大型民機飛機在環AIL集成驗證技術研究

張翰 謝殿煌

摘要：目前國內民機試驗驗證水平相對較低，鐵鳥和航電等集成試驗臺投資大、研制周期長，且試驗室集成無法安裝試飛的試驗設備，迫使現有飛機主制造商尋找新的集成驗證手段降低成本。從飛機在環（AIL）定義和設計原則出發，借鑒國外飛機級集成驗證試驗經驗，梳理出飛機在環綜合驗證技術路線和關鍵技術，提出一套飛機在環試驗方案。該方案縮小了試驗室試驗與試飛試驗之間的差距，為推進民機型號的研制進程以及開展全面、有效的全機系統機上地面試驗提供理論支持與技術支撐，在國內具有開創意義。

關鍵詞：民機系統;飛機在環AIL;飛機級集成驗證;視景系統

DOI：10.11907/rjdk.191268

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0159-05

0引言

大型民用飛機為數眾多的機載系統，彼此需求縱橫、功能耦合、信號交聯，實現飛機級分配的功能和共同實現飛機級功能，給機載系統綜合驗證增加了驗證難點和復雜性。為充分驗證系統級和飛機級需求，民機主制造商建立了航電集成試驗臺、鐵鳥集成試驗臺、電氣集成試驗臺、環控集成試驗臺等和全機系統集成試驗臺等集成驗證平臺，但這些綜合試驗臺建設周期長、資金投入大、人力投人多、占用場地大，且無法安裝試飛試驗設備，如應急撤離、失速傘、尾椎等，拉大了試驗室試驗與試飛試驗距離，迫使飛機主制造商尋找新的驗證手段以降低集成驗證成本，提高效率。

波音公司在20世紀90年代就策劃了飛機在環試驗，如圖1所示。

飛機在環試驗以真實飛機為試驗對象，將地面仿真車與飛機的各系統計算機或控制器相連接，根據試驗項目要求選擇關注的測試點，對飛機各系統施加電子或物理激勵，模擬飛機在飛行過程中的各類情況，記錄飛機各系統信號反饋和物理動作，通過測試系統將飛機的實際反饋與預期反饋進行對比，從而驗證飛機的各項功能和性能，主要監控發動機控制、飛控、電源、通信、駕駛艙顯示、慣導、大氣數據、攻角等系統工作情況。波音747-8型號的飛機在環試驗如圖2所示。

波音B787研制過程中，借助B777場景試驗仿真平臺，設計了場景測試用例，對飛機級需求、架構進行了確認和評估。為了提高全機系統綜合集成試驗臺性能，B787采用了“模塊化”試驗臺和787飛機在環AIL，在環AIL采用實像視景系統。如圖3所示，在首飛之前開展18小時飛行模型試驗，從正常飛行到系統失效進行大量場景試驗。試飛團隊和運行團隊通過飛機在環試驗緊密結合在一起。

我國民用航空工業起步較晚，雖然在ARJ21和C919飛機集成驗證試驗建立了鐵鳥試驗臺、航電綜合試驗臺和電源試驗臺，并且進行了兩鳥聯試和三鳥聯試，但由于條件限制，最后未達到基于飛行剖面模擬飛行的全機系統綜合試驗，也達不到飛機級需求驗證和飛機級功能需求驗證水平。我國民機系統試驗驗證能力與國外全機系統地面綜合驗證Aircraft_o尚存在較大差距，更不用說飛機在環AIL。

飛機在環AIL是民機集成驗證手段的變革，代表新一代的集成驗證水平。本文結合某大型民機，定義了飛機在環AIL，詳細研究了設計原則、試驗方案和關鍵技術點，為真實的飛機在環AIL綜合驗證試驗提供技術基礎。

1飛機在環（AIL）定義

以真實飛機作為試驗對象，地面外場和無氣動力條件下，開展駕駛員在環模擬飛行試驗，實時監控飛機系統參數，驗證各種工況下飛機系統控制和響應是否滿足設計要求，如圖4所示。

2飛機在環（AIL）集成驗證設計原則

飛機在環AIL集成驗證設計原則：①真實的飛機機載環境：真實機載系統、真實座艙環境、真實電磁環境、真實結構環境（結構非線性因素）、真實地面外場環境和真實試飛測試設備;②所有電子LRU是真實的和真實連接的;③提供給飛行員真實模擬飛行試驗環境;④發動機真實開車狀態。

3飛機在環（AIL）集成技術方案

3.1集成技術方案

根據飛機在環集成驗證設計原則，結合某大型民機，飛機在環AIL技術方案如圖5所示，由真實飛機、可移動視景系統、飛行仿真系統、地面無線電車、機載數據采集系統以及配套產品組成。

（1）可移動視景系統：計算機圖形生成系統和可移動式虛像顯示系統，能夠給駕駛員提供虛擬飛行外部環境。

（2）飛行仿真系統：能夠實時計算飛機運動方程、大氣環境、起落架仿真模塊、剎車系統仿真模塊、發動機仿真模塊、環控仿真模塊等，同時能夠激勵大氣數據傳感器、慣導系統、無線電導航系統、通信系統等。

（3）機載采集系統：能夠實時采集和監控機載系統，能夠實時仿真和進行模型比較，快速監控診斷。

（4）地面無線電車：能夠提供無線電通信信號和交互。

3.2飛機在環AIL綜合試驗信號架構

飛機在環AIL綜合試驗信號架構如圖6所示。

可移動方艙從航電系統抽引油門桿位置信號，飛控系統抽取舵面位置信號，實時計算六自由度方程和發動機方程。

可移動方艙通過以太網發出飛行姿態信號驅動可移動式視景系統，并從全球地形數據庫里讀取高度信號。

可移動方艙通過以太網發出空速、馬赫數、攻角等信號，注入大氣數據計算機。

可移動方艙通過以太網發出飛機姿態、速率、加速度信號，注入慣導系統計算機。

可移動方艙通過以太網發出高度等信號，注人無線電高度接收機、測距機（DME）、伏爾VOR等。

可移動方艙通過以太網發出輪載等信號，注人到起落架系統計算機（LGCU）中。

可移動方艙通過以太網發出輪速信號，注入到剎車系統計算機（BCU）中。

可移動方艙通過以太網發出結冰信號，注入到結冰探測系統計算機中。

機載仿真測試系統抽取航電系統、飛控系統和電源系統數據，進行實時監控。

3.3飛機在環AIL主要研究內容

飛機在環AIL技術實施路線如圖7所示，分為以下8個方面：

（1）飛機在環AIL頂層技術注入研究。從飛機級驗證需求出發，查找各種相關文獻，進行工程咨詢，研究飛機在環AIL集成驗證需求，研究飛機在環AIL技術方案、實施基本原則和安全，梳理其技術難點，并編制飛機在環AIL試驗任務書。

（2）飛機在環AIL信號注人研究。具體研究內容包含：對飛機在環AIL初步技術方案與動力系統、航電系統、飛控系統等機載系統工程進行協調，確定信號注入方案是否可以進行以及相關工程費用。

（3）飛機在環AIL試驗設備研究。研究可移動式視景系統技術方案和技術要求，研究可移動式方艙技術方案和技術要求，研究輪速激勵設備和輪載激勵設備等相關試驗設備，最終形成一套飛機在環試驗設備技術方案和技術要求。

（4）飛機在環AIL仿真模型研究。與發動機供應商協調，研究發動機仿真模型要求;研究燃油系統仿真模型和實時性方案;研究地面運動方程和剎車模型實時性方案以及技術要求。

（5）飛機在環AIL信號抽引研究。研究如何有效抽取舵面位置信號、剎車壓力傳感器信號和前輪轉彎信號。

（6）飛機在環AIL改裝評估。開展機械改裝評估，包括燃油系統柔性接頭改裝、起落架輪載信號機械改裝和輪速傳感器激勵改裝，大氣數據傳感器激勵改裝。開展電纜改裝評估，包括信號注入電纜改裝和信號抽取電纜改裝。試驗現場布置是否合理，以保證安全有效進行飛機在環試驗。

（7）飛機在環AIL可行性研發試驗。利用已有鐵鳥臺或航電試驗臺進行信號注入試驗、實時仿真試驗和信號抽引試驗。

（8）飛機在環AIL工程實施技術方案、技術要求發放和工程計劃編制。包括編制飛機在環AIL工程費用估計和飛機在環實施計劃。

4飛機在環AIL綜合試驗實施關鍵點

4.1關鍵點之一——信號注入口和抽引口

信號注人口和抽引口是飛機在環AIL的關鍵技術點。為了縮短研發進度，系統供應商通常利用電子LRU的信號注入口和抽引口，對LRU單元進行自動化測試。飛機在環（AIL）可以利用信號注人口和抽引口滿足飛機在環綜合驗證試驗理念——所有電子LRU都是真實的和真實連接的。

大氣數據系統、慣導系統、無線電導航、綜合監視系統、起落架系統、剎車系統、結冰探測系統等信號注入口和航電核心處理系統、電源系統和飛控系統的抽引口，在聯合設計階段（Joint Design Phase）落實工作分工SOW（srate-ment ofWork）。

4.2關鍵點之二——仿真模型

起落架機械部分仿真模型、剎車系統機械仿真模型是完成起落架功能、剎車功能的關鍵。國外主制造商通常專門提出仿真模型要求，并落實到SOW中;同時，建立一套仿真模型和功能邏輯模型，用于仿真與試驗一體化對比驗證，提供仿真模型給供應商，加快研發試驗進度。可通過與GE開展工作協調，獲得封裝的發動機本體模型和接口匹配方案;另外，對燃油系統仿真和剎車系統仿真建模，開展接口匹配方案，定義通用的仿真模型接口，從而完成仿真模型的封裝要求。

4.3關鍵點之三——可移動式視景系統

由于飛機離地較高，采用傳統的離軸虛像顯示系統會有安裝設計問題，因而采用可移動式視景系統技術方案，如圖8所示。

采用左右電控升降梯從飛機左右進入，電控定位，并保證視景系統重心安全。左右實像顯示系統按照相對位置定位，依靠左右封閉罩進行封閉。

5結語

本文主要介紹了飛機在環AIL綜合試驗的試驗驗證理念、技術方案、信號架構和關鍵技術，最終完成了一套飛機在環試驗方案和詳細技術路線，在國內具有開創意義。本文研究成果有助于提高我國民機系統綜合集成驗證能力和驗證水平;有助于推動民機型號發展，提前發現系統綜合問題和內部缺陷，保證飛行安全，從而提高飛機系統集成成熟度，節省試飛研制成本，為推進民機型號的研制進程以及開展全面、有效的全機系統機上地面試驗提供理論支持和技術支撐。