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航空發動機及航改燃機健康管理技術 版權信息
- ISBN：9787030732835
- 條形碼：9787030732835 ; 978-7-03-073283-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空發動機及航改燃機健康管理技術 內容簡介
本書圍繞航空發動機及航改燃機健康管理系統主題，重點介紹該系統的基本概念、系統構建、方案設計、關鍵技術及工程應用方法等。全書共9章：第1章介紹航空發動機及航改燃機健康管理的基本概念、技術內涵及研究發展現狀；第2章為健康管理系統總體設計；第3章為機載與地面系統設計；第4章為狀態監視傳感器與數據采集；第5章為發動機健康管理算法；第6章為發動機維修保障；第7章為系統驗證與確認；第8章介紹民航和軍用發動機健康管理典型應用案例；第9章為健康管理技術發展趨勢。
航空發動機及航改燃機健康管理技術 目錄
目錄
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項： 航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章概論001
1.1基礎知識001
1.1.1航空發動機及航改燃機簡介001
1.1.2健康管理基本概念003
1.1.3航空發動機及航改燃機典型故障005
1.2航空發動機及航改燃機健康管理技術內涵017
1.2.1使用模式017
1.2.2基本功能019
1.2.3技術體系020
1.2.4技術指標021
1.3航空發動機及航改燃機健康管理研究發展現狀025
1.3.1健康管理技術發展現狀025
1.3.2健康管理系統研究現狀032
第2章健康管理系統總體設計043
2.1健康管理需求分析043
2.2系統功能設計044
2.2.1狀態監視044
2.2.2故障診斷047
2.2.3趨勢分析050
2.2.4壽命管理051
2.3系統架構方案051
2.4技術指標分解053
2.4.1用戶指標需求053
2.4.2系統指標分解055
2.4.3子系統指標分解060
2.5設計標準與流程063
2.5.1健康管理相關設計標準063
2.5.2總體設計流程069
第3章機載與地面系統設計071
3.1機載系統硬件設計071
3.1.1機載系統結構原理072
3.1.2機載系統硬件設計要求073
3.1.3機載系統硬件架構075
3.2地面系統硬件設計079
3.2.1地面系統硬件設計要求079
3.2.2地面系統硬件架構080
3.3機載與地面系統軟件設計080
3.3.1機載與地面系統軟件設計要求080
3.3.2機載系統軟件架構085
3.3.3地面系統軟件架構087
3.4數據庫設計與維護091
3.4.1數據庫設計流程091
3.4.2數據庫結構094
3.4.3數據檢索和分析095
3.4.4數據信息接口095
3.4.5數據庫使用維護096
3.5系統集成設計097
3.5.1功能集成方案097
3.5.2接口控制文件098
3.5.3集成檢測與驗證098
第4章狀態監視傳感器與數據采集101
4.1溫度傳感器技術與應用現狀101
4.1.1溫度監測需求101
4.1.2溫度傳感器類型102
4.1.3測量誤差與處理方法103
4.2振動傳感器技術與應用現狀107
4.2.1振動傳感器107
4.2.2數據采集及預處理111
4.2.3振動信號采集指標112
4.3滑油量測量技術與應用現狀112
4.3.1滑油量測量基本原理112
4.3.2滑油液位傳感器113
4.3.3滑油量測量計算方法116
4.4滑油磨粒采集技術與應用現狀120
4.4.1滑油磨粒采集傳感器120
4.4.2滑油磨粒在線采集指標122
4.5常用的數據傳輸總線122
4.5.1ARINC 429總線122
4.5.21394Ｂ總線123
第5章發動機健康管理126
5.1信號預處理方法126
5.1.1異常值處理126
5.1.2趨勢項消除或提取128
5.2氣路健康管理算法130
5.2.1發動機性能參數狀態監測算法131
5.2.2氣路故障診斷算法134
5.2.3氣路性能趨勢分析算法141
5.3振動健康管理算法144
5.3.1發動機振動狀態監測算法144
5.3.2振動故障診斷方法149
5.3.3機械狀態趨勢分析與預測方法161
5.4滑油健康管理算法162
5.4.1傳動潤滑系統狀態監測算法162
5.4.2滑油故障診斷及預測算法165
5.4.3滑油系統工作參數預測分析算法173
5.5壽命管理算法183
5.5.1發動機定時維修壽命管理算法183
5.5.2發動機視情維護壽命管理方法186
5.6控制系統健康管理算法202
5.6.1基于模型的故障診斷關鍵問題202
5.6.2航空發動機控制系統故障特性分析204
5.6.3基于故障匹配的卡爾曼濾波器故障診斷208
5.6.4基于卡爾曼濾波器的機載自適應模型故障診斷213
5.6.5基于滑模觀測器的故障檢測與隔離217
第6章發動機維修保障222
6.1發動機維修保障模式222
6.1.1健康管理系統與視情維護222
6.1.2航空發動機維修決策方法224
6.1.3全機性能衰退及在翼壽命預測225
6.2基于機群管理的維修保障226
6.2.1機群發動機性能基線挖掘226
6.2.2機群資源計劃與調度235
6.3健康管理系統費效分析235
6.3.1費效分析的技術內涵236
6.3.2費效分析考慮因素237
6.3.3費效分析主要評價指標及計算方法238
第7章系統驗證與確認242
7.1系統驗證與確認方法242
7.1.1模擬測試243
7.1.2系統測試245
7.1.3靜態飛機系統集成實驗室測試245
7.1.4發動機整機測試246
7.1.5飛行測試246
7.1.6系統運行測試和評估247
7.1.7維修性驗證與確認248
7.1.8可靠性驗證與確認248
7.1.9典型健康管理系統的驗證流程249
7.2健康管理系統驗證與確認流程251
7.3健康管理系統驗證與確認的關鍵支撐技術253
7.3.1健康管理系統驗證方法和性能評估254
7.3.2健康管理原型驗證系統255
7.3.3健康管理不確定性管理256
7.4健康管理系統驗證與確認的實現途徑256
第8章健康管理典型應用258
8.1民用發動機健康管理典型應用258
8.1.1民航發動機健康管理要求與流程258
8.1.2民航發動機健康管理典型分析案例262
8.2軍用發動機健康管理典型應用268
8.2.1軍用發動機健康管理系統特點268
8.2.2軍用發動機健康管理典型分析案例269
第9章健康管理技術發展趨勢274
9.1健康管理技術挑戰274
9.1.1先進測量技術與傳感器網絡布局274
9.1.2高效、經濟、安全的數據傳輸網絡構建275
9.1.3準確的發動機故障特征提取276
9.1.4考慮不確定性的健康管理算法工程應用轉化277
9.1.5基于模型的健康管理系統頂層方案設計278
9.1.6故障樣本缺失條件下的驗證與確認方法279
9.2發動機健康管理技術發展趨勢280
9.2.1運算實時化280
9.2.2推理智能化281
9.2.3功能綜合化281
9.2.4業務網絡化283
9.2.5架構開放性283
9.3行業發展思考285
參考文獻288
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項： 航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章概論001
1.1基礎知識001
1.1.1航空發動機及航改燃機簡介001
1.1.2健康管理基本概念003
1.1.3航空發動機及航改燃機典型故障005
1.2航空發動機及航改燃機健康管理技術內涵017
1.2.1使用模式017
1.2.2基本功能019
1.2.3技術體系020
1.2.4技術指標021
1.3航空發動機及航改燃機健康管理研究發展現狀025
1.3.1健康管理技術發展現狀025
1.3.2健康管理系統研究現狀032
第2章健康管理系統總體設計043
2.1健康管理需求分析043
2.2系統功能設計044
2.2.1狀態監視044
2.2.2故障診斷047
2.2.3趨勢分析050
2.2.4壽命管理051
2.3系統架構方案051
2.4技術指標分解053
2.4.1用戶指標需求053
2.4.2系統指標分解055
2.4.3子系統指標分解060
2.5設計標準與流程063
2.5.1健康管理相關設計標準063
2.5.2總體設計流程069
第3章機載與地面系統設計071
3.1機載系統硬件設計071
3.1.1機載系統結構原理072
3.1.2機載系統硬件設計要求073
3.1.3機載系統硬件架構075
3.2地面系統硬件設計079
3.2.1地面系統硬件設計要求079
3.2.2地面系統硬件架構080
3.3機載與地面系統軟件設計080
3.3.1機載與地面系統軟件設計要求080
3.3.2機載系統軟件架構085
3.3.3地面系統軟件架構087
3.4數據庫設計與維護091
3.4.1數據庫設計流程091
3.4.2數據庫結構094
3.4.3數據檢索和分析095
3.4.4數據信息接口095
3.4.5數據庫使用維護096
3.5系統集成設計097
3.5.1功能集成方案097
3.5.2接口控制文件098
3.5.3集成檢測與驗證098
第4章狀態監視傳感器與數據采集101
4.1溫度傳感器技術與應用現狀101
4.1.1溫度監測需求101
4.1.2溫度傳感器類型102
4.1.3測量誤差與處理方法103
4.2振動傳感器技術與應用現狀107
4.2.1振動傳感器107
4.2.2數據采集及預處理111
4.2.3振動信號采集指標112
4.3滑油量測量技術與應用現狀112
4.3.1滑油量測量基本原理112
4.3.2滑油液位傳感器113
4.3.3滑油量測量計算方法116
4.4滑油磨粒采集技術與應用現狀120
4.4.1滑油磨粒采集傳感器120
4.4.2滑油磨粒在線采集指標122
4.5常用的數據傳輸總線122
4.5.1ARINC 429總線122
4.5.21394Ｂ總線123
第5章發動機健康管理126
5.1信號預處理方法126
5.1.1異常值處理126
5.1.2趨勢項消除或提取128
5.2氣路健康管理算法130
5.2.1發動機性能參數狀態監測算法131
5.2.2氣路故障診斷算法134
5.2.3氣路性能趨勢分析算法141
5.3振動健康管理算法144
5.3.1發動機振動狀態監測算法144
5.3.2振動故障診斷方法149
5.3.3機械狀態趨勢分析與預測方法161
5.4滑油健康管理算法162
5.4.1傳動潤滑系統狀態監測算法162
5.4.2滑油故障診斷及預測算法165
5.4.3滑油系統工作參數預測分析算法173
5.5壽命管理算法183
5.5.1發動機定時維修壽命管理算法183
5.5.2發動機視情維護壽命管理方法186
5.6控制系統健康管理算法202
5.6.1基于模型的故障診斷關鍵問題202
5.6.2航空發動機控制系統故障特性分析204
5.6.3基于故障匹配的卡爾曼濾波器故障診斷208
5.6.4基于卡爾曼濾波器的機載自適應模型故障診斷213
5.6.5基于滑模觀測器的故障檢測與隔離217
第6章發動機維修保障222
6.1發動機維修保障模式222
6.1.1健康管理系統與視情維護222
6.1.2航空發動機維修決策方法224
6.1.3全機性能衰退及在翼壽命預測225
6.2基于機群管理的維修保障226
6.2.1機群發動機性能基線挖掘226
6.2.2機群資源計劃與調度235
6.3健康管理系統費效分析235
6.3.1費效分析的技術內涵236
6.3.2費效分析考慮因素237
6.3.3費效分析主要評價指標及計算方法238
第7章系統驗證與確認242
7.1系統驗證與確認方法242
7.1.1模擬測試243
7.1.2系統測試245
7.1.3靜態飛機系統集成實驗室測試245
7.1.4發動機整機測試246
7.1.5飛行測試246
7.1.6系統運行測試和評估247
7.1.7維修性驗證與確認248
7.1.8可靠性驗證與確認248
7.1.9典型健康管理系統的驗證流程249
7.2健康管理系統驗證與確認流程251
7.3健康管理系統驗證與確認的關鍵支撐技術253
7.3.1健康管理系統驗證方法和性能評估254
7.3.2健康管理原型驗證系統255
7.3.3健康管理不確定性管理256
7.4健康管理系統驗證與確認的實現途徑256
第8章健康管理典型應用258
8.1民用發動機健康管理典型應用258
8.1.1民航發動機健康管理要求與流程258
8.1.2民航發動機健康管理典型分析案例262
8.2軍用發動機健康管理典型應用268
8.2.1軍用發動機健康管理系統特點268
8.2.2軍用發動機健康管理典型分析案例269
第9章健康管理技術發展趨勢274
9.1健康管理技術挑戰274
9.1.1先進測量技術與傳感器網絡布局274
9.1.2高效、經濟、安全的數據傳輸網絡構建275
9.1.3準確的發動機故障特征提取276
9.1.4考慮不確定性的健康管理算法工程應用轉化277
9.1.5基于模型的健康管理系統頂層方案設計278
9.1.6故障樣本缺失條件下的驗證與確認方法279
9.2發動機健康管理技術發展趨勢280
9.2.1運算實時化280
9.2.2推理智能化281
9.2.3功能綜合化281
9.2.4業務網絡化283
9.2.5架構開放性283
9.3行業發展思考285
參考文獻288
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航空發動機及航改燃機健康管理技術 節選
第1章 概論 1.1 基礎知識 1.1.1 航空發動機及航改燃機簡介 1. 基本結構及工作原理 航空發動機是熱機的一種，遵循熱機的工作原則: 通過進氣、壓縮、燃燒和排氣四個階段，在高壓條件下輸入能量，低壓條件下釋放能量。發動機主機部件主要包括風扇、高壓壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管，發動機附件系統主要包括健康管理系統、滑油系統、附件傳動系統、起動和點火系統、燃油系統、控制系統、空氣系統等，如圖1.1所示。 圖1.1 某渦扇發動機主機部件示例圖 風扇、高壓壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室等是航空發動機的核心部件，高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪組成核心機，風扇與低壓渦輪組成低壓轉子組件。風扇、高壓壓氣機用于提高氣流壓力，空氣流流過時，風扇和壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力、溫度升高。壓縮氣流進入燃燒室與噴入的燃料混合燃燒，產生高溫高壓的燃氣，實現從燃料的化學能到燃氣機械能的轉換。從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，通過渦輪膨脹做功將燃氣的部分內能轉化為機械能，用以帶動風扇、壓氣機旋轉。從渦輪流出的高溫高壓燃氣在尾噴管中繼續膨脹，沿發動機軸向從噴口向后高速排出，使發動機獲得反作用的推力。對于帶加力的航空發動機，渦輪后的剩余空氣在加力燃燒室中繼續燃燒，使燃氣進一步升溫、膨脹，產生高能量的燃氣，經過尾噴管高速噴出，產生附加推力。 民用航空發動機、航改燃機與軍用航空發動機結構略有不同，其一般沒有加力燃燒室，另外民用航空發動機有反推裝置，因此控制系統需要完成反推裝置的控制。航改燃機低壓轉子與負載連接，通過轉軸輸出功率，燃氣從渦輪和尾噴管排出，燃氣的熱能轉化為渦輪、負載及壓氣機等轉動部件的機械能，如圖1.2所示。 圖1.2 某航改燃機結構示例圖 燃油系統功能是為燃燒室燃燒和伺服系統作動輸送清潔的滿足特定壓力要求的燃油。控制系統功能是在整個飛行包線內控制主燃燒室和加力燃燒室的流量，完成發動機的起動、停車和推力調節，并通過調節風扇進口可調葉片和壓氣機可調靜子葉片的角度及尾噴管面積，使發動機性能在全包線范圍內達到*佳。附件傳動系統的主要功能是完成起動機到發動機轉子的功率傳遞并從高壓轉子提取功率。滑油系統主要是對發動機軸承、齒輪和某些摩擦進行有效的潤滑和冷卻，確保發動機工作的安全和壽命。起動和點火系統的主要功能是實現發動機的起動運轉，起動系統包括空氣起動系統和電起動系統兩種形式，點火系統用來點燃燃燒室中的油氣混合物。空氣起動系統分為內部空氣系統和外部空氣系統，內部空氣系統主要用于部件的冷卻和封嚴、轉子系統軸向壓力平衡及軸承腔加壓等，外部空氣系統主要用于發動機附件的冷卻通風、渦輪主動間隙控制、壓氣機放氣及靜子葉片調節等。發動機健康管理系統主要包括機載子系統（簡稱機載系統）和地面數據處理系統（簡稱地面系統），通過對發動機飛行過程中的數據進行監測分析，檢查發動機測量參數是否超標，判斷發動機當前的狀態并預測發動機發生故障的時間和位置，以及主要部件的剩余使用壽命（remaining usage life， RUL），為發動機維修提供指導和建議，實現發動機可靠性、維修性、安全性的顯著提升。 2. 發動機測量參數 以某型民用渦扇發動機為例，發動機的測量參數主要包括氣路測量參數、振動測量參數、滑油測量參數、燃油系統及空氣系統測量參數等。氣路測量參數通常包括發動機高/低壓轉子轉速及各截面溫度、壓力測量參數；振動測量參數通常包括發動機進氣道機匣、中介機匣、渦輪后機匣及附件機匣等部位的振動測量參數；滑油測量參數通常包括滑油系統溫度、滑油壓力、滑油濾壓差、液位、金屬屑末等測量參數；燃油系統測量參數通常包括燃油流量、燃油回路溫度、燃油壓力、油濾壓差等；空氣系統測量參數通常包括空氣管路中的腔溫、腔壓，以及可調靜子導葉位置等，如圖1.3所示。 圖1.3 某型民用渦扇發動機測量參數分布示例圖 1.1.2 健康管理基本概念 1. 發動機健康狀態含義 發動機健康狀態可定義為發動機及其組成系統的整體工作狀態，是發動機系統、子系統、外場可更換單元（line replaceable unit，LRU）和車間可更換單元（shop replaceable unit，SRU）在執行設計功能時所表現出的能力狀態。健康狀態可描述為正常狀態、非正常狀態。 1） 正常狀態 正常狀態為發動機、發動機部件、發動機系統或子系統健康狀態的統稱，說明發動機有能力應對所處的工作環境，按照設計的性能完成規定的任務。 2） 非正常狀態 非正常狀態指實際工作狀態與正常（或期望）的工作狀態偏差很大，該偏差值可以是單個被測變量或者一組變量，包括異常、故障、失效三種基本類型。 異常: 發動機、發動機部件、發動機系統或子系統的非正常狀態。 故障: 發動機、發動機部件、發動機系統或子系統已知的或可重復的非正常狀態。 失效: 發動機、發動機部件、發動機系統或子系統性能降級，處于不能提供預期功能的非正常狀態。 2. 發動機健康管理含義 發動機健康管理概念源于狀態監視，圍繞發動機異常和故障狀態兩個基本監視概念，即診斷和預測。簡單地說，診斷指尋找當前和過去的異常或故障狀態的過程，而預測指根據當前檢測的異常或故障，對發動機的未來性能、功能或能力進行估算的過程。發動機故障診斷是指在一定工作環境下通過數據分析技術來檢測和識別發動機某種功能的退化、故障或失效，分析退化或失效的原因，確定故障發生的部位及嚴重程度。發動機故障預測是指綜合利用監測參數、使用情況、當前環境和工作條件、試驗數據、歷史經驗等各種數據信息，借助發動機特征參數變化規律及數學模型，在故障或退化導致系統功能失效之前進行檢測，并避免未來的部件故障、退化等，可以表示為剩余使用壽命或達到特定退化水平及部件故障風險不可接受點的時間。 20世紀90年代以來，由于聯合攻擊戰斗機的自主后勤新需求，預測已經成為發動機監視系統的重點，監視功能逐漸集成了維修計劃、維修管理和后勤功能。于是，發動機監視系統逐步發展成為具有診斷、預測及維護全面功能的發動機預測與健康管理（engine prognostics and health management，EPHM）系統，通常稱為發動機健康管理（engine health management，EHM）系統。 發動機健康管理系統利用傳感器獲取系統的數據信息，根據故障診斷及預測分析的結果，分析、評估系統的健康狀態及部件的剩余使用壽命，判斷是否繼續運行、是否補償、是否需要隔離或緊急停機等，并提示發動機用戶采取必要措施并提供維修需求信息。 發動機健康管理系統構成如圖1.4所示，其通常是由機載系統和地面系統組成，機載系統由機載監測單元、專用傳感器、發動機電纜及健康監測單元組成，地面系統由數據管理中心、地面數據處理計算機和地面健康管理軟件組成。發動機健康管理系統建立在對發動機信息的采集、處理、辨識和融合的基礎上，綜合利用發動機機理、信息技術、人工智能等學科方面的研究成果，采取積極主動的措施來監視發動機的健康狀態，以及預測發動機性能變化趨勢、部件故障發生時機和剩余使用壽命，為采取必要的措施來緩解發動機的性能衰退提供指導，為部件故障或失效的決策和執行過程提供幫助。 圖1.4 發動機健康管理系統構成 1.1.3 航空發動機及航改燃機典型故障 1. 典型故障分類 航空發動機及航改燃機故障類別與模式繁多，發動機故障類型主要包括性能故障、結構故障和附件系統故障等。 發動機性能故障是指發動機穩態工作或動態工作過程中，氣體流路中的氣動參數不符合設計規律，導致發動機性能不合格而產生的故障。我國發動機故障統計顯示，發動機性能故障占全部故障的10%~20%，多表現為發動機推力下降、推力不穩、排氣溫度過高、耗油率高、空中熄火和喘振、轉速擺動等。從發動機故障部位的局部氣流場來看，故障原因可能是發動機局部形狀不符合要求，從而導致氣流流路損失增加或溫度場分布異常。 發動機結構故障是由于結構件或機械部件斷裂引發的故障。結構故障范圍廣、種類多，后果比較嚴重，據統計，結構故障占發動機全部故障的60%~70%，對發動機安全構成主要威脅，故障表現形式包括葉片斷裂、輪盤爆裂、斷軸、鼓筒裂紋、機匣裂紋、火焰筒裂紋、空氣及油液管路裂紋或斷裂等，多為零組件設計不合理、使用工況不當導致的故障，直接原因為強度不足導致破裂與損傷、高周疲勞損傷、低周疲勞損傷、熱疲勞損傷、蠕變與疲勞交互損傷等。 發動機附件系統故障主要包括齒輪及傳動系統故障、軸承及潤滑系統故障、燃油及控制系統故障，故障表現形式主要包括齒輪破裂、壓陷與磨損剝落、花鍵磨損、傳動桿斷裂、軸承磨損、滑油消耗量過大、滑油壓力脈動過大、燃油附件活門故障、執行機構故障、燃油流量不穩等。發動機附件系統故障原因復雜多樣，主要包括疲勞斷裂、結構共振、設計加工誤差、裝配誤差、負載變化、元器件老化、產品質量差等。 2. 典型故障概述 1） 發動機性能故障 表示燃氣渦輪發動機性能的主要參數包括發動機推力（或功率）和耗油率。另外，發動機排氣溫度與性能的相關性較強，間接反映渦輪前燃氣溫度情況，不允許超過限值；加速時間要短，不允許超過規定數值；發動機工作穩定可靠，不允許非正常自動停車等。發動機運行過程中，氣體流路中的局部參數異常會導致發動機總體性能不合格，使推力減小、耗油率增加、排氣溫度過高、起動時間過長或加速超溫，甚至引起發動機自動停車，發動機排氣溫度突增示例見圖1.5。為避免嚴重事故發生，針對性能故障，健康管理系統設計指南要求對排氣溫度、轉子轉速、燃油流量等關鍵性能測量參數進行狀態監視，并且基于模型估計和關鍵參數變化對性能趨勢變化進行分析。 圖1.5 發動機排氣溫度突增示例 2） 發動機結構故障 發動機結構故障的危害性與嚴重性普遍較高，許多發動機重大故障和飛行事故都是由結構故障引發的。按照故障發生部位，結構故障可劃分為結構系統故障、葉片故障、輪盤故障、主軸與轉子系統故障、燃燒室故障等，下面逐項對每種結構型故障的內涵、形態、成因、監測方式等展開介紹。 （1） 結構系統故障。 結構故障指燃氣渦輪發動機結構承力系統中的承力框架及殼體、支承結構、空氣系統管路，以及燃、滑油管路等部分產生的結構損傷故障。故障產生的原因主要是設計、工藝、制造等方面存在缺陷，在發動機使用過程中產生磨損、應力集中，從而使物理結構產生變形、裂紋甚至斷裂，結構系統故障會使發動機強度下降、振動增大、性能退化，甚至導致空中停車。典型的結構系統故障模式包括發動機機匣主
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