民機航電系統高寒適應性驗證技術研究

孟 超，肖 妮

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引 言

CCAR-25部25.1309（a）規定，凡航空器適航標準對其功能有要求的設備、系統及安裝，其設計必須保證在各種預期的運行條件下完成預定功能。航電系統作為民用飛機的神經網絡，是飛機最重要的組成部分之一，航電系統在各種預期環境下能否完成其預定功能是民機飛行試驗的重要內容。

我國幅員遼闊，自然條件差異大，西北、東北等大面積區域屬于高寒地區，冬季最低氣溫達－40℃，在這種超低溫環境下，需要通過飛行試驗驗證民用飛機的航電系統能否正常工作。

國外民機大量的經驗表明，盡管各零部件在實驗室中均進行了低溫試驗，但寒冷侵透后的整機系統在高寒環境下并不能確保其功能達到預期要求。高寒環境對飛機的影響是系統性的，而不僅是對發動機或單個零部件的影響。

因此開展高寒環境對機載航電系統的影響分析，研究民用飛機航電系統高寒試驗方法，對民用飛機航電系統的設計和維護具有重要意義。

1 高寒環境的特點及對航電系統的影響

高寒地區是指常年低溫、凍土常年不化的地區。我國屬于高寒地區的有黑龍江省北部、青藏高原、甘肅、內蒙古以及云南部分地區。高寒地區通常還伴隨著高海拔或高緯度，地形復雜、氣候惡劣且變化無常，主要特點是氣溫低且持續時間長。冬季氣溫通常在－20℃以下，最低氣溫可達－40℃。晝夜溫差較大，最大可達20℃。如果是高海拔地區，還存在空氣密度低、日照時間長、紫外線輻射強烈、氣候干燥等環境特點。

高寒氣候環境對民用飛機航電系統的影響主要包括以下幾方面：

（1）低溫會導致電子設備啟動困難。環境溫度過低會對電子設備的正常啟動造成影響，如暖機時間增加，嚴重時甚至無法啟動。

（2）低溫會導致某些電子設備無法正常工作。當外界環境溫度低于－30℃時，液晶屏等顯示設備易出現黑屏等現象，導致飛行員失去飛機航向、姿態、速度等重要參數的顯示，危及飛行安全。

（3）低溫導致顯示控制延遲。當飛行員通過CCP，DCP，RSP上各按鈕和旋鈕對顯示控制系統操作時，這些控制部件可能會出現反應遲緩、延遲較大等現象。

（4）晝夜溫差大影響電子設備的使用壽命。高寒地區白天地面在太陽強烈的輻射下溫度較高，而晚上地面溫度會迅速下降，導致晝夜溫差較大。若飛機長時間停放在晝夜溫差大的環境下，則電子器件短時間內會頻繁地熱脹冷縮，壽命受到影響。溫差大還會導致傳輸電纜、機械撐桿等橡膠、金屬部件變脆，航電系統零部件斷裂隱患加大。

（5）日照長、紫外線輻射強導致電子設備故障率較高。高寒地區植被少、地勢高，因此空氣透明度較高。雖然氣溫低，但太陽輻射量大，會加速傳輸電纜、波導密封圈等橡膠、塑料類零部件老化，易變硬、變脆，導致絕緣強度降低，機油、潤滑油黏度下降，造成氣象雷達等設備出現傳輸損耗大、零部件失靈、機械漏油等各種故障。

2 試驗前的準備工作

2.1 對試驗飛機的要求

生產構型飛機方可用于高寒試驗，若與生產構型存在偏離，則需進行一次差異性評審，確定偏離對試驗的影響，以及需要后續補充的高寒試驗內容。因此需要一個特定文件用于說明該種構型的偏離，同時說明其可接受性。該文件得到局方的評審和批準后，才能開展相應的試驗。在高寒試驗前，需要檢查飛機的航電系統制造符合性，該檢查用于確定飛機的設計是否適合預定的試驗。

航電系統的高寒試驗對飛機的飛行時間沒有明確要求，新飛機經過若干架次檢飛后，可開展高寒試驗。但需要對該飛機在非高寒環境下的航電系統功能進行確認，以便在高寒試飛發現問題時，能夠明確該問題是由高寒環境導致，而不是航電系統本身的問題。

2.2 試驗溫度和寒冷侵透時間

通過參考國外的相關標準要求來確定高寒試驗的溫度和寒冷侵透時間。加拿大的國土面積中高寒地區占比高，因此加拿大對民用飛機高寒適應性要求最高。在其咨詢通告AC500-006中，建議在－35℃條件下開展高寒適應性試驗。飛行需要在發動機關車情況下暴露于周圍環境低于－35℃（含－35℃）條件下進行試驗。若替換為周圍環境能夠達到的最低溫度（該溫度高于－35℃）進行該項試驗，則該溫度值需由申請人提出，并獲得局方批準。經驗表明，－35℃是較易實現的低溫，并且在此氣溫下可達到試驗的目的。

在整個寒冷侵透周期內，地面的環境溫度不斷變化，因此要求所有時刻溫度均低于－35℃是不現實的，建議采用寒冷侵透期間的平均值作為寒冷侵透的溫度值。

基于飛機的類型和使用環境確定飛機寒冷侵透時間，運輸類飛機建議的寒冷侵透時間至少為10 h，通常會將飛機停放在機庫外進行一整夜寒冷侵透。

2.3 試驗的儀器設備

整個試驗期間，系統操作以及顯示器的響應等應由攝像設備或視頻采集設備進行記錄，時間類的統計需用秒表，并提供機組的使用評述，包括顯示屏的顯示亮度、操作的延遲感受等。

溫度檢測設備用于確定飛機在試驗時所處的外界溫度。如果在低溫下暴露的時間足夠長，那么當地氣象部門記錄的溫度數據足夠使用。寒冷侵透期間的溫度每小時記錄一次，地面試驗期間的溫度每分鐘記錄一次，飛行試驗期間的溫度可采用大氣數據系統給出的靜溫。

3 試驗方案設計

高寒適應性試驗分為三個階段，分別為寒冷侵透階段、地面試驗階段和飛行試驗階段。試驗流程如圖1所示。

為了更好地達到高寒試驗的目的，體系化的操作檢查單是必不可少的，用于表明整機的航電系統能夠正常工作，并且不對安全構成威脅。

航電系統的高寒試驗應足夠詳細，并給出合理的結論，表明飛機的航電系統在低溫下能夠持續正常工作，并且不對飛機的安全構成威脅。對試驗過程中出現的故障或系統異常應全部進行記錄和分析，確定其對飛機設計、維護和操作程序的影響。

3.1 地面寒冷侵透試驗

按照已發布的飛機操作手冊和維護手冊中的程序進行寒冷侵透前的準備工作，特別注意維護手冊中“寒冷天氣維護要求”的章節，其中可能會有特殊的維護要求，如對發動機和空氣管路的遮蓋保護等。

圖1 試驗流程圖

寒冷侵透的時間要求為大于10 h，一般選擇12 h。在整個寒冷侵透期間，通過當地氣象部門記錄溫度等氣象數據，記錄時間間隔為1 h。除了溫度，建議同時記錄風速和風向。取寒冷侵透期間的溫度平均值，低于－35℃方可進行后續試驗。某型機寒冷侵透期間的溫度曲線如圖2所示。

圖2 寒冷侵透期間的溫度曲線

3.2 寒冷侵透后的地面試驗

完成寒冷侵透且溫度滿足要求后，進行航電系統的高寒適應性地面試驗，主要試驗內容和方法如下：

（1）顯示器暖機時間

依 次 開 啟 左 PFD， 左 MFD， 右 PFD， 右 MFD，ED，ISI，左CDU，右CDU，左RTU，右RTU，記錄上述設備整個開機過程的總時間（即暖機時間，單位為分鐘），并記錄試驗時刻的溫度值。

（2）EICAS和EFIS顯示控制功能檢查

通過操作CCP，DCP，RSP上各按鈕和旋鈕，觀察顯示器的顯示響應，試驗人員給出使用評述。

EICAS評述的內容包括但不限于下列內容：CAS信息翻頁和隱藏，ED轉換到MFD上顯示，燃油簡圖頁，防冰簡圖頁，監控簡圖頁，艙門簡圖頁，飛控簡圖頁，液壓簡圖頁，概要頁和電源簡圖頁等。

EFIS評述的內容包括：PFD導航源切換，PFD FORMAT控制，PFD氣壓設置，PFD菜單控制，PFD速度基準，PFD氣象雷達，PFD地形，PFD氣象，PFD交通，PFD導航范圍顯示，MFD菜單選擇和控制，MFD STAT按鈕，MFD NAV DATA顯示，MFD 操縱桿控制，MFD地形，MFD氣象，MFD交通，左MFD切換，右MFD切換，大氣數據源切換，航姿源切換等。

EICAS和EFIS的檢查內容以快速檢查單的形式列表，包括機務具體實施和操作，試飛工程師記錄試驗結果和試驗時刻的溫度。重點關注功能是否正常，是否出現黑屏，是否存在操作延時等。

3.3 高寒適應性飛行試驗

完成高寒適應性地面試驗且功能正常后，飛機起飛，進行高寒適應性飛行試驗。飛行過程中檢查并評估飛行管理系統、大氣數據系統、航姿系統等工作情況。主要檢查內容包括：

（1）飛行管理系統：飛機按飛行計劃執行。

（2）大氣數據系統：觀察高度、速度。

（3）航姿系統：觀察俯仰、橫滾、航向。

（4）自動定向儀：觀察方位。

（5）空管應答機：與地面通信檢查代碼和高度。

（6）甚高頻全向信標：觀察方位。

（7）測距器：觀察距離。

（8）集成式備用儀表：與PFD比較高度、速度、姿態。

（9）EFIS：切換畫面。

（10）EICAS：切換畫面。

（11）通信：不帶氧氣面罩和帶氧氣面罩兩種狀態下，與地面塔臺進行話音通信。

（12）儀表著陸：觀察截獲情況。

（13）指點信標：收聽識別音。

4 試驗結果分析

在某型民機的高寒試驗過程中，發現了兩類問題，分別采用對應的解決方案，具有一定的代表性，是解決高寒適應性問題的典型途徑。

一種解決方案是通過修改飛行操作程序或維護程序，通過特殊的操作程序達到設備在高寒環境下正常工作的目的。例如，在某高寒試驗過程中，幾乎所有電子設備在寒冷侵透后，無法正常啟動，而在短時間內要求這些設備適應－35℃的低溫是不現實的。因此補充完善機務維護程序，增加了“寒冷天氣維護要求”，明確規定：在寒冷條件下，采用空調車對E/E艙和駕駛艙進行加溫，駕駛艙溫度達到－15℃以上方可供電，啟動航空電子設備。但該解決方案可能會增加操作的復雜性、維護成本和飛機再次出動的準備時間。

另一種解決方案是對設備本身進行改進。例如，在某型民機的高寒試驗過程中，修改了機務維護程序后，按照“寒冷天氣維護要求”，采用空調車對E/E艙和駕駛艙進行加溫，駕駛艙溫度達到－15℃以上后，航電設備依次供電。左PFD，左MFD等9個設備的暖機時間均能滿足使用要求，而右RTU的暖機時間超標。因此需要設備本身進行優化改進，以滿足高寒適應性的要求。

5 結 語

本文基于我國自行研制的新支線飛機ARJ21-700展開研究并在試飛中成功應用，可為后續其他新研民用飛機（如C919大型客機、新舟－700飛機）的航電系統高寒適應性試飛提供重要的借鑒和參考。

高寒對航空電子設備的影響除功能以外，還體現在使用壽命和可靠性等方面，僅靠若干架次的高寒飛行試驗遠遠不夠，還需結合飛機在高寒地區的運營，通過一定數量的統計分析，給出使用壽命和可靠性方面的結論。

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