國外民機研制試驗驗證框架體系概述

劉立豐+徐真+張勇+張玉宏

【摘 要】民用飛機研制過程中的試驗驗證工作貫穿于型號研制的全過程，是產品定義、概念設計、產品研制、產品安全持續運營等階段必不可少的證明方法。開展試驗驗證的首要前提是建立完整的試驗驗證框架體系。本文介紹了國外主要航空企業現存的試驗驗證框架體系，包括試驗驗證的各個階段以及在各階段需完成的試驗種類等，為國內民機制造商試驗驗證框架體系的建立提供參考。

【關鍵詞】民用飛機；研制階段；試驗需求；試驗驗證體系

0 引言

民用飛機研制工作已有上百年的歷史，是一項成熟的工業體系過程，但研制過程的技術含量高、系統復雜、研制周期長，對研制管理工作要求極高。試驗驗證是飛機主制造商的核心能力之一，在型號研制過程中具有非常重要的作用。主要體現在以下三個方面。[1]

1）試驗驗證是確保型號任務“一次”成功的關鍵因素之一；

2）試驗驗證是向適航表明型號符合性的重要方法之一；

3）試驗驗證是持續獲得新技術、新材料和新工藝的主要方法之一。

波音、空客均有自己的標準化試驗體系指南，各個型號研制在其基礎上開展適用性裁剪或擴展，達到指導型號研制的目的。國產民機要想與技術、集成與系統成熟的波音、空客競爭，很重要的一方面就是必須加大力度開展基礎試驗和應用試驗研究，加速試驗技術積累，彌補自身薄弱環節。[2]

本文介紹國外航空企業現存的試驗框架體系，為國內民機制造商試驗驗證框架體系的建立提供參考。

1 波音試驗框架體系

波音公司的試驗驗證隸屬于波音公司的DT&E部門。根據波音2006年版本的WBS & Dictionary文件[3]，試驗和驗證主要包括以下10個方面，如圖1所示：

1.1 試驗規劃、管控與集成

該部分職能主要是開展試驗統籌規劃，試驗的控制管理，過程控制，以及試驗的集成驗證。

1.2 風洞試驗

該部分職能主要是開展各種風洞試驗：包括低速風洞試驗、高速風洞試驗、跨音速風洞試驗、超音速風洞試驗等，以支持方案設計及確認試驗。

1.3 試驗室研發試驗和驗證試驗

該部分職能主要包括各種在試驗室做的研發和驗證試驗。是民機研制階段的最重要的和比重最大的試驗組成部分。又可細分為下面幾個部分：結構試驗、系統試驗、推進系統、載荷系統、空氣動力學試驗、重量試驗、噪聲試驗、飛控試驗、客戶支持類相關試驗等。

1.4 集成地面試驗

完成上述各個系統的單獨試驗室測試后，接下來就是集成地面試驗。這部分基本上也是按照結構、系統、推進系統、載荷、重量、噪聲等類別來分類的。包括結構試驗、系統試驗、推進系統、載荷系統、重量試驗和聲學噪聲試驗等。

1.5 試飛試驗

試飛試驗是民機研制階段試驗圖譜中必不可少的一環。它也是一個飛機型號能否取得型號合格證的關鍵試驗階段。波音的試飛試驗主要包括基礎適航試驗、后續試飛試驗、產品出廠測試、研發試飛試驗。其中研發試飛試驗是最多的一類。主要的飛行開發試驗都在這個階段進行。其包括試飛結構試驗、試飛系統試驗、試飛推力系統試驗、試飛載荷試驗、試飛飛控試驗、試飛空氣動力學試驗、試飛噪聲試驗、試飛重量試驗、以及在試飛過程必須完成的客戶要求的或者銷售合同規定的試飛試驗。

1.6 主靜力試驗

在波音公司，靜力試驗主要分為下面三個步驟來進行：

1）試驗硬件準備：包括測試儀器儀表等；

2）靜力準備試驗：包括試驗硬件標定、試驗執行、數據收集和分析等；

3）靜力試驗設置、設計和裝配：主要包括靜力試驗設置、設計以及整體裝配等；

1.7 主疲勞試驗

疲勞試驗和靜力試驗一樣也可分為三個步驟進行：

1）試驗硬件準備：包括測試儀器儀表等；

2）疲勞準備試驗：包括試驗硬件標定、試驗執行、數據收集和數據精簡分析、數據分析和存檔等；

3）疲勞試驗設置、設計和裝配：主要包括疲勞試驗設置、設計以及整體裝配等；

1.8 樣機（實物模型）/數字預裝配模型

一般在民機研制過程中，實物模型或者樣機也是必須的一步。在波音內部，樣機實物模型分為四級：一級實物模型樣機、二級實物模型樣機、三級實物模型樣機和特殊實物模型樣機。其中前三級實物模型樣機每后面一個實物樣機都比上一個實物樣機更接近真機和增加了更多的功能。而且這三級實物模型樣機對應著不同的研制階段。特殊實物模型樣機是針對某種特殊機型而設計的。

1.9 新材料試驗

最近幾年來新型材料尤其是新型復合材料在民用飛機中得到了越來越多的應用。由于新材料的特殊性，波音把與新材料有關的試驗單獨分類出來研究。所有與某種新材料有關的試驗都必須經過嚴格的試驗后才可能應用于型號。具體與新材料相關的試驗包括如下：

1）與空氣動力學相關的新材料試驗

2）與重量相關的新材料試驗

3）與ETOPS相關的新材料試驗

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關的新材料試驗

5）與噪聲相關的新材料試驗

6）與結構相關的新材料試驗

7）與系統相關的新材料試驗

8）與推力系統相關的新材料試驗

9）與載荷相關的新材料試驗

10）與商業運營服務相關的新材料試驗

1.10 運營試驗

民用飛機研制的最終目的是進入運營為客戶創造價值。波音單獨把與運營有關的試驗作為一類來研究。主要包括下面的幾類：

1）與空氣動力學相關的運營試驗

2）與重量相關的運營試驗endprint

3）與ETOPS相關的運營試驗

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關的運營試驗

5）與噪聲相關的運營試驗

6）與結構相關的運營試驗

7）與系統相關的運營試驗

8）與載荷相關的運營試驗

9）與商業運營服務相關的運營試驗

2 空客試驗框架體系

空客公司是歐洲一家多國聯合的民用飛機制造、研發公司。在試驗室布局方面，由于多國聯盟的原因，它的試驗室分別分布在不同的國家，以系統集成實驗室為例，起落架、燃油實驗臺座落于英國， 高升力、貨艙實驗臺座落于德國，駕駛艙和航電集成坐落于法國，APU 電力坐落于西班牙。

在試驗方面空客公司同樣重視地面模擬試驗，并取得了顯著的實際效果。以空客A350為例，空客公司為該型號建立了綜合系統集成實驗室，該實驗室綜合了飛機的多個關鍵系統，可以開展飛機級的系統集成驗證試驗。經過充分的地面模擬試驗，A350飛機首飛飛行時間長達4小時零5分鐘，并且在10，000， 15，000和25，000ft的高空時艙內加壓。空客在首飛當日進行了兩次試飛，并于兩天后在巴黎航展上進行了第三次飛行。這一系列的飛行活動充分顯示了空客和適航（EASA）當局對于該型號前期地面驗證工作的肯定，顯示了對于型號安全性、可靠性的信心。

2.1 主制造商與供應商

空客集團經過近50多年的高速發展，在試驗驗證體系方面已經非常成熟。

關于如何分配主制造商和供應商之間的試驗分工，其主要考慮以下的因素：

1）經濟因素考慮：誰來做某個具體試驗更有成本優勢？公司現有的人員和設備狀況，以及主制造商和供應商之間的風險分擔因素考慮等。

2）技術因素考慮：全新技術相關的試驗驗證一般有空客自己來做。成熟的試驗一般分配給供應商來做。

3）由于空客是比較成熟的主制造商，一般來說，單個系統的試驗驗證以及在設備和元器件方面的試驗都外包給供應商來做。供應商承擔了越來越大的責任；而空客自己主要專注于飛機級的需求確認與驗證工作，包括多系統集成試驗，特別是功能集成測試，因為功能集成測試代表了飛機的綜合表現，覆蓋了更多的系統接口需求。

值得注意的是，由于目前國內民機制造商還不夠成熟，對于空客的這種分工方式未必適合，因此國內民機制造商需要根據自己的實際情況來決定和供應商的試驗分工。

2.2 系統集成試驗臺和功能集成試驗臺

空客集團公司提出了系統集成測試平臺和功能集成測試平臺的理念。

1）系統集成試驗平臺：主要是集成和驗證具體某一個系統和其子設備以及它們之間的仿真接口驗證等。這個工作一般由供應商負責。

2）功能集成測試平臺：主要是集成和驗證多個功能以及它們之間的功能接口。這個工作一般由空客來完成。

2.3 0架機與0架機試驗

空客公司在最新的A350 XWB上首次引入了“0架機”的概念及方法。空客集成階段的關鍵部分是一系列“0”試驗臺。這些試驗臺完全模擬了飛機上的真實系統。由于這些平臺與首架機MSN001非常逼近，因此將這些平臺集成后作為“0架機”。

“0架機”作為功能集成平臺，主要由如下5大平臺組成：駕駛艙“0”試驗臺（位于法國圖盧茲），鐵鳥臺（位于法國圖盧茲），機艙“0”試驗臺（位于德國漢堡），高升力“0”試驗臺（位于德國不萊梅），起落架“0”試驗臺（位于 英國菲爾頓）。

駕駛艙“0”試驗臺和鐵鳥臺作為集成仿真器，對飛機動態響應特性的模擬最為關鍵，因此這兩個試驗臺均位于圖盧茲，以盡可能減少聯網造成的系統時間延遲。與常規訓練仿真器最大的不同是，駕駛艙“0”試驗臺和鐵鳥臺均安裝了機載計算機真件而非仿真件。

集成仿真器用于兩大類試驗：第一類主要聚焦于給定系統與其周邊系統的集成試驗，第二類試驗主要是操作試驗，由飛行員操作仿真器，模擬飛行中可能出現的場景。在這些試驗中，整個飛機的所有性能均被分析檢查。2013年2月，集成仿真器具備了首飛構型后，開始為期約3個月的虛擬首飛。在此期間，試驗團隊針對首飛期間可能出現的所有場景（包括100%的潛在故障情形，如電力喪失（應急電力構型）或發動機動力的喪失情形）進行了仿真，并對飛機行為進行分析，對其系統進行檢查。

在首架機MSN001首飛前，通過“0架機”已完成上千小時的測試驗證，將首飛中所有可能的場景進行仿真。通過一系列試驗，在首飛前，飛行機組和設計人員已經對飛機及系統比較熟悉。當然，試飛總會出現一些意外，但大多數情形已經在首飛前被預測并改善。

通過在“0架機”上所進行的大量高效的地面試驗，及時、準確、全面地進行飛機級功能驗證及故障診斷排查等，確保了飛機構型及狀態在絕大部分時間就位，從而顯著縮短了試飛周期，尤其是研發試飛周期，從而使得A350飛機首飛后僅用13個月即取得了EASA頒發的TC證。

3 小結

試驗驗證是形成、實現、驗證、確認產品定義和保證產品持續處于安全、可用狀態必不可少的手段。因此，試驗驗證工作貫穿于型號研制的全過程，是各階段中必不可少的重要的證明方法。

本文介紹了國外主要的民機制造商在研制階段的試驗驗證框架體系，其完善的試驗驗證體系值得國內民機主制造商深入研究，同時其先進的大規模集成驗證試驗體系值得學習和借鑒。

【參考文獻】

[1]漢斯-亨利奇·阿爾特菲爾德.《商用飛機項目——復雜高端產品的研發管理》.

[2]徐建強.火箭衛星產品試驗，航天科技圖書出版社基金資助出版，中國宇航出版社，2012.

[3]Boeing Standard Work Breakdown Structure （WBS） and Dictionary， Rev E， January 2006.

[責任編輯：朱麗娜]endprint