飛機飛行控制系統通用規范中的驗證方法淺析

田力偉 舒振杰

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

隨著飛機飛行包線的不斷擴大，飛行任務日趨復雜，對飛機性能的要求也越來越高。先進的飛行控制系統能夠最大限度地發揮飛機性能，并且最大程度地減輕駕駛員的工作負擔，它是現代飛機最重要的功能平臺系統和飛行安全關鍵系統。飛機飛行控制系統標準化工作是飛行控制技術發展和型號應用的一項十分重要的基礎性工作，為技術研究和型號研制工作順利進行提供了有效保障。目前，現行的我國飛機飛行控制系統相關標準共有20多項，處于標準體系頂層的系統標準主要包括GJB 2191–1994《有人駕駛飛機飛行控制系統通用規范》和GJB 2878–1997《有人駕駛飛機電傳飛行控制系統通用規范》兩項。這兩份通用規范，編制基礎不同，標準化對象也略有差異，在對其中所提要求的驗證方面及規定的相關驗證方法也不盡相同，不利于飛機飛行控制系統相關研究人員的使用。本文對上述兩項國軍標中規定的分析、檢查和試驗等3種驗證方法進行了詳細地分析，給出了一套研究驗證方法的思路，為型號研制過程中合理有效使用相關規范提供參考和依據。

1 我國飛機飛行控制系統通用規范概述

GJB 2191–1994是參照美軍標MIL–F–9490D《有人駕駛飛機飛行控制系統設計、安裝和試驗通用規范》編制的。美軍標MIL–F–9490D頒布于1975年，主要以機械式飛行控制系統要求為主，兼顧簡單的電傳飛行控制系統要求；1980年，以更改單的形式補充了有關飛行控制系統軟件的有關內容。GJB 2191–1994是一份適用于所有有人駕駛軍用飛行器（包括殲擊機、轟炸機、運輸機、教練機、短距和垂直起落飛機及直升機）、且具有長期應用價值的有關飛行控制系統的通用規范。該規范適用于目前批量生產的飛機也適用于在研的新型號飛機；適用于先進飛行控制系統的研制又適用于常規飛行控制系統的設計[1]。我國第三代戰斗機飛行控制系統的研制基本是按照GJB 2191–1994標準進行的，但對故障瞬態、絕緣強度等內容進行了適當剪裁。

GJB 2878–1997是在結合我國第三代戰斗機研制成功經驗的基礎上，參考MIL–F–9490D編制的主要針對電傳飛行控制系統要求的通用規范。該規范對當時很多正處在預研階段的飛行控制技術進行了大膽的預測，如機動載荷控制、直接力控制、顫振模態控制、乘座平穩、陣風減緩、與其他系統的綜合等功能、模態，并規定了一些定性的要求，在當時具有明顯的先進性。該規范的另一特點是從飛行控制系統角度規定了有關駕駛員誘發振蕩（PIO）的要求，更強調了控制律設計這一環節。同時，該規范明確規定了飛行控制系統“鐵鳥”試驗是飛行控制系統的綜合試驗，并規定飛行模擬器與空中飛行模擬器是飛行品質的評價工具，對飛行控制系統的驗收及飛行品質的驗證具有重要的意義。

2 驗證方法分析

上述兩份規范都在其“質量保證規定”這一章中規定了驗證規范中的每項有關要求是否得到滿足的、應由承制方選擇并且得到訂購方同意的驗證方法。航空產品標準中的驗證要求是產品研制生產的依據和和產品質量的重要保證，驗證工作是研制和生產的重要程序和關鍵環節，是軍方考核和鑒定航空產品達到研制和生產標準的主要手段，對于軍工產品的定型（鑒定）和批生產交付具有非常重要的作用。因此，相對于產品功能和性能要求的提出，驗證同樣需要有科學嚴謹的方法，即驗證方法必須產生出飛機飛行控制系統所有工作狀態下的可度量的、可重復的和可預計的結果，必須產生準確的、及時的和可靠的信息。

GJB 2191–1994中對“驗證質量合格的方法”進行了如下規定：“應采取下述一種或幾種方法驗證本規范或由4.4.2規定的飛行控制系統型號規范的每項有關設計要求是否得到滿足。除要求采用特殊方法的地方外，應由承制方選擇驗證的方法，并且得到訂購方同意。”其中所指的“下述一種或幾種方法”就是指分析、檢查、試驗等3種驗證方法。以下分別對這3種方法進行分析。

2.1 “分析”方法

“分析”就是指對公式、圖表、典型數據、仿真模擬等進行技術評估，用來驗證是否滿足標準中的要求。在檢查或試驗兩種驗證方法存在危險或無法實現的情況下，飛行控制系統要求的一致性只能通過分析來驗證。適合用分析進行驗證的要求包括：可靠性和抗故障能力、不易損性、可維護性、紊流中工作、高頻時的增益裕量和全頻相位裕量等。相應的，在飛行控制系統驗證中可能會用到的分析包括：可靠性和可維護性分析、故障模態、影響及危害性分析、不易損性分析、系統危險分析、分系統危險分析、操作和保障危險分析等。

GJB 2191–1994中的4.1.1.1節規定了“分析”方法的適用范圍，4.2節規定了對承制方使用“分析”方法進行驗證的要求。其中，需要注意的是對仿真模擬的相關要求。因為仿真模擬不僅僅用于“分析”，也可以用于“試驗”，需要厘清其各自使用情況的界面。下面對仿真模擬的使用方式作進一步分析。

2.1.1 在飛機飛行控制系統的作戰飛行程序中，要用仿真模擬來分析評估如下領域：綜合技術、篩選執行、反復間隔、故障隔離和轉換。仿真可以在設計初期用來評估中斷效應和背景任務的執行。為了確定和驗證所要求的功能特性，并評定降級模態的影響，在飛行控制系統研制中還應作有人駕駛模擬，這對于戰斗機尤為重要，因為模擬飛行是超過1g的。仿真模擬中必須針對重要的方面如大攻角、駕駛員誘發的振蕩和著陸任務。應進行靈敏度研究以便確定飛行控制系統可以補償的氣動特征、傳感參數或其它特征中的不確定范圍，并提供3級飛行品質。考慮到運動感受在評估這些方面的操縱特點和故障效應的潛在重要性，高機動飛機有人駕駛模擬的一部分可能需要在運動底座模擬器上進行。

2.1.2 與“分析”方法中的仿真模擬相比，“試驗”方法中的仿真模擬主要是在進行全數字仿真和飛行模擬器試驗中用來驗證控制律的。此外，出于安全及成本考慮，許多要求不能在飛行試驗中驗證，因此就需要利用空中模擬器（變穩飛機）來檢查和優化控制律、評價飛行品質，尤其是用于檢驗端點飛行階段的飛行品質及駕駛員誘發振蕩。

2.1.3 GJB 2878–1997中的4.7.9節規定了“軟件驗證與系統確認”的相關要求。而飛行控制系統軟件修改一般會給飛控計算機結構帶來未知因素，修改過的代碼模塊以及流經其它模塊的代碼模塊應進行重新驗證。飛行控制系統軟件重大修改后，不需要對整個飛行完全進行重新驗證，只需在開始飛行試驗之前進行有人駕駛模擬就可以發現任何重要或關鍵的問題。

2.2 “檢查”方法

“檢查”是一種目視驗證，用來保證零部件、軟件是按照設計文檔來設計、制造的。GJB 2191–1994中的4.1.1.2節對“檢查”方法進行了規定。通常在涉及物理關系要求的情況下，物理檢查即可提供硬件和軟件的所需驗證；而當開發中的飛控系統采用數字化部件時，在其開發周期內就需要對有關部件做目視檢查和巡查，如對作戰程序的實際飛行代碼的驗證就得益于這些巡查（這些巡查通常由多學科小組來做，可以從不同的角度來評估正在生成的軟件）。

2.3 “試驗”方法

“試驗”就是指在適當的條件下利用儀器進行測量，再根據專用的通過/失敗準則判斷測量結果，以此來驗證是否滿足標準中的定量要求。所以應盡最大的可能用試驗來對要求進行驗證，以保證在最大范圍內的可用性。GJB 2878–1997中規定：“試驗包括試驗室試驗、系統綜合試驗和飛行試驗。”

2.3.1 試驗室試驗

GJB 2878–1997中的4.7.4節規定了試驗室試驗中通常要做的環境試驗包括：低氣壓、高溫、低溫、溫度—高度、溫度沖擊、振動、沖擊、加速度、噪聲、減壓、炮振與外掛物投放振動、濕熱、鹽霧、砂塵、霉菌、太陽輻射、絕緣介電強度、爆炸性大氣、絕緣電阻和電磁兼容性等試驗。4.7.6節規定了驗證可靠性需要進行老煉試驗、可靠性增長試驗、可靠性鑒定和驗收試驗、熱驗證試驗等。

2.3.2 系統綜合試驗

飛行試驗是“試驗”驗證的首選方法。但出于安全或成本考慮，許多要求不能在飛行試驗中驗證。在飛行試驗不可行的情況下，一般選擇系統綜合試驗（即GJB 2878–1997中的4.7.10.2節規定的飛控“鐵鳥”試驗和機上地面試驗），建立運行試驗條件，試驗條件需精確地代表地面和飛行中飛控系統的實際運轉情況，其飛行階段和飛行包線則按飛行品質要求來定義。

2.3.2.1 飛控“鐵鳥”試驗

“鐵鳥”是在首飛之前用來驗證飛行控制系統設計的工具，同時在飛行控制系統的研制中也是有用的工具。這一工具在功能上與飛機的飛行裝置越相似，則試驗結果的置信度也越高。裝有飛行控制系統并能模擬飛機飛行動力學的飛機機體是理想的功能樣機。在“鐵鳥”上使用機體是越來越流行的做法——尤其是在飛行控制系統機體相互作用情況很復雜的地方。功能樣機是否包括模擬操縱面氣動鉸鏈力矩裝置，取決于具體的需要，這應由承制方加以論證決定。用模擬飛機結構彈性代替飛機結構的地方，應由承制方通過對彈性的詳細分析來驗證。

GJB 2191–1994中的4.3.2.2節規定的試驗可以分別進行，或者如有可能，可以一項試驗滿足多項要求。例如，在性能（響應）試驗中，可以驗證結構的強度和剛度，而疲勞要求可以作為耐久性試驗的一部分來驗證。值得注意的是，如果得到批準，規定的最低要求試驗可以在備選試驗設施上進行，例如，可以認為在某些情況下，單獨部件的壽命/載荷試驗是合理的。

2.3.2.2 機上地面試驗

飛行控制系統機上地面試驗的重點是在真實的機載環境下研究裝機系統的工作性能。所謂真實的機載環境包括：絕大部分飛行控制系統硬件是按真實使用狀態安裝在機上的，例如作動器、計算機、控顯裝置等；部件間的電氣聯接和使用狀態較為一致，包括電纜走向和布置；與飛行控制系統接口的液壓系統和供電系統是真實的系統，飛機上液壓和電氣負載是接近實際的，還包括安裝設備的機體強度與剛度，以及一個真實的電磁環境[2]。

2.3.3 飛行試驗

GJB 185–1986《有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質》中給出了用于評價各種飛行試驗狀態的一般指導性建議。GJB 2191–1994和GJB 2878–1997中的飛行試驗與GJB 185–1986中的要求是相一致的（如GJB 2191–1994中的4.3.4節中規定：在制定飛行試驗計劃時，應當考慮GJB 185中的設計和試驗狀態的指導性建議表），試驗數據的要求可以是相同或者前后相關的。如當空速從0到1.15VL時，增益裕量按GJB 185–1986中的表3的要求。飛行試驗中，在一直到VL的所有飛行速度下，針對關鍵性的飛行形態，驗證預計的增益裕量進行驗證。GJB 2191–1994中規定：“飛行試驗數據應該用于驗證分析所預測的趨向，并應該與飛行控制系統規范的性能要求和設計要求相比較。為驗證用分析數據來擴充或外推飛行試驗數據以表明是否符合要求應有可供比較的數據趨向。”即要證實在飛行試驗數據和分析預測數據之間可供比較的變化趨勢。由于對增益裕量作完整的飛行試驗檢查是昂貴的，因而不推薦，但為了核實預計裕量所用的分析趨向，應該測得足夠多的增益裕量飛行試驗數據點。

3 結論

GJB 2191–1994和GJB 2878–1997都在其“質量保證規定”這一章中規定的驗證方法提供了飛機飛行控制系統研制過程中所有活動以及整個項目的結構和時間段的計劃性和系統性的模態，但其規定的內容又各有不同，互有交叉。本文對上述兩項國軍標中分別規定的分析、檢查、試驗等三種驗證方法進行了分析，給出了一套統一的研究驗證方法的思路，為型號研制過程中合理有效使用相關規范提供參考和依據。

[1] 凌和生. GJB 2191的編制與貫徹. 航空標準化與質量[J]. 1998（5）.

[2] 張德發, 葉勝利等.飛行控制系統的地面與飛行試驗[M].北京：國防工業出版社, 2003.