的使用壽命。如果飛機製造商想要通過升級和改善來耽誤機身壽命，就必需破費巨額費用和大量時間，用複雜的試驗設備去反覆進行這些應力實驗（參考文獻 5和 6）。即便飛機投入了正常運營，維修廠也要利用各種技術，例如渦流、超聲波和螢光染料檢查，定期對機身高應力區進行檢測。

一種替換應力實驗的法子是操縱安裝在飛機樞紐區域的合適的感測器，對裂紋及其轉變進行接二連三的監控。（注意︰小裂紋常常産生，而且在某法式上允許存在﹗）若是能把這些感測器嵌入關頭部位和高應力點，就能夠在其工作壽命期間看管飛機機身和外殼，從而肯定局部高應力是不是正在使裂紋擴大。據報道，波音公司正計劃在它的下一代7E7飛機上使用這類手藝，例如，採用基於巨磁阻（GMR）和自旋相幹地道（SDT）技術的固體磁感測器作為先進渦流探頭的一部分（參考文獻 7和 8）。由應力引起的有些後果與飛機外表和佈局件都沒有關系（見附文《我的神經愈來愈重要》）。


2. Flight Tests Validate Smart Skin Antenna, Release 97-09, March 7, 1007, Dryden Flight Research Center, http://www.dfrc.nasa.gov/Newsroom/NewsReleases/1997/97-09.html.
3. "Probe Without Moving Parts Measures Flow Angle," NASA Tech Briefs, June 2003, pg 36, http://www.nasatech.com.
4. Dryden Flight Research Center, "Advanced Measurement of Angle of Attack and Sideslip," http://www.nasatech.com/Briefs/Nov98/DRC9864.html.
5. Kandero, Stanley, "Tests Probe F-22 Structures," Aviation Week & Space Technology, July 15, 2002, pg 50.
6. Kandero, Stanley, "Fatigue Evaluations Could Extend P-3C Operational Life," Aviation Week & Space Technology, July 15, 2002, pg 51.
7. Talbot, David, "Boeing's Flight for Survival," Technology Review, September 2003, pg 35, http://www.technologyreview.com.
8. New Directions in Eddy Current Sensing, Sensors, June 2001, http://www.sensorsmag.com/articles/0601/56/main.shtml.
9. "Wireless Smoke Detection System," Aviation Week & Space Technology, Nov 13, 2000, pg 108.
10. "New Aircraft Ice-Protection System," http://nctn.hq.nasa.gov, September/October 2001.
11. Ashley, Steven, "Flying on Flexible Wings," Scientific American, November 2003, pg 84.

作者訊息

Bill Schweber副主編製作了許多飛機模型，經常感受到飛機模子墜毀的疾苦表情甚於 PC崩潰。與Bill Schweber副主編的聯絡方式是︰電話︰(1)617-5584484，傳真︰(1)617-5584470，電子郵件︰bschweber@edn.com。

稱謝
感激Boeing Commercial Aviation Services'公司的飛機健康管理計劃總監Robert Manelski提供的深刻見解和專業常識。

健康辦理將數據變為常識
飛機健康管理也稱作 IVHM（整合飛行器健康管理），目標是在把裝有感測器的飛機的好動靜和壞動靜變成大部分是好的消息。感測器和測試的急劇增加，意味著有更多的原始數據可供空勤和地勤人員利用，可是，將這類數據釀成成心義的訊息，並從中得出正確結論則是越來越難。很多報道的故障──從簡單飛機的20%到某些水師機飛機研究報告中的88%──都是子虛警報、感測器失效或“不能反複”的事務（參考文獻A和B）。如許的虛假警報在時候、資金、可用性三方面城市造成重大損失。

IVHM既操縱原始數據和內部測試後果，又利用飛機設計師、機組人員和維護人員的有關訊息豎立具有正式佈局化框架的常識。這是一種多概念的方法，包括以下內容︰

• 內部測試。可根據故障閾值作出診斷；
  
• 診斷。可判定某個元件的狀況或功能；
  
• 展望。這是猜測診斷，用以確定某個元件的剩餘壽命；
  
• 健康監控。可對元件狀態不斷地進行評估；
  
• 健康管理。以診斷和展望為根據。
  透過將這個訊息與其它身分結合起來，如相關的判斷，按“灰度等級”的評估（近似恍惚邏輯），使用壽命期間的參數漂移和下降，事件序列分析，其它闡明模式，和飛機的運行劃定和維護方法，IVHM就可作出恰當的診斷方式，使這些診斷與需求相匹配，並將毛病的決策減到最低的程度。

IVHM的應用不只限於商用飛機。軍用機和研究飛機（實驗性的機要計畫）也在利用一樣的方式，但有很大的分歧。商用飛機受益於大數法例，它的數據可以來自很多飛機和遨遊飛翔時數。軍方只有較少的飛機可以看成數據濫觞，並且飛行時數也較少，研究飛機的數據和飛翔時數則更少。此外，軍用機和研究飛機還在良多方面與商用飛機有明顯的區分，如飛行義務、撐持資本和後勤支持等。

參考文獻
A. Hooks, Dean and Chris Reisig, "Integrated Vehicle Health Management (IVHM)," NDIA Fifth Annual Systems Engineering Conference, Boeing Phantom Works, October
2002.
B. Schweikhard, Keith A, W Lance Richards, and John Theisen "Flight Demonstration of X-33 Vehicle Health Management System Components of the F/A-18
Systems Research Aircraft," NASA TM-2001-209037, December 2001.

我的神經愈來愈嚴重
機身的曲折會使飛機內的導線彼此摩擦，由此致使內部布線線束故障，進而造成布線故障，幾次墜機和其它變亂都與此有幹系。時候內發生的這類磨擦會使布線産生故障。這類故障雖然有害，但還不是災害性的，因為飛機控制系統是有多餘性（redundancy）的。但是，絕緣表皮破損的電線間會產生電弧，電弧產生的等離子霧溫度在 3、4毫秒內就可以到達 3000℃～10000℃。這一高溫可以引起火警乃至爆炸，特殊是當高溫氣體滯留在油箱四周或就在油箱內時（參考文獻 A）。可以用目視方法搜檢電纜是不是有破損或斷線情形，但這意味著要在飛機的導線管裡爬行，或要搬開一些面板。

但是，有一項新手藝（美國專利編號為 6,265,880和 6,275,050）可以解決此一問題，它使用了一根環繞糾纏在配線外面的光纖，再外覆Teflon帶（參考文獻 B）。在測試時，把光纖的一端毗連到一個光學時域反射測試裝配上，由它來評估光纖的完全性，和裂痕的嚴重性和具體位置。你可以把任何光纖問題都與其上的配線磨損情況聯系關系起來。這類方式的益處是，它是非電子式的，不會對電線構成干擾，可以用於飛機的改裝上。除了用於布線線束，這類方式可以用來監控液壓和藹動軟管與管道。

參考文獻
A. "Circuit Breakers are not Enough," Aviation Week & Space Technology, Aug 21, 2002, pg 72.
B. "Preempting Aircraft Wiring Failures," AFRL Technology Horizons, March 2002, pg 28, www.afrlhorizons.com.