航空地面試驗(yàn)測試技術(shù)現(xiàn)狀與展望

王 紅

（航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111）

1 概念與內(nèi)涵

測試在飛機(jī)全壽命周期各階段都是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，從需求階段的需求驗(yàn)證到維護(hù)階段的維護(hù)測試都發(fā)揮著重要的作用，其中，研發(fā)階段的功能驗(yàn)證與系統(tǒng)驗(yàn)證的測試和生產(chǎn)階段的裝配測試，通常稱為地面試驗(yàn)測試。

現(xiàn)代飛機(jī)研制過程中，飛機(jī)整機(jī)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)，以及機(jī)載設(shè)備，都需要進(jìn)行試驗(yàn)測試。按照研制工作要求，完成設(shè)備的生產(chǎn)后，需開展設(shè)備試驗(yàn)，以檢驗(yàn)設(shè)備是否滿足設(shè)計(jì)要求；隨后進(jìn)入機(jī)載設(shè)備的組合和互聯(lián)階段，綜合成功能相對獨(dú)立的子系統(tǒng)。同時(shí)開展子系統(tǒng)的試驗(yàn)，驗(yàn)證組成子系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備之間接口關(guān)系是否兼容和協(xié)調(diào)一致，子系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求；此后開展系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)，驗(yàn)證子系統(tǒng)之間接口關(guān)系是否兼容和協(xié)調(diào)一致，以及從飛機(jī)整機(jī)的角度全面驗(yàn)證飛機(jī)系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。生產(chǎn)階段則完成調(diào)試測試和結(jié)果檢驗(yàn)。整個(gè)過程如圖1 所示。

圖1 地面試驗(yàn)測試

飛機(jī)的地面試驗(yàn)可定義為：飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)和全機(jī)從原型樣機(jī)形成到生產(chǎn)總裝配完成之間的全部功能、性能、故障等基礎(chǔ)試驗(yàn)以及強(qiáng)度試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等專業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)對象為真實(shí)的機(jī)載件，試驗(yàn)還包括與試驗(yàn)對象接口的機(jī)載設(shè)備以及為保證試驗(yàn)可信度而創(chuàng)造的環(huán)境，以真實(shí)與仿真混合為主。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括機(jī)載設(shè)備試驗(yàn)、子系統(tǒng)試驗(yàn)、系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、生產(chǎn)裝配調(diào)試試驗(yàn)與檢測（包括裝機(jī)前檢驗(yàn)、部件測試、總裝完成后測試）等。這些試驗(yàn)中，測試系統(tǒng)不可或缺，不僅要配合試驗(yàn)完成各類數(shù)據(jù)的采集、分析、檢驗(yàn)、故障診斷，還需對試驗(yàn)效果和裝配一致性等進(jìn)行一定的評議，以支持試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目的，保障飛機(jī)質(zhì)量。

飛機(jī)地面試驗(yàn)測試是指在地面試驗(yàn)過程中所用到的全部測試技術(shù)，包括測試采取的方法、工具、軟件、設(shè)備，以及數(shù)據(jù)處理算法等。本文主要討論其中涉及功能性能和故障等基礎(chǔ)試驗(yàn)的測試技術(shù)。

以往的地面試驗(yàn)測試主要指試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集，包括數(shù)據(jù)的獲得、控制、顯示和管理，在研制階段主要用于驗(yàn)證飛機(jī)的設(shè)計(jì)性能，制造階段則用于檢驗(yàn)制造工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著測試技術(shù)的進(jìn)步，地面試驗(yàn)測試的內(nèi)涵和范疇不斷地?cái)U(kuò)展，更多地開展了試驗(yàn)支持、試驗(yàn)管理、試驗(yàn)評價(jià)等技術(shù)的研究和應(yīng)用，測試與試驗(yàn)愈加緊密。現(xiàn)代地面試驗(yàn)測試技術(shù)主要具有以下幾方面功能：①對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、示警、管理，實(shí)時(shí)與事后分析、數(shù)據(jù)回放及數(shù)據(jù)再利用等；②提供試驗(yàn)支持設(shè)備，仿真試驗(yàn)對象、接口設(shè)備或數(shù)據(jù)，提供試驗(yàn)激勵(lì)，模擬試驗(yàn)對象在空中所受力、環(huán)境等，配合試驗(yàn)開展；③實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)測試一體化，管理所有參與試驗(yàn)的資源和試驗(yàn)進(jìn)程，同步試驗(yàn)與測試；④在生產(chǎn)裝配中，配合調(diào)試，檢驗(yàn)質(zhì)量；⑤在試驗(yàn)和生產(chǎn)中出現(xiàn)故障時(shí)，提供故障診斷手段并實(shí)現(xiàn)故障定位；⑥評判試驗(yàn)是否成功，質(zhì)量是否合格。

地面試驗(yàn)測試是飛機(jī)研制生產(chǎn)過程中涉及面最廣、工序最為復(fù)雜、批生產(chǎn)中資金耗費(fèi)最多的技術(shù)，更是貫穿航空產(chǎn)品全壽命過程的全局性關(guān)鍵技術(shù)。

2 國外發(fā)展趨勢

地面試驗(yàn)測試的發(fā)展與試驗(yàn)和試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展密不可分。國外地面試驗(yàn)測試技術(shù)發(fā)展，有三個(gè)比較突出的表現(xiàn)。

2.1 綜合化、通用化、數(shù)字化、虛擬化

用幾個(gè)例子來說明國外在這些方面的表現(xiàn)。

圖2 為空客公司A350 的高升力旋轉(zhuǎn)設(shè)備試驗(yàn)臺和高升力子系統(tǒng)試驗(yàn)臺。所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備如齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置等都可在高升力旋轉(zhuǎn)設(shè)備試驗(yàn)臺（如圖2（a）所示）開展功能、性能和故障試驗(yàn)，同時(shí)，該試驗(yàn)臺設(shè)置了恒溫箱，使得對象可以開展不同溫度環(huán)境下的功能、性能、故障試驗(yàn)。試驗(yàn)臺融合了以往分別開展的功能性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，也融合了不同試驗(yàn)對象的試驗(yàn)項(xiàng)目，它對測試系統(tǒng)提出了更多的需求，包括滿足所有對象所有試驗(yàn)項(xiàng)目和所有溫度環(huán)境的測試要求，以及測試設(shè)備自身須滿足高低溫下正常工作的要求等。而從圖2（b）所示的高升力子系統(tǒng)試驗(yàn)臺可看出，左翼采用的是高升力子系統(tǒng)機(jī)載原件，通過柔性加載系統(tǒng)模擬氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需動(dòng)作，右翼則采用虛擬形式，通過計(jì)算機(jī)模型實(shí)現(xiàn)簡化翼面參與試驗(yàn)。這種形式要求測試系統(tǒng)不僅滿足實(shí)際采集而且要具備虛擬試驗(yàn)的支持能力。

圖3 為TechSAT 公司的ADSII 綜合測試系統(tǒng)，它是航電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測試和仿真環(huán)境，不僅適用于航電子系統(tǒng)的試驗(yàn)測試、檢查、排故，而且適用于裝機(jī)前的系統(tǒng)聯(lián)試、集成和鑒定，也可通過總線與系統(tǒng)交聯(lián)，在機(jī)載子系統(tǒng)的參與下，執(zhí)行航空電子系統(tǒng)飛行情況的復(fù)現(xiàn)。

圖2 高升力試驗(yàn)臺

圖3 ADSII 綜合測試系統(tǒng)

波音787 的綜合試驗(yàn)設(shè)施ITV（Integration Test Vehicle）和F-35的綜合試驗(yàn)設(shè)施VSIF（Vehicle Systems Integration Facility），由飛控子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、飛行控制子系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等的機(jī)載設(shè)備組成，綜合化和通用化程度更高。近些年國外還提出了虛擬鐵鳥的概念并開展研究。

2.2 統(tǒng)籌規(guī)劃，集中管控，分布式布局

在飛機(jī)設(shè)計(jì)同期統(tǒng)籌規(guī)劃測試設(shè)備，并且大型試驗(yàn)測試設(shè)備采用集中管控、分布式布局是國外航空試驗(yàn)測試領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

典型系統(tǒng)是歐宇航防務(wù)公司提出的FAL GSE Project“飛機(jī)總裝配地面支持設(shè)備方案”，它統(tǒng)籌規(guī)劃飛機(jī)整個(gè)總裝配過程中的測試設(shè)備，以完成航空電子設(shè)備和電纜等內(nèi)容的地面測試。測試設(shè)備借助分布于飛機(jī)各個(gè)部位的數(shù)字設(shè)備仿真器和仿真基站，實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的飛機(jī)系統(tǒng)的仿真和測試，范圍覆蓋電源系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電高度表、襟縫翼控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等。它為一個(gè)飛機(jī)型號總裝配提供的測試工具包括以下幾類：簡單工具，如溢流閥仿真器；中性工具，如通信/導(dǎo)航測試設(shè)備；復(fù)雜工具，如總線分析儀；極其復(fù)雜工具，如配線測試臺；特殊工具，如FAST（Final Assembly System Testing，總裝測試系統(tǒng)）。

FAST 主要完成總裝配階段的系統(tǒng)功能測試和驗(yàn)證，其基本架構(gòu)如圖4 所示。機(jī)上各部分設(shè)置眾多測試基站，收集的數(shù)據(jù)按位置歸屬分別傳到各自I/O 節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)集中到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，其他工作站在主控計(jì)算機(jī)統(tǒng)一調(diào)配下，有的負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)保存，有的負(fù)責(zé)程序運(yùn)行等，這是典型而完整的分布式布局。飛機(jī)本身很大，測點(diǎn)多且分布在飛機(jī)各個(gè)部位，非常適合分布式數(shù)據(jù)采集，而將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中式管控，則便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌管理和試驗(yàn)的整體運(yùn)行控制與分析，因此越來越多的航空測試系統(tǒng)采用這種分布集中式架構(gòu)。FAST的另一個(gè)特點(diǎn)是其數(shù)字設(shè)備仿真器（DES），其架構(gòu)如圖5 所示。DES 提供各種信號的模擬輸出以仿真機(jī)載設(shè)備。當(dāng)飛機(jī)總裝完成需要進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，DES 提供仿真功能，替代那些出于安全或其他原因不能操作的設(shè)備，如發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等；當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)故障時(shí)，DES又可替代機(jī)上真實(shí)的、被懷疑可能有故障的機(jī)載件，發(fā)揮仿真與跟蹤作用，通過數(shù)據(jù)流檢測快速判斷故障是否來自于拆下來的機(jī)載件。故障機(jī)載件則通過自動(dòng)測試系統(tǒng)迅速確認(rèn)更深一層的故障原因。整個(gè)流程構(gòu)成非常簡潔。

圖4 FAST 架構(gòu)示意圖

圖5 數(shù)字設(shè)備仿真器

2.3 縱向一體化測試

簡單來說，縱向一體化是指采用可組合、可重構(gòu)體系架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)從研制、生產(chǎn)到維護(hù)保障的測試一體化。從地面試驗(yàn)的角度來說，縱向一體化非常有意義，它有效促進(jìn)了全壽命周期測試數(shù)據(jù)不一致性問題的解決。洛?馬公司為F-35研制的LM-STAR 是目前最具有代表性的縱向一體化綜合測試系統(tǒng)，它具有通用的開放式體系結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)可獨(dú)立工作，亦可組合成綜合系統(tǒng)滿足復(fù)雜對象的測試，提供對模擬、數(shù)字、射頻和光電等系統(tǒng)的全面測試能力，支持可互換虛擬儀器技術(shù)和ATML 自動(dòng)化測試標(biāo)識語言，適應(yīng)飛機(jī)研制、生產(chǎn)和維護(hù)保障的各個(gè)階段，與美國防部自動(dòng)測試系統(tǒng)執(zhí)行代理的標(biāo)準(zhǔn)以及三軍研制的“下一代測試”（NxTest）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完全一致。LM-STAR 在不同階段的結(jié)構(gòu)形式如圖6 所示。

圖6 LM-STAR 在各階段采用相同架構(gòu)

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)機(jī)載設(shè)備地面試驗(yàn)，多是由設(shè)備研制單位自研試驗(yàn)環(huán)境開展。航空領(lǐng)域機(jī)載設(shè)備試驗(yàn)采用的測試設(shè)備水平參差不齊，造成測試設(shè)備效果不佳的原因有很多，其中一個(gè)比較重要的方面是，一些機(jī)載設(shè)備研制單位和測試設(shè)備研制單位在新產(chǎn)品研制初期對產(chǎn)品本身理解都不全面，機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)人員提出的測試需求不很完善，測試技術(shù)人員按此需求形成的測試設(shè)備可以滿足當(dāng)時(shí)的需求，但隨著機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品及其試驗(yàn)理解深入，勢必提出更多測試需求，也勢必導(dǎo)致測試設(shè)備不得不以打補(bǔ)丁的形式完成，影響系統(tǒng)水平。因此測試技術(shù)人員必須從一開始就和產(chǎn)品研制者密切配合，深刻理解被測對象，從測試的角度提醒用戶可能遺漏的測試要求；同時(shí)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡可能靈活，允許新需求實(shí)現(xiàn)的插入與擴(kuò)展，而這也要求供需雙方互相理解，理性對待技術(shù)，靈活度有上限，需求擴(kuò)充必須有止境。

由于國內(nèi)航空領(lǐng)域尚未真正形成子系統(tǒng)集成單位，目前子系統(tǒng)地面試驗(yàn)基本上都在總設(shè)計(jì)師單位開展，系統(tǒng)綜合試驗(yàn)則在子系統(tǒng)試驗(yàn)臺連接基礎(chǔ)上開展。無論是試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)還是測試系統(tǒng)的功能性能，國內(nèi)與國外水平基本相當(dāng)，只是在故障試驗(yàn)方面開展的深度和廣度還欠缺較多。航空工業(yè)北控所為ARJ21、C919 和AG600 的飛控子系統(tǒng)地面試驗(yàn)研制的測試系統(tǒng)，都采用了集中管控、分布式布局的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了飛控鐵鳥臺試驗(yàn)過程中的綜合管理、試驗(yàn)激勵(lì)仿真、飛機(jī)姿態(tài)仿真、飛參仿真、數(shù)據(jù)采集分析處理等功能，為飛機(jī)研制驗(yàn)證提供支撐。

圖7 為ARJ21 飛控鐵鳥臺試驗(yàn)測試系統(tǒng)。

圖7 ARJ21 飛控鐵鳥臺試驗(yàn)測試系統(tǒng)

經(jīng)過近些年的發(fā)展，國內(nèi)飛機(jī)在總裝配階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了航電綜合測試、飛控綜合測試以及基于這兩大系統(tǒng)的綜合測試。而機(jī)電系統(tǒng)還處于單一系統(tǒng)獨(dú)自測試的狀態(tài)，燃油、環(huán)控、液壓、剎車等各子系統(tǒng)均配備各自的測試設(shè)備，裝配中需要反復(fù)使用多套測試設(shè)備。針對總裝廠研制的集成測試系統(tǒng)已開展研究，但尚未全面應(yīng)用。后續(xù)應(yīng)大力發(fā)展機(jī)電綜合測試技術(shù)、全機(jī)機(jī)載系統(tǒng)地面集成測試技術(shù)以及縱向一體化測試技術(shù)。

4 展望

為了更好地支持地面試驗(yàn)的開展，地面試驗(yàn)測試技術(shù)應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究：

①加強(qiáng)各階段內(nèi)試驗(yàn)測試設(shè)備的統(tǒng)籌規(guī)劃，推進(jìn)地面試驗(yàn)測試設(shè)備及測試數(shù)據(jù)的一致性，并大幅加強(qiáng)測試數(shù)據(jù)的收集、分析、管理等方面的能力，以更好地支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、試驗(yàn)優(yōu)化、故障診斷與預(yù)測能力提升等。

②機(jī)載產(chǎn)品綜合化程度越來越高，故障影響分析更加復(fù)雜，測試技術(shù)應(yīng)深入研究更多的故障注入方法、仿真激勵(lì)實(shí)現(xiàn)方法，以及更強(qiáng)大的故障診斷技術(shù)，提高地面試驗(yàn)效率。

③提升測試設(shè)備研制水平，加強(qiáng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通；推動(dòng)與保障測試設(shè)備之間的測試數(shù)據(jù)共享，減少維修排故時(shí)間。

④密切關(guān)注試驗(yàn)所需，同時(shí)注重測試技術(shù)自身發(fā)展，加強(qiáng)測試設(shè)備環(huán)境適應(yīng)能力、非接觸測試、高精度同步與實(shí)時(shí)等新技術(shù)研究，以期用先進(jìn)測試技術(shù)促進(jìn)試驗(yàn)發(fā)展。

地面試驗(yàn)測試涵蓋飛機(jī)研制和生產(chǎn)的全過程，是飛機(jī)研制不可缺少的重要環(huán)節(jié)，但目前國內(nèi)還存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)、缺乏統(tǒng)籌、缺乏管理體制等頂層問題，以及軟硬件測試資源工程化程度低等基礎(chǔ)問題，航空產(chǎn)品和測試技術(shù)的研究人員均需給予重視，共同提升國內(nèi)地面試驗(yàn)測試技術(shù)水平，為航空產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)提供有力支持。