具有多跳飛機通信能力的無線引擎監(jiān)控系統(tǒng)和引擎數(shù)據(jù)的機載處理的制作方法
【專利摘要】一種引擎監(jiān)控模塊，包括配置為安裝在飛機引擎處的外殼和由該外殼承載的第一無線發(fā)送器。存儲器被外殼承載，并且處理器被外殼承載并且耦接到存儲器和第一無線發(fā)送器并且配置為收集并在存儲器中存儲關(guān)于由多個引擎?zhèn)鞲衅髟陲w機引擎的操作期間感測的至少一個引擎參數(shù)的引擎數(shù)據(jù)且經(jīng)第一無線發(fā)送器發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。無線接收器位于飛機內(nèi)并且配置為接收從第一無線發(fā)送器發(fā)送的引擎數(shù)據(jù)。第二無線發(fā)送器位于飛機內(nèi)并且可操作地連接到無線接收器并且配置為接收和發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
【專利說明】具有多跳飛機通信能力的無線弓I擎監(jiān)控系統(tǒng)和弓I擎數(shù)據(jù)的機載處理

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛機引擎的實時監(jiān)控，并且更具體而言，本發(fā)明涉及為了引擎維修或其它分析而通過收集實時飛機引擎數(shù)據(jù)并且處理引擎數(shù)據(jù)來確定飛機引擎的當(dāng)前性能的系統(tǒng)和相關(guān)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]位于佛羅里達州墨爾本的Harris公司已經(jīng)設(shè)計出利用與飛機的眾多部件連接的地面數(shù)據(jù)鏈接單元記錄飛機引擎的性能的系統(tǒng)和方法，地面數(shù)據(jù)鏈接單元包括數(shù)字飛行數(shù)據(jù)獲取單元(DFDAU)、飛機數(shù)字飛行數(shù)據(jù)記錄器(DFDR)，以及用于較大型噴氣式渦輪引擎的通常被稱為全權(quán)限數(shù)字引擎控制(FADEC)的數(shù)據(jù)多路復(fù)用系統(tǒng)或者有時就用在較小型飛機上的較小型噴氣渦輪引擎而言被提到的引擎控制單元(ECU)，較小型飛機包括生成小于15000磅推力的渦輪螺槳引擎或者其它引擎。術(shù)語“FADEC/ECU”可以用來對應(yīng)于本行業(yè)中所使用的術(shù)語“FADEC”或“ECU”。
[0003]這種地面數(shù)據(jù)鏈接單元的例子在共同受讓的美國專利N0.6，047，165中公開，該專利的全部公開內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。利用這種地面數(shù)據(jù)鏈接單元的引擎監(jiān)控系統(tǒng)在共同受讓的美國專利N0.6，148，179和N0.6，353，734中公開，這兩個專利的全部公開內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0004]在通過引用被結(jié)合的‘179和‘734專利中，通過在引擎操作期間，例如在地面數(shù)據(jù)鏈接單元中，收集引擎數(shù)據(jù)并且經(jīng)寬帶擴頻通信信號把收集到的引擎數(shù)據(jù)下載到基于地面的擴頻接收器，所公開的系統(tǒng)和方法可以提供對飛機引擎的性能的記錄。信號在基于地面的擴頻接收器中被解調(diào)以獲得引擎數(shù)據(jù)供進一步處理。還有可能把數(shù)據(jù)上傳到地面數(shù)據(jù)鏈接單元，諸如算法、飛行管理文件、視頻和娛樂文件以及其它數(shù)據(jù)文件。
[0005]這種Harris公司的地面數(shù)據(jù)鏈路(OTL)單元優(yōu)于采用例如在飛機最初起飛之后升高至1000英尺時基本引擎參數(shù)的“快照”的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)局限于飛行期間的一個快照并且不是實時的。這些現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)“快照”沒有超越總指標(biāo)和反應(yīng)性維修技術(shù)。“快照”通?？梢园P(guān)于有限的引擎參數(shù)(例如，Nl、N2、EGI^PWf)的數(shù)據(jù)，其中“快照”數(shù)據(jù)或者“機載(on board)”記錄或者利用VHF通信數(shù)據(jù)鏈路經(jīng)ACARS下載。其它監(jiān)控系統(tǒng)需要飛行員把數(shù)據(jù)手動輸入飛行日志或者需要諸如閃存驅(qū)動器和快速訪問記錄儀(QAR)的可移動介質(zhì)。
[0006]在通過引用被結(jié)合的‘165、‘179和‘734專利中所公開的地面數(shù)據(jù)鏈接單元系統(tǒng)克服了與現(xiàn)有技術(shù)“快照”關(guān)聯(lián)的缺陷，“快照”從來不會給出飛機飛行期間引擎性能的真實完整且完全的飛行指示。而且，所描述的這些非GDL的現(xiàn)有技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有有限價值的數(shù)據(jù)集合，而且由于有限的通信選項，例如來自FCC的在航空頻譜可用的有限頻率和窄帶寬/頻譜，而具有用于從飛機取回可以是或者可以不是全飛行引擎數(shù)據(jù)的高成本。過大的引擎數(shù)據(jù)文件需要高帶寬，例如，大約1kbps直至大約36MB/FLT HR(無壓縮)，那些非⑶L系統(tǒng)可能不能輸送這么大的文件。
[0007]雖然如在‘165、‘179和‘734專利中所公開的地面數(shù)據(jù)鏈接單元是優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)引擎監(jiān)控系統(tǒng)的主要改進，但是所公開的地面數(shù)據(jù)鏈接單元通常是安裝在飛機上的大單元并且與如前所述的許多機載系統(tǒng)連接。因此，Harris公司開發(fā)出了無線引擎監(jiān)控系統(tǒng)(WEMS)模塊，該模塊實時地監(jiān)控飛機引擎，而不借助于與許多飛機系統(tǒng)連接的較大的地面數(shù)據(jù)鏈接單元。WEMS模塊在共同受讓的美國專利N0.6，943，699、7，456，756、7，595，739和7，755，512中公開，這些專利的全部公開內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0008]WEMS模塊是直接安裝在飛機引擎上的引擎監(jiān)控模塊。它不安裝在例如航空電子艙或者類似的機身位置，另一方面，這種位置是用于連接到許多機載單元的地面數(shù)據(jù)鏈接單元的優(yōu)選位置。在一個例子中，WEMS模塊連接到引擎上的全權(quán)限數(shù)字引擎控制器(FADEC)/引擎控制單元(E⑶)。在一個例子中，WEMS模塊通常很小，大約2x2x4英寸，并且可以記錄、存儲、加密和發(fā)送“全飛行”引擎數(shù)據(jù)。WEMS模塊直接與FADEC/E⑶連接并且以例如一秒或更小的采樣頻率記錄數(shù)百個引擎參數(shù)。它具有優(yōu)選的保形天線和RF收發(fā)器，以便利用RF/802.11/蜂窩技術(shù)下載(和上傳)數(shù)據(jù)，作為非限制性例子，所述技術(shù)包括其它擴頻技術(shù)。
[0009]利用WEMS模塊的“全飛行”引擎數(shù)據(jù)的這種收集和存儲允許對引擎的高級預(yù)測和診斷并且增加引擎“在翼時間”(time on wing, TOW)并且減小引擎的每小時維修成本(MCPH)。在一個例子中，WEMS數(shù)據(jù)利用RF/(802.11)擴頻/蜂窩信號下載到機場服務(wù)器進行處理和/或經(jīng)因特網(wǎng)、PSTN、蜂窩或其它通信網(wǎng)絡(luò)運輸?shù)狡渌ぷ髡具M行飛行后分析。數(shù)據(jù)還可以上傳到WEMS模塊，包括用于機載處理的算法。WEMS模塊提供直接安裝在引擎上的自動無線解決方案，從而在大兆字節(jié)的文件中記錄用于大型和小型渦輪引擎二者的全飛行弓I擎數(shù)據(jù)并利用高速數(shù)據(jù)鏈路提取。
[0010]雖然WEMS模塊作為用于全飛行引擎數(shù)據(jù)的檔案數(shù)據(jù)存儲器操作，但是期望提供在飛行期間“實時”下載大量的引擎數(shù)據(jù)并且與通常在大部分國際航班上可以獲得的通信資源連接的能力。此外，期望以成本有效的方法使用WEMS模塊來檢測并診斷關(guān)于飛機引擎的渦輪單元內(nèi)大部分機械地承力的部件的問題。這將需要對諸如渦輪葉片和軸承組件的旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及對諸如溫度、振動、應(yīng)變和壓力的氣路參數(shù)的精確監(jiān)控，但是還將允許對渦輪部件故障的早期檢測和診斷并且?guī)椭乐篂?zāi)難性故障。全世界大約有四萬種噴氣式引擎可以被監(jiān)控以確定全飛行引擎數(shù)據(jù)。因而，監(jiān)控全飛行引擎數(shù)據(jù)將提高引擎數(shù)據(jù)的效率和安全性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)非限制性例子，用于飛機引擎的監(jiān)控系統(tǒng)包括引擎監(jiān)控模塊，該模塊包括配置為安裝在飛機引擎上的外殼和由該外殼承載的第一無線發(fā)送器。存儲器被外殼承載，處理器被外殼承載并且耦接到存儲器和第一無線發(fā)送器并且配置為收集并在存儲器中存儲關(guān)于由多個引擎?zhèn)鞲衅髟陲w機引擎的操作期間感測的至少一個引擎參數(shù)的引擎數(shù)據(jù)且經(jīng)第一無線發(fā)送器發(fā)送弓I擎數(shù)據(jù)。無線接收器位于飛機內(nèi)并且配置為接收從第一無線發(fā)送器發(fā)送的引擎數(shù)據(jù)。第二無線發(fā)送器位于飛機中并可操作地連接到無線接收器并配置為接收和發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
[0012]在一個例子中，第二無線發(fā)送器包括配置為經(jīng)空對地通信信號發(fā)送引擎數(shù)據(jù)的UHF發(fā)送器。在另一個例子中，第二無線發(fā)送器配置為經(jīng)衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。在另一個例子中，第一無線發(fā)送器配置為發(fā)送引擎數(shù)據(jù)和鏈接到飛機引擎的標(biāo)識符的數(shù)據(jù)地址。無線局域網(wǎng)(LAN)在飛機內(nèi)形成，無線接收器和第二無線發(fā)送器連接到該無線LAN。在還有另一個例子中，處理器位于飛機上并且配置為在飛機飛行期間接收引擎數(shù)據(jù)并且處理該引擎數(shù)據(jù)并確定引擎操作參數(shù)。引擎操作參數(shù)可以基于感測到的引擎數(shù)據(jù)來確定。在一個例子中，引擎操作參數(shù)包括在飛機的飛行期間讓引擎關(guān)閉的決定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]當(dāng)根據(jù)附圖考慮時，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點將從以下本發(fā)明的具體描述變得清楚。
[0014]圖1-7是在通過引用被結(jié)合并且共同受讓的‘699、‘756、‘739和‘512專利中所描述的WEMS模塊及相關(guān)聯(lián)部件的視圖。根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子，WEMS模塊的描述關(guān)于圖1-7給出，之后是WEMS模塊用于多跳通信的更多細(xì)節(jié)，包括它與引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EffSN) 一起使用并且以不同速率采樣無線引擎?zhèn)鞲衅鳌?br> [0015]圖1是噴氣式引擎的部分不完整等角視圖，示出安裝在引擎上的FADEC/ECU和WEMS模塊，其中WEMS模塊與FADEC/E⑶連接用于下載引擎監(jiān)控數(shù)據(jù)，諸如在共同受讓并且通過引用被結(jié)合的‘699、‘756、‘739和‘512專利中所公開的。
[0016]圖2是示出飛機引擎和飛機的框圖，并且圖1的WEMS模塊與FADEC/E⑶連接用于下載全飛行引擎數(shù)據(jù)文件以及上傳算法和其它數(shù)據(jù)。
[0017]圖3是示出可以下載到機場服務(wù)器并且通過PSTN、因特網(wǎng)或蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)綄崟r分析工作站或其它處理器的WEMS引擎數(shù)據(jù)的不完整框圖。
[0018]圖4是示出如在共同受讓的‘165、‘179和‘734專利中所公開的地面數(shù)據(jù)鏈接(OTL)單元的基本元件并且示出與⑶L單元連接的WEMS模塊的框圖。
[0019]圖5是示出如在‘699、‘756、‘739和‘512專利中所公開的WEMS模塊的基本部件的框圖。
[0020]圖6是生成要被WEMS模塊收集、存儲并從其發(fā)送的引擎事件的噴氣式引擎的例子的截面。
[0021]圖7是示出在引擎啟動和飛行期間可以被WEMS模塊監(jiān)控的各種噴氣式引擎事件報告的圖表。
[0022]圖8是根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子的與圖5所示類似并且示出各種部件的更多細(xì)節(jié)的WEMS模塊的框圖。
[0023]圖9是根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子的飛機及其引擎的部分不完整視圖并且示出在第一通信“跳”中向客艙無線LAN單元無線傳送其數(shù)據(jù)然后在第二通信“跳”中通過衛(wèi)星通信鏈路(或者通過UHF)向引擎服務(wù)提供商(ESP)傳送數(shù)據(jù)的引擎安裝的WEMS模塊。
[0024]圖10-12是示出根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子的可以支持WEMS模塊的使用的飛機引擎市場的圖表。
[0025]圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子的與引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EWSN)和引擎服務(wù)提供商(ESP)操作中心交互操作的WEMS模塊的框圖。
[0026]圖14是示出全飛行引擎數(shù)據(jù)如何可以用來最大化飛機引擎的在翼時間(TOW)的圖。
[0027]圖15是作為非限制性例子示出代表性度量的圖，其中，作為非限制性例子，可以為航空公司提供可預(yù)測的引擎維修操作成本。
[0028]圖16是關(guān)于最大爬升推力的百分比示出降級(derate)與海拔高度的關(guān)系曲線。

【具體實施方式】
[0029]現(xiàn)在將參考附圖在下文中更完全地描述本發(fā)明，在附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式體現(xiàn)并且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為局限于本文所闡述的實施例。更確切地說，這些實施例的提供將使本公開內(nèi)容透徹和完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全傳達本發(fā)明的范圍。相同的數(shù)字貫穿全文指相同的元件，并且撇號用來指示備選實施例中的相似元件。
[0030]如在通過引用被結(jié)合的‘699、‘756、‘739和‘512專利中所公開的無線引擎監(jiān)控系統(tǒng)(WEMS)收集全飛行引擎數(shù)據(jù)并且在一個例子中配置為與如在通過引用被結(jié)合的‘165、‘179和‘734專利中所公開的地面數(shù)據(jù)鏈接(GDL)單元的基本部件交互操作。WEMS模塊直接安裝到噴氣式引擎并且優(yōu)選地與FADEC/E⑶連接，并且以與如在‘165、‘179和‘734專利中所公開的基于無線地面鏈路的飛機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)相似的方式利用無線通信信號，優(yōu)選地是寬帶擴頻通信信號，下載數(shù)據(jù)。WEMS模塊也可以經(jīng)任何RF連接下載。
[0031]為了技術(shù)理解，如在‘699、‘756、‘739和‘512專利中闡述的WEMS模塊的描述關(guān)于圖1-7描述，之后是對WEMS模塊關(guān)于其多跳通信、與引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EWSN) —起使用以及無線傳感器采樣的更具體解釋。
[0032]圖1示出直接安裝在噴氣式引擎12上并且電連接到FADEC/E⑶控制單元14的WEMS模塊10，該FADEC/ECU控制單元14也安裝在噴氣式引擎上。噴氣式引擎12示出渦輪16和其它部件的基本元件。噴氣式引擎整流罩/引擎機艙18以虛線示出并且WEMS模塊10部署在整流罩中。WEMS模塊10包括基本功能RF和存儲器部件，諸如在‘ 165、‘ 179和‘734專利的地面數(shù)據(jù)鏈接單元中所公開的。依賴于優(yōu)選的保形天線的類型和噴氣式引擎中所使用的整流罩18的本質(zhì)，WEMS模塊可以安裝在引擎上的不同位置。
[0033]圖2示出可作為雙向多路復(fù)用器操作的用于讓信號出入噴氣式引擎12的FADEC/E⑶14的基本框圖。信號包括模擬和數(shù)字信號并且FADEC/E⑶14從飛機22的駕駛艙20向引擎給出命令。它還發(fā)送引擎狀態(tài)和健康信號。許多信號被FADEC/ECU 14處理，然后FADEC/E⑶14經(jīng)ARINC 429總線24發(fā)送信號，在這個非限制性例子中是以通常每秒10千位發(fā)送到駕駛艙20和從駕駛艙20發(fā)送。
[0034]在一個例子中，WEMS模塊10包括獨立的數(shù)據(jù)地址作為IP地址(對每個模塊)，該地址鏈接到弓I擎的序列號。WEMS模塊安裝在弓I擎上并且諸如通過FADEC/E⑶上的另一個端口或者直接進入ARINC 429總線24來與FADEC/E⑶連接。射頻收發(fā)器能力內(nèi)置到WEMS模塊中并可操作來記錄、壓縮和加密全飛行數(shù)據(jù)文件。它通常使用在一個例子中作為尺寸為郵票大小的小貼片天線形成的保形天線30，例如，該天線30安裝在為WEMS模塊10形成保護外殼的殼體31上。雖然保形天線是優(yōu)選的，但是，依賴于WEMS模塊10安裝在其上的整流罩和引擎類型，獨立天線也可能被使用。獨立天線可以安裝在機身上獨立的位置或者用于增強通信的其它位置。
[0035]WEMS模塊10可以使用檔案數(shù)據(jù)存儲器來記錄、存儲和加密并且隨后發(fā)送“全飛行”引擎數(shù)據(jù)。在一個例子中，如在通過引用被結(jié)合的‘699、‘756、‘739和‘512專利中所描述的WEMS模塊10可以以優(yōu)選的一秒的采樣頻率記錄數(shù)百個引擎參數(shù)。因而，WEMS模塊允許高級預(yù)測和診斷技術(shù)來增加引擎的“在翼時間”(TOW)并且減小引擎維修成本。例如，WEMS模塊10可以與噴氣式引擎診斷單元一起操作，諸如與預(yù)測和健康管理應(yīng)用(包括由位于紐約Rochester的Impact Technologies有限公司設(shè)計的那些應(yīng)用)一起使用。WEMS模塊10可以通過幾乎任何類型的射頻信號(包括擴頻調(diào)制技術(shù))下載引擎數(shù)據(jù)。WEMS模塊10可以利用蜂窩、因特網(wǎng)或PSTN通信基礎(chǔ)設(shè)施操作，以下載全飛行引擎數(shù)據(jù)文件并上傳算法或其它數(shù)據(jù)或程序。每個WEMS模塊通常都將包括獨立的因特網(wǎng)協(xié)議(IP)地址，使得它能夠?qū)τ谧R別及數(shù)據(jù)的上傳和下載是可獨立尋址的。
[0036]圖3示出包括如在‘699、‘756、‘739和‘512專利中所描述的WEMS模塊10的飛機22的高層面框圖。WEMS模塊10把引擎數(shù)據(jù)下載到機場服務(wù)器32和/或從機場服務(wù)器32上傳用于機載處理的數(shù)據(jù)，該機場服務(wù)器32可以利用通信網(wǎng)絡(luò)34 (諸如公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)、因特網(wǎng)或蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施)操作。機場服務(wù)器32包括接收器和發(fā)送器并且通過通信網(wǎng)絡(luò)34與例如如由引擎服務(wù)提供商提供的飛行后分析工作站或者其它相似的處理器38通信，在那里，引擎數(shù)據(jù)可以被分析以確定對引擎的最佳維修程序，并且由此延長無需除去引擎而使引擎保留在飛機上的時間。實時分析工作站38可以直接連接到機場服務(wù)器或者可以直接從WEMS模塊10接收數(shù)據(jù)。
[0037]如前面所指出的，WEMS模塊10可以與地面數(shù)據(jù)鏈接單元相似地操作，因為它利用優(yōu)選的擴頻或其它無線通信信號存儲數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，WEMS模塊10小得多，并且直接安裝到飛機引擎上。它具有比大規(guī)模地面數(shù)據(jù)鏈接單元所需功能更少的功能，地面數(shù)據(jù)鏈接單元利用許多飛機部件操作，包括DFDAU、DFDR和弓I擎?zhèn)鞲衅鳌?br> [0038]現(xiàn)在參考圖4，示出用于可以與WEMS模塊10 —起使用的無線擴頻數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的全面通信系統(tǒng)體系架構(gòu)的代表性例子。這個例子中的體系架構(gòu)具有三個互連的子系統(tǒng):(I)引擎WEMS子系統(tǒng)100 ; (2)地面子系統(tǒng)200 (通?；跈C場，但不一定在機場)；及(3)遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300，用于分析任何下載的引擎數(shù)據(jù)。用于一架飛機22的WEMS系統(tǒng)100可以包括多個WEMS模塊10，每個模塊安裝在引擎100a-d上。圖示出兩架飛機22和22’，每架飛機具有相應(yīng)的WEMS模塊10、10’。每個WEMS模塊10、10’包括機載單元(AU) 102、102’，每個AU包括處理器、收發(fā)器、存儲器和其它必要的部件。每個WEMS模塊10、10’可操作來通過無線通信鏈路120與地面子系統(tǒng)200的無線路由器(WR)部分201通信。為了描述，以下描述繼續(xù)參考一架飛機22和WEMS模塊10。
[0039]在這個非限制性例子中，無線路由器部分201把它從WEMS模塊10接收到的引擎數(shù)據(jù)文件或者經(jīng)有線以太網(wǎng)LAN 207直接路由到機場基站202或者通過局域網(wǎng)207和駐留在機場的無線橋部分203間接地路由。無線通信鏈路120可以是具有位于電磁頻譜的未被許可部分中的載波頻率的擴頻射頻(RF)鏈路，在一個非限制性例子中，諸如在2.4-2.5GHzS頻帶內(nèi)。無線通信鏈路120還可以是RF、因特網(wǎng)、蜂窩或其它鏈路。
[0040]在這個例子中，地面子系統(tǒng)200包括多個地面和/或駐留在機場的無線路由器部分201,其中一個或多個部分在由該系統(tǒng)服務(wù)的各種機場的環(huán)境內(nèi)分布。相應(yīng)的地面和/或機場無線路由器201可操作來從WEMS模塊10接收無線地向下鏈接的引擎數(shù)據(jù)。每個地面子系統(tǒng)無線路由器201可以把引擎數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站202的服務(wù)器/檔案計算機終端204，基站202可以駐留在機場或其它位置的地面子系統(tǒng)200的局域網(wǎng)207上。
[0041]基站202可以經(jīng)本地通信路徑207耦接到遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300的中央網(wǎng)關(guān)(CG)部分306，遠程網(wǎng)關(guān)(RG)部分206經(jīng)通信路徑230連接到本地通信路徑207，來自各架飛機的引擎數(shù)據(jù)在遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300被分析。作為非限制性例子，通信路徑230可以包括ISDN電話公司(Telco)陸上線路，并且網(wǎng)關(guān)部分可以包括標(biāo)準(zhǔn)的LAN接口。其它通信網(wǎng)絡(luò)(諸如蜂窩、因特網(wǎng)或者其它無線通信)也可以使用。應(yīng)當(dāng)觀察到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，諸如像衛(wèi)星鏈路或蜂窩的其它通信介質(zhì)可以用于地面子系統(tǒng)到控制中心的通信。
[0042]遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300可以包括系統(tǒng)控制器(SC)部分301和多個工作站(WS) 303，這些都經(jīng)局域網(wǎng)305互連到系統(tǒng)控制器301。引擎安全性、維修和監(jiān)控分析都是在遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300，以評估從地面子系統(tǒng)200的機場基站部分202傳送到遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300的引擎數(shù)據(jù)文件。為了不同的目的，可以分配相應(yīng)的工作站303。
[0043]系統(tǒng)控制器301可以具有服務(wù)器/檔案終端單元304，該單元304優(yōu)選地包括用于在它從地面子系統(tǒng)取回下載的文件時提供引擎數(shù)據(jù)文件的高效傳輸和分析的數(shù)據(jù)庫管理軟件。作為非限制性例子，一旦取回文件，這種數(shù)據(jù)庫管理軟件就可以從基站部分的存儲器刪除現(xiàn)有的文件。
[0044]如以上簡要描述并且在圖5中圖解說明的，每個WEMS模塊10可以包括外殼和雙向無線(基于射頻載波的)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包含諸如微處理器132的處理單元和關(guān)聯(lián)的存儲器或數(shù)據(jù)存儲器134，其既充當(dāng)檔案數(shù)據(jù)存儲134a又充當(dāng)用于通信的緩沖器134b，通信包括分組通信。存儲器134耦接到FADEC/E⑶。處理單元132可以接收并壓縮引擎數(shù)據(jù)并且把壓縮后的數(shù)據(jù)存儲在其關(guān)聯(lián)的存儲器134中?？梢杂商幚韱卧?32生成包括許多引擎數(shù)據(jù)項的報告。
[0045]引擎數(shù)據(jù)和報告可以經(jīng)RF收發(fā)器136及其優(yōu)選的保形天線30下載。為了提供雙向RF通信能力，收發(fā)器136可利用無線路由器201操作成用于數(shù)據(jù)的上傳和下載。
[0046]如果RF通信鏈路是擴頻，并且是優(yōu)選的802.11鏈路，則在這個非限制性例子中感興趣的未被許可的2.4-2.5GHz S頻帶部分的多個子頻帶信道當(dāng)中每一個都可用并優(yōu)選地被使用。其它未被許可或許可的頻帶也可以使用。無線路由器201可以持續(xù)地廣播詢問信標(biāo)，該信標(biāo)包含代表在機場的發(fā)射功率等級限制的信息。利用在其收發(fā)器內(nèi)的自適應(yīng)功率單元，WEMS模塊10可以通過把其發(fā)射功率調(diào)節(jié)到不超過由控制機場的管轄權(quán)強加的通信限制的等級來對這種信標(biāo)信號作出響應(yīng)。然后，無線(RF)收發(fā)器136訪問存儲在存儲器134中的引擎數(shù)據(jù)文件、加密引擎數(shù)據(jù)并且經(jīng)無線地面通信鏈路的選定子信道把引擎數(shù)據(jù)文件發(fā)送到無線路由器201。
[0047]接收無線路由器201暫時把數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)發(fā)到基站部分，直到該文件可以經(jīng)通信路徑230自動地發(fā)送到遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300以供分析為止。關(guān)聯(lián)的部件的更多細(xì)節(jié)在以上標(biāo)識出并且通過引用被結(jié)合的專利中描述。
[0048]如在‘699、‘756、‘739和‘512專利中所描述的無線引擎監(jiān)控系統(tǒng)(WEMS)使用與在如‘165、‘179和‘734專利中所描述的⑶L單元中相似的部件，但是為了與FADEC/E⑶連接并安裝在引擎上而具有縮減的尺寸和功能。WEMS模塊安裝在引擎上通常在整流罩下面并且在給予最佳天線和收發(fā)器功能的位置，但是優(yōu)選地與FADEC/E⑶相鄰或者在其附近。有可能結(jié)合WEMS模塊與FADEC/E⑶。WEMS模塊記錄、存儲、加密并發(fā)送“全飛行”引擎數(shù)據(jù)并且在一個例子中直接連接到FADEC/ECU。作為例子，它可以以一秒的采樣頻率記錄數(shù)百個引擎參數(shù)，并且是具有保形天線的微型化模塊。它獲取“全飛行”引擎數(shù)據(jù)并且允許或者機載或者優(yōu)選地在遠程工作站的高級預(yù)測和診斷技術(shù)以增加引擎“在翼時間”并降低引擎維修成本。它是直接安裝在引擎上的自動化無線解決方案并且對大型渦輪引擎記錄全飛行引擎數(shù)據(jù)并且利用如前所述的高速數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)生大兆字節(jié)的文件。它是對只記錄幾個引擎數(shù)據(jù)“快照”從而導(dǎo)致有限數(shù)據(jù)和有限分析的那些系統(tǒng)的改進。
[0049]為了參考，噴氣式引擎參考圖6和7描述，在該噴氣式引擎上可以使用如在‘699、‘756、‘739和‘512專利中所描述的無線引擎監(jiān)控系統(tǒng)(WEMS)模塊10。每個引擎可以具有一個引擎上安裝的WEMS模塊并且每個WEMS模塊可以具有特定的數(shù)據(jù)地址，諸如因特網(wǎng)地址或其它IP地址，以允許服務(wù)提供商近乎實時地訪問WEMS模塊及其數(shù)據(jù)并且執(zhí)行“智能”維修。這個地址鏈接到引擎序列號并且將用來存儲例行和關(guān)鍵引擎信息。因而，WEMS模塊的使用可以減小引擎的每小時維修成本(MCPH)。
[0050]圖6圖示出總體上以400表示的噴氣式引擎的一個截面，其示出可以用于引擎事件的實時監(jiān)控的基本部件和去往及來自噴氣式引擎的引擎氣流FADEC/E⑶控制402。這些事件可以在最初起飛的大約第一分鐘內(nèi)下載到遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心300或者保存到WEMS模塊中的存儲器并且隨后下載，以確定“在翼”引擎維修在目的地是否被批準(zhǔn)。
[0051]為了澄清，描述這種噴氣式引擎的標(biāo)號以400系列開始。如圖6中所示，引擎氣流FADEC/ECU控制402可以包括核心艙放氣；油箱加壓；油箱排空；主動間隙控制；低壓和高壓補償；以及排氣和排水功能。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，這些功能可以通過基本FADEC/ECU控制系統(tǒng)402來監(jiān)控。圖6中的引擎例子對應(yīng)于通用電氣CF6-80C2先進設(shè)計，該設(shè)計帶有具有NI推力管理的FADEC/E⑶或PMC控制和通用渦輪機。雖然圖示出這種噴氣式引擎，但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，當(dāng)然也可以使用其它用于不同噴氣式引擎的控制系統(tǒng)。
[0052]所圖示的引擎具有六個可變級和一個加固級葉片(blade)，其具有低噴射燃燒器、30個加壓噴嘴和改善的噴射。它具有凱夫拉爾(Kevlar)殼體，以提供較低的殼體重量和復(fù)合風(fēng)扇外部導(dǎo)葉。它具有帶一個葉片材料級以及先進冷卻和主動間隙控制的增強型高壓渦輪(HPT)。
[0053]風(fēng)扇模塊包括鋁/凱夫拉爾殼體404和93英寸改進型航空/葉片406。它具有復(fù)合外部導(dǎo)葉408，該復(fù)合外部導(dǎo)葉408具有鋁/復(fù)合后風(fēng)扇箱410和鈦風(fēng)扇架412以減少損耗。它另外還在風(fēng)扇支柱(具有12個位置)416之間具有四級正交增壓器414和可變旁通氣閥(VBV)。引擎包括壓縮機進氣溫度(CIT)探測器418。
[0054]高壓壓縮機包括IGV護罩密封420和具有級3_14的槽形殼體424的葉片鴿尾型密封422。壓縮機包括輪葉平臺密封426、短軟線級低損耗放氣系統(tǒng)428以及改進的減少涂層摩擦間隙430。
[0055]壓縮機后架包括燃燒器430以及帶有燃料噴嘴434和外部導(dǎo)葉436的火花塞432。它包括放氣密封438和4R/A/0密封440，以及4R軸承442和4B軸承444。它還包括5R軸承446、5R/A/0密封448、擴散器450和壓力平衡密封452。壓縮機后架還包括級I噴嘴454。
[0056]高壓渦輪區(qū)包括用于控制級I和2的主動間隙，以及456處指示的涂覆護罩。它還包括定向固化級I葉片和阻尼葉片458以及冷空氣傳送系統(tǒng)。高壓渦輪包括熱量匹配支持結(jié)構(gòu)、主動間隙控制、簡化的具有支架葉輪支持和線形升限的撞擊。改進的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加載路徑具有改進的圓度控制、固體護罩以及改善的升限。這些部件位于高壓渦輪區(qū)總體上在460的區(qū)域內(nèi)。
[0057]低壓渦輪技術(shù)區(qū)包括間隙控制462、360殼體464、消除出氣漩渦的空氣動力學(xué)支柱466以及形成為一塊鑄件的渦輪后架468。
[0058]這些部件中許多都包括在初始起飛及整個飛行期間內(nèi)生成信號的傳感器和結(jié)構(gòu)力傳感器。信號可經(jīng)由WEMS模塊被中繼給地面維修人員和/或具有其自己的處理器和用于高級分析的數(shù)據(jù)分析技術(shù)的獨立遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心。
[0059]圖7圖示出一個例子中在引擎啟動期間被監(jiān)控的部件，包括引擎液壓系統(tǒng)、油壓(psi)、引擎切斷開關(guān)、油溫(degc)、燃料流量(lb/hr)、百分比形式的N2L和NIL、攝氏溫度的油溫和EGT以及Wf。一些范圍在該圖的縱軸上顯示，時間則在該圖的橫軸上顯示。
[0060]這種信息可經(jīng)由WEMS模塊下載到基于地面的處理器，并且遠程引擎數(shù)據(jù)控制中心可以確定在目的地站是否批準(zhǔn)在翼維修。
[0061]現(xiàn)在將關(guān)于圖8-16描述可以用于多跳通信能力、用于與引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EffSN) 一起使用并用于以不同采樣速率采樣無線引擎?zhèn)鞲衅鞯腤EMS模塊。為了描述，標(biāo)號以500系列開始。用于WEMS模塊10、噴氣式引擎12、FADEC/ECU控制單元14、噴氣式引擎整流罩18、在客艙的駕駛艙20、飛機22、ARINC 429總線24、保形天線30以及殼體31 (外殼)的標(biāo)號與類似標(biāo)號一起貫穿整個說明書都保持相同。
[0062]圖8是類似于圖5所示的WEMS模塊10的框圖，并且示出可以根據(jù)非限制性例子使用的不同部件和子部件的更多細(xì)節(jié)。FADEC14與WEMS模塊10連接并且向WEMS模塊中與基帶媒體訪問控制(MAC)電路504和雙WiFi/WiMax無線電506交互操作的電力控制器502提供電力，其中電路504和無線電506又根據(jù)802.11和802.16標(biāo)準(zhǔn)作為收發(fā)器操作。在一個例子中，是第一無線發(fā)送器發(fā)送飛行數(shù)據(jù)，如隨后解釋的。但是，這個收發(fā)器(無線電)506可以根據(jù)其它標(biāo)準(zhǔn)操作成通過保形天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在這個例子中，保形天線對應(yīng)于發(fā)送(Tx)保形天線32a和接收(Rx)保形天線32b。FADEC 14經(jīng)ARINC 429總線24與處理器510通信，在這個非限制性例子中，處理器510對應(yīng)于諸如Holt H1-8582/8583集成電路芯片的片上系統(tǒng)(SOC)。這種芯片與接口現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 512交互操作，而FPGA 512與ATA控制器514和引擎數(shù)據(jù)存儲器516，例如60GB的閃存存儲器，交互操作。接口 FPGA 512與作為WEMS主機CPU 518的處理器交互操作，而CPU 518又與程序閃存和RAM 520以及基帶媒體訪問控制電路504交互操作。關(guān)聯(lián)的引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EWSN)中央處理單元(CPU) 522和收發(fā)器523可以充當(dāng)用于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的詢問單元和接收器，如以下解釋的。收發(fā)器(無線電)523可以通過保形天線，諸如在發(fā)送(Tx)保形天線524a和接收(Rx)保形天線524b處圖示出的例子，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
[0063]在這個系統(tǒng)中，不需要對飛機的任何修改并且在WEMS模塊10安裝在飛機引擎上之后不需要任何手動干預(yù)。如以下指示的，在飛行期間，WEMS模塊獲取、存儲并加密“全飛行引擎數(shù)據(jù)”并且可以在飛行期間或飛行后自動且無線地下載引擎數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子，WEMS模塊10可以在飛行期間獲取大量的數(shù)據(jù)并且諸如利用遵守ARINC 429的通信協(xié)議提供對所獲取的引擎數(shù)據(jù)的全球“實時”下載。這是用于作為雙線數(shù)據(jù)總線用在大部分高端商用和運輸機上的航空電子數(shù)據(jù)總線以及支持航空電子局域網(wǎng)(LAN)的數(shù)據(jù)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是在獨立端口上發(fā)送和接收的自計時和自同步串行數(shù)據(jù)總線。雙絞線提供平衡的差分通信信令。
[0064]每個ARINC通信分組通常都具有32位的值和五個字段，包括奇偶位、指示數(shù)據(jù)字段是否有效的符號/狀態(tài)矩陣(SSM)、指示字中的數(shù)據(jù)是否被認(rèn)為是正確數(shù)據(jù)的正常操作(NO);指示數(shù)據(jù)由測試源提供的功能測試(FT);指示造成數(shù)據(jù)可疑或丟失的故障的故障警告(FW);以及指示數(shù)據(jù)丟失或不正確的非計算數(shù)據(jù)(NCD)。作為符號/狀態(tài)矩陣的SSM可以指示數(shù)據(jù)的符號或者其它朝向，諸如南/北或東/西。諸如Holt集成電路H1-8582或H1-8583的ARINC429片上系統(tǒng)電路510是把16位并行數(shù)據(jù)總線直接連接到ARINC429串行總線24的硅柵COMS器件。ARINC 429處理器510包括兩個接收器，每個接收器都具有標(biāo)記識別、32x32FIF0和模擬線路接收器。對每個接收器，至多16個標(biāo)記可以被編程。
[0065]圖9圖示出根據(jù)本發(fā)明的非限制性例子的飛機22和兩個飛機引擎12的不完整截面圖，每個引擎都具有引擎安裝的WEMS模塊10。飛機22包括具有客艙無線LAN單元(CffLU) 532的駕駛艙530，其中CWLU 532作為無線接入點操作并且從WEMS模塊10接收通信信號。CWLU 532與衛(wèi)星通信單元540交互操作，單元540包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元542、低噪聲放大器/功率放大器(LNA/PA) 544和高增益衛(wèi)星通信天線546。這些部件構(gòu)成用于衛(wèi)星通信鏈路的第二無線發(fā)送器。CWLU 532還與UHF收發(fā)器550交互操作，UHF收發(fā)器550可以用于空對地通信，諸如用在飛機上的較老的空對地?zé)o線電電話頻帶。UHF收發(fā)器也作為第二無線發(fā)送器操作。多跳通信是利用WEMS模塊10、CWLU 532和衛(wèi)星554圖示的，衛(wèi)星554與地面輸入點556的用戶衛(wèi)星天線通信，該衛(wèi)星天線諸如接收用于引擎服務(wù)提供商(ESP) 562的數(shù)據(jù)的衛(wèi)星接收天線。在飛行期間，WEMS模塊無線連接到客艙無線LAN單元532并且可以把關(guān)鍵的“飛行中引擎安全數(shù)據(jù)”下載到ESP 562或者讓機載處理器分析該數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)可以支持用于海洋路線的FAA ETOPS(擴展雙業(yè)務(wù))。衛(wèi)星通信鏈路提供“實時”引擎數(shù)據(jù)傳輸并且支持在ESP或機載的關(guān)鍵引擎決定，包括確定是否有一個引擎應(yīng)當(dāng)關(guān)閉的“飛行中引擎關(guān)閉”。飛機引擎數(shù)據(jù)的實時分析可以在引擎服務(wù)提供商562實現(xiàn)，包括用于引擎診斷、飛機引擎的健康和狀態(tài)、燃燒性能(performance burns)、在翼時間和環(huán)境影響(碳排放)或飛行飛機(on-board the aircraft)的基于性能的合約報告。衛(wèi)星通信可以包括不同的通信信令和協(xié)議，包括直接廣播衛(wèi)星(DBS)、固定衛(wèi)星服務(wù)(FSS)、Ku、Ka和C頻帶通?目。
[0066]可替代地，UHF收發(fā)器550可以用于在作為可連接到陸地地面系統(tǒng)的較老電話頻帶一部分的848-850ΜΗΖ和894_896ΜΗζ的通信。如圖8和9中所示的系統(tǒng)允許顯著的“高值”和“時間關(guān)鍵”數(shù)據(jù)在飛行期間被下載并且提供引擎數(shù)據(jù)的全球“實時”下載。WEMS模塊10與通常在國際航班上可以獲得的資源連接，包括根據(jù)非限制性例子在ARINC 763標(biāo)準(zhǔn)下操作的WiFi客艙無線LAN單元532，該LAN單元532適用于服務(wù)在飛行中的商用飛機，從而允許乘客具有“空中辦公室”?？梢蕴峁┑綑C載衛(wèi)星通信的訪問，該通信是利用所描述的衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元542和其它部件根據(jù)ARINC 741標(biāo)準(zhǔn)操作的?，F(xiàn)在航空公司可以更緊密地監(jiān)控飛機引擎性能，包括滿足利用一個引擎以超過60分鐘的轉(zhuǎn)移時間應(yīng)用到航線上雙引擎飛機并且對具有多于兩個引擎的飛機以超過180分鐘的轉(zhuǎn)移時間應(yīng)用到航線的IAW ETOPS認(rèn)證要求。ETOPS是由美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)定義的擴展雙業(yè)務(wù)的首字母縮寫并且允許諸如空中客車A300或波音737以及一直到波音787的雙引擎客機飛行在之前禁止雙引擎飛機進入的長距離路線。
[0067]作為實時飛機引擎數(shù)據(jù)的WEMS數(shù)據(jù)允許機組人員作出進行飛行中檢查的決定并且如果必要的話就關(guān)閉或調(diào)節(jié)引擎的引擎推力。算法可以在駕駛艙或者在基于地面的ESP編程到WEMS模塊或處理器中，以便基于感測到的引擎數(shù)據(jù)提供確定引擎操作參數(shù)的處理并且如果某些引擎操作參數(shù)已經(jīng)被超過就確定是否應(yīng)當(dāng)發(fā)生飛行中關(guān)閉。算法可以甚至在飛行期間上傳到WEMS模塊，從而允許WEMS模塊“飛行中”可配置。依賴于環(huán)境或其它條件，還有可能組裝從駕駛艙到WEMS模塊的關(guān)于什么超標(biāo)要被調(diào)查和處理的請求。例如，有可能配置WEMS模塊在飛行期間只下載特定被監(jiān)控的參數(shù)和數(shù)據(jù)，而不是下載大量的數(shù)據(jù)。因而，WEMS模塊關(guān)于數(shù)據(jù)收集、存儲和發(fā)送是可配置的。WEMS模塊是可配置的并且可以被駕駛艙或ESP編程。例如，如果在飛行期間發(fā)生振動，則有可能對各種振動傳感器增大采樣頻率，同時減小其它傳感器的采樣頻率，使得在飛行期間收集更多關(guān)于振動統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。
[0068]圖10-12示出用于全世界眾多可以使用所述WEMS模塊的飛機引擎的圖和統(tǒng)計。這種數(shù)據(jù)給出了對WEMS技術(shù)的相關(guān)市場的例子。
[0069]在一個例子中，WEMS模塊根據(jù)IEEE 802.11或IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)操作并且在優(yōu)選的2.4GHz頻帶利用無線局域網(wǎng)(WLAN) 530實現(xiàn)。它還在3.6和5.0GHz頻帶內(nèi)操作?？罩姓{(diào)制技術(shù)使用諸如在802.1lb和802.1lg協(xié)議中定義的相同基本協(xié)議，通常使用2.4GHzISM頻帶，它把各個帶當(dāng)中每個帶都分成通道。例如，2.4000至2.4835GHz頻帶被分成隔開5MHz的13個通道，通道的可用性常常由每個國家規(guī)定。因而，依賴于飛機的全球地理位置，依賴于在具體地點的管轄需求，WEMS單元可以經(jīng)其無線電506在不同的通道上并且以不同的功率通信。有些通道還可以依賴于本地需求而重疊。數(shù)據(jù)幀通常被分成具體的標(biāo)準(zhǔn)化的部分，這種部分包括MAC頭、有效載荷和幀檢查序列(FCS)。不同的MAC頭和幀控制字段可以使用并且被再分成各種子字段。這些可以依賴于飛機的地理位置和本地管轄規(guī)則來修改。
[0070]802.16是用于如無線MAN的寬帶城域網(wǎng)的無線寬帶標(biāo)準(zhǔn)，商業(yè)上稱為“WiMAX”(微波接入全球互通)。WiMAX利用無線本地環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)化空中接口和相關(guān)的功能。它需要物理設(shè)備層(PHY)并且利用可縮放的OFDMA(正交頻分多址)操作，以承載數(shù)據(jù)并支持大約1.25MHz和20MHz之間的通道帶寬，具有大約2048個子載波。它支持自適應(yīng)調(diào)制解碼和高效的64QAM編碼方案。在有些情況下，可以使用16QAM和QPSK。WEMS模塊10和該系統(tǒng)其它關(guān)聯(lián)的部件可以包括多輸入多輸出(MMO)天線來為較高的帶寬提供非視線傳播(NOLS)特性并且為良好的誤碼性能提供混合自動重復(fù)請求(HARQ)。MAC子層可以包括多個會聚子層，這些子層描述諸如以太網(wǎng)、異步傳輸模式(ATM)和因特網(wǎng)協(xié)議(IP)的有線技術(shù)如何可以封裝在空中接口上并且數(shù)據(jù)如何分類。為了更高的安全性，高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)或數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)可以在數(shù)據(jù)傳輸中使用。各種省電機制都可以使用，包括睡眠或空閑模式。服務(wù)質(zhì)量(QOS)可以通過在用戶站和基站之間分配每個連接來支持。
[0071]圖13圖示出WEMS模塊10如何可以在與現(xiàn)有引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EWSN)600的無線連接中交互操作，其中EWSN 600是由在這個例子中圖示為獨立節(jié)點600a-f的多個不同的無線引擎?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成的，以便提供對諸如飛機引擎中渦輪葉片和軸承組件的旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及諸如溫度、振動、應(yīng)變和壓力的氣路參數(shù)的精確監(jiān)控。雖然只圖示出六個無線引擎?zhèn)鞲衅鳎菓?yīng)當(dāng)理解，用于一個噴氣式飛機引擎的引擎無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以包括至少數(shù)百個這種無線引擎?zhèn)鞲衅?。在WEMS模塊10的獨立EWSN CPU 522 (對應(yīng)于圖8中的EWSN CPU)可以與從不同無線引擎?zhèn)鞲衅鹘邮盏降挠糜谕ㄐ诺囊鏀?shù)據(jù)交互操作并且傳感器處理器可以配置構(gòu)成EWSN的無線傳感器來改變采樣速率并且通過與每個無線引擎?zhèn)鞲衅鹘换ゲ僮鞯倪m當(dāng)無線收發(fā)器來詢問傳感器。從無線引擎?zhèn)鞲衅鹘邮盏降囊鏀?shù)據(jù)可以如以上解釋的那樣被處理并且飛機部件可以通過FADEC來調(diào)節(jié)。
[0072]WEMS模塊10不僅連接到FADEC 14，如圖13中所圖示的，并且還連接到配置為構(gòu)成EWSN 600并且監(jiān)控關(guān)鍵引擎參數(shù)的無線引擎?zhèn)鞲衅?。EWSN拓?fù)淇梢詮暮唵蔚男切尉W(wǎng)絡(luò)變成高級的多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。跳和網(wǎng)絡(luò)之間的傳播可以通過路由或泛洪。如圖13中所示，各種無線引擎?zhèn)鞲衅靼ㄈ剂狭髁總鞲衅?Sf);溫度傳感器(St);壓力傳感器(Sp);液位(level)傳感器(SJ ;加速度傳感器(Sa);以及振動傳感器(Sv)。每個無線引擎?zhèn)鞲衅鞫伎梢园ǜ鞣N換能器，換能器是雙向的并且提供引擎控制。每個無線引擎?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成通常包括感測機制并且包括無線電收發(fā)器和天線以及微控制器(處理器)和關(guān)聯(lián)的軟件和能量(或功率)源的無線節(jié)點。這允許對故障的實時檢測和診斷，這可以提醒飛行員。
[0073]EffSN 600與WEMS模塊10交互操作，提供監(jiān)控、檢測和診斷問題的成本有效的方法，并且以渦輪單元中機械地承力的部件或引擎其它部件為目標(biāo)。EWSN 600的使用還在FADEC 14和EWSN數(shù)據(jù)源之間提供數(shù)據(jù)融合的機會，以便自動且無線地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到引擎服務(wù)提供商操作中心562用于飛行后分析并且允許對在不同渦輪部件中發(fā)生的問題的檢測、診斷和預(yù)測。從EWSN 600獲得的數(shù)據(jù)提供渦輪部件故障的早期檢測和診斷并且?guī)椭乐篂?zāi)難性故障并允許對有價值的引擎操作、性能和設(shè)計信息的實時數(shù)據(jù)獲取。駕駛艙20可以包括客艙無線LAN單元532，該單元532包括用于本地引擎診斷的處理器或其它CPU574。
[0074]WEMS模塊10對于功率生成設(shè)計是有益的，使得飛機渦輪設(shè)計者得益于在他們的引擎的持續(xù)現(xiàn)場操作期間收集到的數(shù)據(jù)。這允許對將來引擎系統(tǒng)的安全性、可靠性和高效性的設(shè)計改進。基于由與EWSN 600交互操作的WEMS模塊獲得的數(shù)據(jù)，任務(wù)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)(MCN)也將能夠探索對商用航空市場的相關(guān)機會，這是將來電子啟用式飛機健康管理(AHM)的潛在驅(qū)動力，這種管理是實時的、持續(xù)的和主動的。一個有益的機會可應(yīng)用于具有健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)的商用/軍事直升機技術(shù)。
[0075]不同的無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢杂迷谝鏌o線傳感器網(wǎng)絡(luò)600中。通常，每個無線引擎?zhèn)鞲衅餍纬梢粺o線引擎?zhèn)鞲衅鞴?jié)點并且提供無線電接口和處理器能力。無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢栽趪姎馐綔u輪引擎的惡劣環(huán)境下在600或更高攝氏度操作，以測量應(yīng)變、熱量和氣體。這些無線引擎?zhèn)鞲衅鞅扔芯€傳感器有利，有線傳感器難以實施又不切實際或者昂貴并且難以對損壞導(dǎo)線的旋轉(zhuǎn)部件實現(xiàn)，這使得有線傳感器在飛機引擎中是不切實際的。有些無線弓I擎?zhèn)鞲衅魇褂脽o源電源，因為電池電力是不可行的。對于在不同的旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)表面上使用，這些無線引擎?zhèn)鞲衅魍ǔＶ亓枯p并且保形，并且可以在渦輪噴氣式引擎內(nèi)部操作，而不會使引擎失去平衡或擾亂空氣動力特性。無線引擎?zhèn)鞲衅饔锌赡茉诎l(fā)生兩至大約三倍的葉片經(jīng)過頻率的模態(tài)振動的情況下以50KHz的變化測量應(yīng)變并且以甚至更高的頻率操作。在一個例子中，無線引擎?zhèn)鞲衅魇菑脑诔^1000攝氏度操作的表面聲波(SAW)設(shè)備形成的，從而允許它們用于嚴(yán)峻射頻(RF)多徑和多普勒環(huán)境中不同的無線應(yīng)變、溫度和感測應(yīng)用。在一個非限制性例子中，SAW傳感器在詢問期間從共振天線結(jié)構(gòu)捕捉RF能量，諸如從WEMS模塊的收發(fā)器發(fā)射的信號，以便通過壓電耦接到襯底材料來激勵不同的表面聲波。通常，當(dāng)施加應(yīng)變時，聲波在金屬性反射體之間與在那個時刻經(jīng)歷的應(yīng)變成比例地延遲，因此，應(yīng)變感測是設(shè)備固有的。所反射的聲波重新輻射進RF域并且現(xiàn)在調(diào)制的數(shù)據(jù)信號被遠程RF詢問單元(諸如被位于WEMS模塊的收發(fā)器)接收并且通過任何關(guān)聯(lián)的EWSN CPU處理引擎數(shù)據(jù)。兩個應(yīng)變反射體之間的任何差分時間延遲都被計算，例如，在這個非限制性例子中是基于接收到的信號的相位在EWSN CPU計算。RF “數(shù)據(jù)”和“參考”信號之間的任何時間間隔通常是大約100-200納秒，并且因此在收集數(shù)據(jù)點時，以高RPM自旋的噴氣式引擎被凍結(jié)在位置。
[0076]所述無線引擎?zhèn)鞲衅鞯膬?yōu)點包括沒有在高溫下發(fā)生故障的復(fù)雜電路系統(tǒng)的無源功率特征連同小、重量輕并且保形的無線技術(shù)，以最小化對引擎性能的影響。
[0077]還有可能具有使用微波聲學(xué)傳感器的無源、無線引擎?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)600，例如，利用諸如體聲波(BAW)設(shè)備、薄膜體聲波共振器(FBAR)、聲板模式(APL)設(shè)備或者如上所述的表面聲波(SAW)設(shè)備的聲波技術(shù)。SAW設(shè)備通常在壓電晶體的表面上具有一層金屬性電極并且通過把電信號轉(zhuǎn)換成在晶體表面上傳播的機電波來操作。壓電晶體在電信號的施加下形成。SAW延遲線可以與作為具有幾個波長周期性的周期性叉指換能器(IDT)電極結(jié)構(gòu)形成的輸入和輸出結(jié)構(gòu)一起使用。IDT在表面的同步操作發(fā)起以例如3x103M/S傳播的機電波，比電磁波在真空中傳播慢幾個數(shù)量級。
[0078]為此，術(shù)語“延遲線”也應(yīng)用到無線引擎?zhèn)鞲衅鳎蕾囉趶膸譓Hz到幾GHz的操作頻率，通常是幾微米到亞微米長。利用來自WEMS模塊的RF詢問信號，例如，設(shè)備有利地作為無源設(shè)備操作。因此，不需要電池或其它外部電源。不同的聲波材料可以被使用，諸如石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰。而且，可以使用諸如硅酸鎵鑭的不同壓電晶體。在無線引擎?zhèn)鞲衅髦惺褂玫牟嬷鸽姌O通常是高溫穩(wěn)定的材料，例如，在一個非限制性例子中，作為Pt/Rh/Zro2電極形成。不同的無線詢問系統(tǒng)可以結(jié)合在WEMS模塊中，或者在又與WEMS模塊交互操作的單獨的控制器中。系統(tǒng)可以包括利用CDMA通信技術(shù)操作的15位編碼的換能器以及頻率調(diào)制連續(xù)波或頻率步進連續(xù)波傳感器(FMCW或FSCW)。高Q共振器響應(yīng)基于共振頻率的變化提供用于感測的某種系統(tǒng)。
[0079]無線引擎?zhèn)鞲衅鬟€可以使用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。有可能使用RF供電的LC傳感器和高溫?zé)犭娕蓟蛘呱踔凉鈱W(xué)傳感器。例如，熱電偶可以測量高達2300°C的溫度。RF供電的LC溫度傳感器可以使用高K溫度敏感陶瓷材料來利用高K溫度敏感陶瓷材料實現(xiàn)LC諧振回路溫度感測。在一個例子中，這是在作為共振頻率的任何溫度數(shù)據(jù)通過其收發(fā)器的感應(yīng)鏈路發(fā)送到對應(yīng)于WEMS模塊的讀取器時生成時變電磁場的感應(yīng)供電系統(tǒng)。當(dāng)無線引擎?zhèn)鞲衅鞯碾娙葑兓瘯r，遠程讀取器的共振頻率變化，并且對諸如溫度的各種環(huán)境變量作出響應(yīng)。無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢孕纬蔀榕c平面電感器集成的陶瓷多層電容器，這構(gòu)成LC共振電路。傳感器的電容是敏感材料的電常數(shù)的函數(shù)并且平面配置的電容器具有隨溫度的線性介電常數(shù)變化。
[0080]無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢孕纬蔀榫哂秀U鑭鋯鈦酸(PLZT)陶瓷電容器的電感器，具有依賴于溫度的特性。它可以包括電感器-電容器(L-C)調(diào)諧的電子振蕩器，該電子振蕩器結(jié)合溫度敏感材料，由于溫度變化變換成振蕩器頻率的調(diào)制而造成電容器值的變化。這導(dǎo)致影響共振諧波響應(yīng)的頻率的電場變化。通過跨作為傳感器節(jié)點一部分的天線的端子監(jiān)控阻抗，在WEMS模塊(或者在與WEMS模塊連接的獨立讀取器設(shè)備)的收發(fā)器檢測溫度變化。它可以使用用一層導(dǎo)電的NiCr涂覆的陶瓷以及并聯(lián)板溫度感測元件設(shè)計，該設(shè)計結(jié)合厚膜高K溫度敏感陶瓷材料和厚膜電極來使傳感器容易附連并在旋轉(zhuǎn)部件上使用。
[0081]不同的無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢孕纬蔀榫哂羞m當(dāng)信號調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)的溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、接近性傳感器或位置傳感器。通信模塊可以利用BFSK(二進制相移鍵控)調(diào)制和利用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口、頻率合成器及發(fā)送器和接收器的跳頻擴頻(FHSS)多址來實現(xiàn)通信。微處理器和可編程邏輯可以作為通信協(xié)議堆棧實現(xiàn)被包括。作為節(jié)點的每個無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢园l(fā)送其自己的功率能力數(shù)據(jù)，以便從一個或多個其它傳感器節(jié)點接收功率數(shù)據(jù)并且可以確定通過無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸路線。通常，數(shù)據(jù)傳輸路線將通過具有最大功率能力的一個或多個無線傳感器節(jié)點。有些功率路由可以利用至少自組織(ad-hoc)、按需距離矢量路由協(xié)議(AODD)、動態(tài)源路由(DSR)和全球狀態(tài)路由(GSR)之一來實現(xiàn)。每個無線引擎?zhèn)鞲衅鞴?jié)點還可以發(fā)送代表其位置的數(shù)據(jù)并且，如果在固定的位置，則位置數(shù)據(jù)將是常量。如果無線引擎?zhèn)鞲衅魑挥谛D(zhuǎn)部件上，則傳感器位置將改變，并且位置數(shù)據(jù)將優(yōu)選地與傳感器數(shù)據(jù)和功率能力數(shù)據(jù)同時發(fā)送。有可能使用任何接收到的標(biāo)識數(shù)據(jù)來確定無線引擎?zhèn)鞲衅鞴?jié)點是否發(fā)送作為網(wǎng)絡(luò)成員的標(biāo)識數(shù)據(jù)。每個無線引擎?zhèn)鞲衅鞴?jié)點都可以被指派對網(wǎng)絡(luò)的給定接入時間，類似于TDMA系統(tǒng)。有可能使用振動供電的發(fā)電機作為電源的一部分，該發(fā)電機是通過引擎振動來驅(qū)動的并且把機械功率轉(zhuǎn)換成電功率。不同的電力回收機制可以利用使節(jié)點盡可能小的MEMS技術(shù)來實現(xiàn)。
[0082]如前面指出的，WEMS模塊10包括如圖13中所示的EWSN CPU,這可以由WEMS模塊中的處理器、由機組人員或者位于駕駛艙的處理器或者由引擎服務(wù)提供商操作中心562遠程配置。操作中心還可以經(jīng)WEMS模塊向EWSN 600發(fā)送改變對特定無線引擎?zhèn)鞲衅鞯牟蓸铀俾实闹噶睢２蓸铀俾蕦τ诿總€不同的無線引擎?zhèn)鞲衅骺删幊?，以便利用“定制采樣”來允許可編程的傳感器監(jiān)控、提供對故障的檢測和診斷并且允許對關(guān)鍵引擎參數(shù)的“實時”監(jiān)控的智能維修。
[0083]圖14是示出全飛行自動化引擎數(shù)據(jù)可以用來最大化在翼時間(TOW)的圖。目前這一代的引擎提供“數(shù)百個”參數(shù)并且數(shù)據(jù)采樣通常以一秒的間隔發(fā)生并且會帶來更低的MCPH成本。
[0084]圖15是圖示出代表性度量的圖，作為非限制性例子，其中使用“固定價格”運營合約，并且示出示例引擎大修成本，僅僅作為例子，該大修成本具有I百萬美元的確定整數(shù)。作為非限制性例子，示出大修之間的不同時間以及具有不同合約期的年限和小時。這為航空公司提供用于引擎維修運營成本的可預(yù)測的維修儲備，以防止昂貴的，例如大約一百萬美元的，維修成本，以最小化引擎大修“奇襲”。幾個引擎服務(wù)提供商提供“固定價格”引擎維修計劃，其結(jié)果是節(jié)約每小時維修成本、每小時電力和10年LTSA(長期服務(wù)協(xié)定)。
[0085]圖16是示出爬升降級益處的圖。
[0086]EffSN結(jié)合WEMS模塊的使用提供了對減小推力起飛至安全起飛的最小需求的監(jiān)控，因為不同的無線引擎?zhèn)鞲衅骺梢砸愿蟮乃俾时徊蓸樱?，在起飛時并且推力可以被調(diào)節(jié)。在有些情況下，當(dāng)全推力多于安全所需時，諸如對于較低重量飛行、長跑道或逆風(fēng)，有可能通過經(jīng)FMC (飛行管理系統(tǒng))告訴引擎OAT (室外空氣溫度)高得多而選擇低于全推力的推力設(shè)置。利用EWSN的溫度控制是有益的并且各種起飛表可以用作輔助。
[0087]通常，排氣溫度(EGT)邊際指引擎的正常操作EGT溫度和其最大EGT(即它必須被檢查、大修或替換的溫度)之間的緩沖。較高的EGT是會造成壓氣機失速的HPC磨損的指示。不同的變量可以被測量，諸如經(jīng)過燃料計量閥門的流量、可變放氣閥門、可變定子葉片、風(fēng)扇速度汎)、核心速度(N2)、風(fēng)扇入口溫度、風(fēng)扇入口壓力、LPC出口溫度、燃燒室靜壓、HPT排氣溫度和核心排氣壓力。其它致動器可以被測量，包括燃料流量(WF)、可變放氣閥門(VBV)和可變定子葉片(VSV)操作。
[0088]通常EGT是引擎健康的主要測量。EGT可以與稱為引擎壓力比(EPR)的主要引擎功率指示進行比較。例如，在全功率EPR，存在最大允許的EGT限值。一旦引擎達到其達到這個EGT限值的階段，引擎就需要維修。低于EGT限值的量是EGT邊際并且這個邊際在引擎是新的或者已經(jīng)大修過時將最大。EGT邊際是引擎的正常操作EGT溫度和其最大EGT之間的緩沖并且較高的EGT是會造成壓氣機失速的HPC磨損的指示。引擎很少以全推力額定值被使用并且通常具有減小EGT并增加EGT邊際的起飛功率的降級等級。在5%和10%的降級將減小EGT并增加EGT邊際多達36度。如果飛機起飛重量小于允許的最大起飛重量(MTOff)并且有長跑道可用或者OATS相對低，則可以使用降級。
[0089]通過無線引擎?zhèn)鞲衅?、感測材料和高級算法的集成，機體健康管理允許飛行中的診斷和評估，其中該高級算法重構(gòu)損壞字段并且估計結(jié)構(gòu)持久性和剩余的使用壽命。這些算法可以結(jié)合在WEMS模塊中并且結(jié)合高級信息處理技術(shù)，其中高級信息處理技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯系統(tǒng)、模式識別、用于頻譜分析和特征提取的信號處理以及用于檢測、估計、預(yù)測和融合的統(tǒng)計算法。還有可能使用EWSN 600和WEMS模塊10來維修具有諸如氣路傳感器或致動器中偏移量誤差的氣路影響的LRU(現(xiàn)場可更換單元)故障狀態(tài)。這可以減少誤警及有誤歧義。所述WEMS模塊10還使得能夠?qū)ι邢薜牟糠?LLP)有更多的控制，其中LLP諸如對引擎完整性很關(guān)鍵并且難以在引擎外面檢查的旋轉(zhuǎn)渦輪引擎部分。WEMS模塊10結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)600提供引擎的基于狀態(tài)的維修(CBM)，以便利用飛機引擎的先進艦隊(fleet)管理和除去規(guī)劃在提高操作性能的同時優(yōu)化引擎維修成本。
[0090]本申請與標(biāo)題為“WIRELESSENGINE MONITORING SYSTEM AND ASSOCIATED ENGINEWIRELESS SENSOR NETWORK”和“WIRELESS ENGINE MONITORING SYSTEM AND CONFI⑶RABLEWIRELESS ENGINE SENSORS”的共同未決的專利申請相關(guān)，這兩個申請都在相同的日期并且由相同的受讓人和發(fā)明人提交，其公開內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0091]本發(fā)明的許多修改和其它實施例將是受益于前面所述和相關(guān)附圖中給出的示教的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的具體實施例，并且修改和實施例要包括在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于飛機引擎的監(jiān)控系統(tǒng)，包括: 引擎監(jiān)控模塊，包括: 外殼，配置為安裝在飛機引擎處， 第一無線發(fā)送器，被外殼承載， 存儲器，被外殼承載， 處理器，被外殼承載并且耦接到存儲器和第一無線發(fā)送器并且配置為: 收集并在所述存儲器中存儲關(guān)于由多個引擎?zhèn)鞲衅髟陲w機弓I 擎的操作期間感測的至少一個引擎參數(shù)的引擎數(shù)據(jù)，并且經(jīng)第一 無線發(fā)送器發(fā)送引擎數(shù)據(jù)； 無線接收器，位于飛機內(nèi)并且配置為接收從第一無線發(fā)送器發(fā)送的引擎數(shù)據(jù)；及 第二無線發(fā)送器，位于飛機內(nèi)并且可操作地連接到無線接收器并且配置為發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二無線發(fā)送器包括配置為經(jīng)空對地通信信號發(fā)送引擎數(shù)據(jù)的UHF發(fā)送器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二無線發(fā)送器配置為經(jīng)衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一無線發(fā)送器配置為發(fā)送引擎數(shù)據(jù)和鏈接到飛機引擎的標(biāo)識符的數(shù)據(jù)地址。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，并且還包括在飛機內(nèi)形成的無線局域網(wǎng)(LAN)，無線接收器和第二無線發(fā)送器連接到該無線LAN。
6.一種監(jiān)控飛機引擎的方法，包括: 在飛機引擎處安裝引擎監(jiān)控模塊，所述引擎監(jiān)控模塊包括:安裝在飛機引擎處的外殼，由外殼承載的第一無線發(fā)送器，由外殼承載的存儲器，以及耦接到存儲器和第一無線發(fā)送器的處理器； 收集并在存儲器中存儲關(guān)于由多個引擎?zhèn)鞲衅髟陲w機引擎的操作期間感測的至少一個引擎參數(shù)的引擎數(shù)據(jù)； 經(jīng)第一無線發(fā)送器把引擎數(shù)據(jù)發(fā)送到位于飛機內(nèi)的無線接收器；及 經(jīng)位于飛機內(nèi)的第二無線發(fā)送器發(fā)送弓I擎數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，并且還包括經(jīng)第二無線發(fā)送器在衛(wèi)星通信鏈路上發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，并且還包括經(jīng)作為空對地通信信號的超高頻(UHF)通信信號發(fā)送引擎數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，并且還包括向引擎監(jiān)控模塊指派數(shù)據(jù)地址并且把該數(shù)據(jù)地址鏈接到用于跟蹤飛機弓I擎的引擎序列號。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，并且還包括在飛機中的無線局域網(wǎng)(LAN)處接收引擎數(shù)據(jù)，第二無線發(fā)送器和無線接收器連接到該無線LAN。
【文檔編號】G05B23/02GK104350439SQ201380029696
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月6日
【發(fā)明者】詹姆斯·J.·奇拉諾 申請人:哈里公司