民用飛機集成驗證試驗平臺規劃研究

朱 川 徐德勝 謝殿煌 郭曉燕 / ZHU Chuan XU Desheng XIE Dianhuang GUO Xiaoyan

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

為了滿足客戶的需求，提高市場競爭力，民用飛機制造商不斷推進技術創新，為驗證飛機需求增加了復雜性和驗證難度，給試飛試驗增加了試飛架次和排故難度。大中型民用飛機在研制過程中普遍采用地面模擬試驗技術來支持飛機級系統設計驗證和適航驗證。隨著現代民機技術的發展，電傳操縱和主動控制技術、高度綜合的航空電子及機電綜合技術等成為了民用飛機新技術的發展方向，系統間的交聯關系越來越復雜，多系統之間的交聯試驗需求越來越迫切并成為必須要完成的試驗內容。

多系統之間的綜合驗證試驗是飛機需求最直接有效的驗證手段。國外著名民用飛機制造商對不同機型采用了不同集成驗證方法：波音777飛機采用了飛機系統綜合試驗臺，綜合了電源系統、飛控系統、機電系統、航電系統、環控系統、推進系統等關鍵機載系統[1]；波音787采用了模塊化集成方式，綜合了飛控系統、液壓系統、航電系統、起落架系統和環控系統等關鍵機載系統[2]；空客A350采用了Aircraft “Zero”試驗臺和集成仿真試驗臺，Aircraft“Zero”試驗臺綜合了鐵鳥飛控系統、液壓系統、起落架系統和電氣系統，集成仿真試驗臺綜合了真實的駕駛艙和飛機電子[3]。

全機集成驗證技術不僅提高了飛機地面模擬試驗的充分性，增強了試驗結果的可信性，而且能夠利用飛行試驗數據在試驗臺上進行飛行復現，實現系統飛行故障在地面的復現和檢查，對飛機故障的排除和飛行安全起著重要作用。因此，對民用飛機集成驗證試驗平臺規劃進行研究具有十分重要的意義。本文在分析了全機集成驗證需求的基礎上，借鑒了國外飛機系統集成驗證經驗，提出了一種全機集成驗證試驗平臺方案。

1 需求分析

民用飛機在研制過程中的試驗需求包括設備級驗證需求、系統級驗證需求、多系統級驗證需求、全機級集成驗證需求。

1)設備級需求：對飛機的功能和性能起到重要影響作用的機載設備的功能、性能、安全性、穩定性等進行驗證，確保機載設備的完好；

2)系統級需求：驗證系統的功能符合設計要求，驗證系統動、靜態性能符合設計要求，驗證系統故障檢測/隔離/告警功能，驗證系統和其他系統的接口正確性；

3)多系統需求：通過不同系統之間的交聯試驗，驗證系統聯合工作的功能和性能是否滿足設計要求，驗證不同系統之間接口信號的正確性，驗證不同系統之間的控制邏輯、響應是否正確、可靠、達到設計要求；

4)全機級需求：開展各種飛行場景和飛行操作模擬試驗，動態檢查飛機系統交互邏輯、飛機系統與駕駛員邏輯接口，包含故障條件下系統之間的邏輯，驗證全機告警系統設計是否合理，優化全機能量和數據流需求，暴露飛機系統協同工作內部缺陷，增長飛機系統設計和集成的成熟度。此外，支持試飛試驗，復現故障和排故[4]。

2 試驗平臺規劃

2.1 規劃思路

圖1 全機集成驗證平臺規劃思路

如圖1所示，全機級集成驗證試驗平臺的規劃是從飛機試驗需求出發，以傳統的飛機子系統試驗驗證技術為基礎，在系統設計及系統試驗方案制定時綜合考慮各相關系統試驗設施的配置，既有利于各系統的單獨試驗，又能進行多系統集成試驗，突破了傳統試驗方法中各系統“各自為政”的試驗理念，創造系統“大綜合”的試驗思路。

在全機級集成驗證平臺建設過程中，弱化專業界限，從試驗需求出發，自下而上驗證，通過模型迭代實現從虛擬集成驗證到物理集成驗證、從單系統集成驗證到多系統集成驗證的轉換，最終形成完善的飛機級集成驗證試驗環境。

2.2 規劃原則

集成驗證試驗平臺的規劃主要遵循以下原則[5]：

1)真實構型原則

為了保證試驗結果的可信度，在進行集成驗證試驗平臺的規劃時，試驗構型應盡可能逼近飛機真實構型。

2)最先需求原則

根據民用飛機集成驗證試驗的整體建設規劃和系統對飛機的影響，對試驗平臺的項目、資金、設備、場地等資源進行設計規劃和配置優化。

3)先進性原則

從試驗項目的規劃到試驗方案的選擇，整個過程都要與民用飛機集成驗證技術的發展緊密結合。在綜合考慮技術前瞻性和技術成熟度的基礎上，合理規劃試驗平臺及試驗項目。

4)資源共享原則

民用飛機的各個系統并不是相互獨立的，而是密切的聯系。因此，在建立集成驗證試驗平臺的時候，需要統籌考慮不同系統之間功能及技術上的的聯系，對于具有相同試驗需求，或重疊試驗需求的不同系統，在充分考慮試驗時間安排的前提下，建立可以共用的試驗平臺，以充分提高試驗設備的利用率，實現最大程度的資源共享。

5)綜合建設原則

民用飛機在設計過程中不僅有系統級的試驗需求，還有飛機級的試驗需求。飛機級集成驗證試驗要求在盡可能接近飛機真實構型下進行功能及性能試驗，這就要求在進行試驗平臺的規劃時要考慮不同系統試驗臺之間的交互作用。

6)可擴展原則

民用飛機各系統的試驗需求可能會隨著飛機研制進程中遇到的問題而出現新的試驗驗證需求，因此在試驗平臺規劃時要充分考慮擴展試驗功能，為試驗功能的提升和持續發展提供可能。

7)規范化管理原則

民用飛機集成驗證試驗包含了不同系統、不同專業的試驗需求驗證，為了滿足不同系統、不同專業對驗證試驗的需求，需要在符合企業實際情況下制定科學、規范的管理模式，為快速、高效地完成各級試驗需求任務提供保障。

2.3 綜合試驗平臺組成

根據以上規劃思路及原則，本文提出了一種基于“分布式”布局的民用飛機集成驗證試驗平臺規劃方案。將具有相同或相似試驗需求的系統規劃到同一個試驗臺，然后將不同的試驗臺通過互聯系統進行聯通[6]，構建全機集成驗證試驗環境。

2.3.1 仿真試驗臺

虛擬仿真平臺在飛機設計的早期階段，通過仿真的方式對系統的控制邏輯關系、功能關系、輸入/輸出參數、數據流進行需求確認，對系統進行可行性分析、驗證，對全機能量流及信號流進行優化，有助于進行早期評估以及資源優化，在短時間內檢驗構型變化，減少開發時間。為了滿足全機級的驗證需求，仿真試驗臺應該具備與真實飛機相同的仿真模型，其中包括各系統的模型以及飛行過程中的各種環境模型，如圖2所示。后續繼承系統數字仿真的結果，并將其轉變成為具備真實物理接口的實時仿真模型[7]。在真實設備研制出來后，通過真件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成試驗平臺的集成工作。

圖2 大規模飛行仿真

2.3.2 鐵鳥綜合試驗臺

鐵鳥綜合試驗臺主要是驗證主飛控系統、高升力系統、液壓系統、起落架系統以及剎車系統的功能及性能的符合性，除此之外，還要驗證各系統結構安裝定位的準確性、機械運動的合理性、控制邏輯的正確性、計算機軟硬件運行的正確性及匹配性以及各種工作模式下各系統的控制率，如圖3所示。

圖3 鐵鳥綜合試驗臺

鐵鳥綜合試驗臺架構主要安裝有主飛控系統、高升力系統、液壓系統、起落架系統和剎車系統LRU(Line Replaceable Unit，簡稱LRU)試驗件、結構試驗件、管路試驗件以及電纜試驗件，除了受客觀原因所做的必要等效或簡化外，試驗臺構型應與真實飛機構想完全相同[8-9]。

為了試驗方便，鐵鳥綜合試驗臺建設有獨立的模擬駕駛艙，并且通過視景仿真系統模擬更加直觀反映試驗時飛機的飛行狀態。此外，為了保證試驗安全，平臺還有視頻監控系統。

2.3.3 航電綜合試驗臺

航電綜合試驗臺主要用于支持航電各子系統的原理仿真驗證，既可用于前期的概念設計驗證，也可用于后期各子系統功能及性能的符合性驗證。

航電綜合試驗臺架構如圖4所示，主要包括測試系統、數據管理系統、非航電系統仿真試驗臺[10]和航電相關系統試驗模塊。航電相關系統試驗模塊包括：通信系統試驗模塊、指示/飛行數據記錄系統試驗模塊、導航/監視系統試驗模塊、機載維護系統試驗模塊、自動飛行系統試驗模塊以及其他與航電系統有數據交互的系統仿真模塊。

圖4 航電綜合試驗臺

2.3.4 電源綜合試驗臺

電源綜合試驗臺主要驗證供電系統的供電性能、容錯能力和控制功能，除此之外，還要驗證配電系統的邏輯原理、配電原理、負載特性、接口與功能，并對電源系統處于故障狀態下對飛機的影響進行評估。

電源綜合試驗平臺如圖5所示，主要由試驗控制系統、供電系統、配電系統、模擬負載、測試系統和半物理仿真系統等組成。

圖5 電源綜合試驗臺

為了驗證以上試驗需求，除主發動機的動力源采用電力拖動系統和部分用電設備采用變頻模擬負載外，組成電氣系統的部件都應是與裝機產品相同的定型產品試驗件，饋電線和控制線的規格、長度、線束組合以及盤箱盒等都與飛機設計情況一致[11-12]。輔助發電機的動力源采用真實輔助動力裝置驅動，并采用航電及仿真系統支持電氣系統的驗證試驗，電氣系統的布局與機載狀態保持一致。以確保實驗室驅動裝置與實際驅動裝置特性之間差異不超出允許范圍，以避免因差異造成對系統性能的影響。

2.3.5 其他試驗臺

除了集成到上述平臺的試驗設備外，還有一些單獨的試驗設備如三軸轉臺、總靜壓模擬器、加載系統等一并對全機集成驗證試驗進行支持。對于一些無法方便集成到上述試驗臺的系統，可以單獨規劃單系統試驗臺進行系統驗證。

3 某型號全機級試驗集成方案

以某型民機為例，在進行飛機級集成驗證試驗時，不同的綜合試驗平臺應能夠通過互聯系統實現試驗網絡的互聯互通，主要包括不同平臺設備之間、真實設備與虛擬設備之間的信號交互。

3.1 集成驗證試驗架構

全機級集成驗證試驗架構如圖6所示。

圖6 飛機級集成驗證試驗架構

1)航電綜合試驗臺提供工程駕駛艙、真實的航空電子系統、告警系統、顯示系統等，外部環境的大氣數據、位置信息、地面塔臺及衛星發射的無線電波及視景信息由相關的仿真試驗臺提供；

2)鐵鳥綜合試驗臺提供真實的主飛控、高升力、液壓、起落架系統，提供飛行仿真系統、數據采集系統、舵面加載系統、物理效應激勵設備和部分飛機系統信號仿真設備；

3)電源綜合試驗臺為鐵鳥綜合試驗臺及航電綜合試驗臺的試驗件及各用電設備供電，此外，還通過航電網絡與其他系統進行信號交聯；

4)廠房互聯系統提供各種信號的傳輸和中繼。

3.2 試驗件互聯

試驗件互聯系統包括信號互聯和強電互聯。

基于“分布式”布局的航電綜合試驗臺、鐵鳥綜合試驗臺和電源綜合試驗臺之間的距離較遠，因此，信號會因為遠距離傳輸而出現衰減和失真情況。各試驗臺之間傳輸的信號類型主要包括ARINC429信號、ARINC664信號、離散量信號、模擬量信號。對于離散量信號和模擬量信號而言，過長的距離會導致其衰減，因此交聯時必須增加中繼；對于ARINC429信號、ARINC664信號來說，過長的距離會導致其波形失真，因此交聯時必須增加中繼[13]。針對這種情況，可以利用“電光-光交換機-光電”轉換技術，實現電氣信息的遠距離和無損傳輸，實現多試驗平臺的物理接口互聯互通。

為了盡可能地模擬飛機真實工作環境，在進行飛機級集成驗證試驗時，電源綜合試驗臺為鐵鳥綜合試驗臺和航電綜合試驗臺的試驗件及相關用電設備供電。根據MIL-M-25500B的要求[14]，在試驗室試驗時，飛機電源系統饋電線和控制線的規格、長度、占空位置、線束組合與支撐方法等都必須保持與飛機設計情況相同。因此在進行飛機級集成驗證試驗時，需要建設專門的供配電試驗電纜，將不同試驗平臺的真實負載掛接在電源系統綜合試驗平臺上提供真實的供配電環境。

3.3 試驗設備互聯

試驗設備互聯系統包括不同試驗平臺間設備的時鐘同步，試驗數據互聯互通，仿真數據的實時交互。

1)時鐘同步系統：利用統一的GPS時鐘源授時，采用1588時鐘同步協議，保證各試驗臺、仿真系統都在同一個時間基準下完成互聯和試驗；

2)以太網：通過千兆以太網實現試驗數據、文件、視頻等的互聯互通；

3)實時光纖反射內存網：基于反射內存的仿真數據互聯網絡，將飛機模型、發動機模型等仿真數據實時交互，實現模型資源共享，數據優勢互補。

3.4 試驗接地

適航標準和相關的設計規范規定飛機級系統綜合試驗必須模擬真實的機載設備和電搭接環境，因此在進行飛機集成驗證試驗環境規劃時，必須充分考慮不同試驗平臺間的接地問題。對于真實的飛機而言，飛機結構作為一個等電位聯結體為飛機系統提供各種信號的系統地參考點，并提供用于抑制電磁干擾和防靜電的電搭接點。

飛機級集成驗證試驗主要需要做好兩大類電氣裝置的接地：試驗設備接地和飛機系統試驗件接地。利用接地銅匯流條將鐵鳥綜合試驗臺、航電綜合試驗臺、電源綜合試驗臺連接成一個整體，作為全機級集成驗證試驗環境下的等電位體。等電位聯結體為飛機各系統試驗件及試驗設備提供低阻抗回路，并為測試信號和電搭接提供良好的基準電位參考點。飛機電纜饋電線的中性線(N線)和負線、飛機電纜信號線中的N線和負線、飛機電纜中的屏蔽線的屏蔽層搭接線、飛機試驗件外殼、信號測試和加載系統電纜中的數據采集信號和輸入的飛機電源N線和負線均應按有關圖紙和規范的規定接入等電位體[15]。

3.5 試驗開展

基于以上集成方案及平臺進行了以下試驗：(1)作動器等試驗件的性能驗證；(2)飛控、液壓、起落架、剎車、電源、航電等系統的功能與性能驗證；(3)航電與非航電Rig、航電與鐵鳥、航電與電源、鐵鳥與電源等不同系統與平臺的交聯試驗；(4)首飛飛行剖面模擬、300/450 m航線起落以及特殊場景等全機級驗證試驗。以上試驗均取得了良好的試驗結果。

4 結論

在充分分析全機集成驗證試驗需求的基礎上，借鑒了國外飛機系統集成驗證經驗，遵循試驗平臺規劃原則，提出了鐵鳥綜合試驗臺、航電綜合試驗臺和電源綜合試驗臺的建設方案。以某型民機為例，通過廠房互聯系統將不同試驗臺連接起來組成了全機集成驗證試驗平臺，進行了相關試驗，提高了集成工作質量，大大提升了全機集成驗證試驗的有效性和置信度。