大型民機飛機在環關鍵技術研究

張翰 謝殿煌

摘 要：我國民用航空工業起步較晚，全機級系統綜合集成驗證試驗能力與試驗設施尚不健全，沒有達到工程實用、全飛行剖面模擬飛行的目標。在調研國內外相關文獻及開展原理性試驗的基礎上，充分分析飛機在環試驗原理及方法，明確了飛機在環關鍵技術，包括信號抽引、信號注入、仿真模型及試驗設備等，并提出開放測試口的方法，以提升飛機在環集成驗證技術成熟度到5級以上，為后續開展全機系統機上試驗打下良好的技術基礎。

關鍵詞：民機;飛機在環AIL;信號抽引;仿真模型;試驗設備

0 引言

由于現代民用飛機越來越多地采用高度復雜且綜合的機載系統，民用飛機系統綜合驗證是大型民用飛機設計集成驗證的重點工作，直接影響飛機機型研制進程[1-2]。機載系統涉及面很廣，彼此之間的需求和功能相互耦合，信號多級交聯，增加了機載系統綜合驗證的難度與復雜性，因此民機制造商迫切需要找到一種更高效的系統綜合驗證方案。“飛機在環”即選擇“地面飛機”為驗證環境，攻克了信號注入、仿真模型、信號抽引和試驗設備等核心關鍵技術，提高了民機系統的綜合集成驗證能力，為后續開展全機系統機上地面試驗打下了良好的技術基礎[3-4]。

國外飛機制造商波音、空客通過多年實踐，不僅積累了豐富的系統綜合驗證經驗，而且結合自身特點，不斷發展自己獨特的系統綜合驗證方式，從而提高系統綜合驗證能力，縮短驗證時間并降低系統驗證成本[5-9]。如波音公司在777飛機上成功實施了全機系統集成驗證試驗，創造了飛機在環AIL概念[10-13]（Aircraft-In-the-Loop，簡稱AIL）;之后在787飛機上開發了模塊化研發試驗臺，并且利用系統試驗件測試注入口與信號抽引口，進一步完善了飛機在環AIL的系統綜合驗證方式[14-15]。

我國民用航空工業起步較晚，雖然已在某型號飛機集成驗證試驗中建立了鐵鳥試驗臺、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，但受已有條件限制，尚沒有實現基于飛行剖面模擬飛行的全機系統綜合試驗，也未達到飛機級功能需求驗證水平[16-18]。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能力尚存在較大差距，對飛機在環這種更逼近真實飛機與真實運營場景的前沿領域研究幾乎為空白，因此本課題可供參考的文獻與技術資料非常有限，這也對本文的深入研究造成了一定困難。

飛機在環是對民機集成驗證手段的變革，代表了目前最先進的集成驗證水平。本文結合某大型民機研制過程，充分分析飛機在環試驗原理及方法，明確飛機在環關鍵技術，包括信號抽引、信號注入、仿真模型和試驗設備等的相關要求，并提出開放測試口的方法，可為真實的飛機在環綜合驗證試驗提供技術基礎。

1 飛機在環（AIL）技術難點分析

開展飛機在環AIL試驗，需要從全機系統試驗驗證需求出發，提出合理的技術方案，重點解決機載信號抽引、信號注入、仿真模型與試驗設備等問題，設計一套正確、有效、可工程實施的飛機在環AIL方案，包括完備、詳細的試驗設備技術、信號注入及信號抽取技術方案和要求，并評估飛機在環AIL相應的工程更改，其基本框架見圖1。

2 飛機在環AIL關鍵技術

2.1 關鍵技術一——飛機在環AIL信號抽引

機載系統信號是飛機仿真模型的計算輸入，數據能否抽引提取或抽引方法將直接影響飛機在環大閉環仿真試驗。同時，系統實時性也直接關系到飛行品質評判，通過飛機系統試驗件抽引口進行數據抽引，對實時性也有很高要求。

根據公開資料顯示，對于大氣數據計算機、慣導計算機等飛機在環試驗的關鍵LRU設備，國外主制造商通常專門提出信號注入與抽引接口及試驗方法。如波音全機系統綜合試驗臺具備試驗測試口，灣流鐵鳥綜合試驗臺、龐巴迪鐵鳥綜合試驗臺也均開放類似測試口。同時，大部分系統供應商利用LRU的信號注入口進行數據注入與抽引，從而對LRU單元進行自動化測試。

如圖2所示，信號注入與抽引是保證不破壞原有飛機真實電纜，實現飛機在環AIL全飛行剖面場景試驗的關鍵，需要在飛機早期階段提出開放信號注入與抽引口需求。由于不同系統試驗件供應商的測試口概念不同，其接口形式也有很大區別，有以太網口、485口或232口，必然提高了信號注入的復雜性和難度。結合飛機在環AIL試驗需求，如何讓系統供應商開放測試口，并針對此研發相應試驗設備，將直接影響飛機在環試驗進程。

根據已有國外型號LRU信號注入口的經驗，慣導系統、大氣數據系統、無線電導航系統、綜合監視系統應具備信號抽引與注入功能，同時需重點加強與國內系統供應商的工作協調，提出相應的飛機在環AIL試驗需求，保證機載系統信號能夠具備高實時性閉環條件，使試驗順利進行。對于一些供應商不提供的信號抽引口可以綜合內部知識體系自行解決，對信號進行調制解調等，從而滿足信號傳輸要求，進一步健全飛機在環AIL信號抽引。

2.2 關鍵技術二——飛機在環AIL信號注入

信號注入是保證飛機電纜完整性的關鍵步驟與基本原則，是保證不破壞原有飛機電纜，實現飛機在環AIL全飛行剖面場景試驗的關鍵。如果破壞了飛機電纜，等于破壞了飛機在環試驗基礎。

開放信號注入口是飛機頂層設計JCDP提出的，目前已進入全面試制階段，若在后期提出必然會增加設計成本與改裝成本，而且部分系統試驗件也存在根本沒有測試口的問題。需要確定C919飛機在環AIL信號注入方法在動力、飛控及航電等機載系統試驗件上能夠進行工程實施，并在此基礎上保證不破壞原有連接電纜及飛機在環AIL驗證的順利進行。

通過收集與查找相關文獻了解國外最新的信號注入技術。經公開資料顯示，國外制造商通常將信號注入技術落實到SOW中，大部分系統供應商利用電子LRU的信號注入口對LRU單元進行自動化測試，比如波音公司的全機系統綜合試驗臺、灣流的鐵鳥綜合試驗臺以及龐巴迪的鐵鳥綜合試驗臺都具有開放測試口功能。因此，在吸收國外現有測試口基礎上，開發靜壓總壓信號注入口、飛機姿態數據注入口、大氣穩定信息注入口、高度信息注入口、發動機相關信息注入口等，擬注入信號如表1所示。

2.3 關鍵技術三——飛機在環AIL仿真模型開發

仿真模型是飛機在環AIL的核心，也是全飛行剖面場景試驗的基礎。此外，仿真模型也是飛機系統供應商的核心，尤其是發動機仿真模型，給飛機在環AIL帶來了極大挑戰。

仿真模型是產生飛機傳感器數據的關鍵，但由于仿真模型是企業的核心機密，國內外相關資料有限，特別是發動機本體模型，國外更是完全封鎖信息，因此仿真模型的搭建完全依靠摸索前進。由于缺少經驗積累，導致現階段仿真模型的置信度較差。同時，建立仿真模型與功能邏輯模型，用于仿真與試驗一體化對比驗證，可以加快研發試驗進度。

如何構建發動機模型一直是行業內的難點，國內現有物理仿真平臺相對較為完善，能夠建立完整的燃油系統模型，也具備充分的理論基礎與完備的技術設備，可以為發動機建模提供技術支撐。其中全球地景色、配平模型、起落架、剎車模型可由國內外供應商提供，飛機的大氣環境模型、氣動模型、地效模型及風模型可直接采用現有模型。

在飛機在環設計初期，需要與發動機供應商進行工作協調，提出飛機在環AIL試驗仿真模型需求，獲得封裝的發動機本體模型與接口匹配方案，并完善仿真模型開發。

2.4 關鍵技術四——飛機在環AIL試驗設備研制

試驗設備是飛機在環AIL試驗的重要組成部分，也是飛機機載系統完成閉環試驗的樞紐。可移動式視景系統直接影響模擬飛行效果，通過將可移動式方艙直接與地面飛機交聯，實現信號注入與信號抽引，進而實現飛機仿真模型的實時運行，直接控制激勵設備[19-21]。此外，試驗設備是實施信號抽引、信號注入與實時仿真計算的載體，直接影響大閉環試驗的有效性。現階段比較通用的20路以太網與RS-485通信，難以保證實時性，高速率仿真模型實時運行也面臨接口匹配問題。飛機在環試驗要全面結合地面飛機，設計出合理、工程可實施的試驗設備，同時也必須保證試驗之后二者能夠緊密匹配，以備后續使用。

根據公開資料顯示，波音公司已經設計了可移動試驗平臺與可移動式視景系統，以完成飛機在環AIL試驗任務，試驗設備如表2所示。

可移動式視景系統為飛行員提供三維實景，同時模擬飛機飛行環境，直接影響模擬飛行效果。同時，需綜合考慮可移動視景系統設備的電氣與機械接口，在保證系統高處理能力和高實時性基礎上，避免對飛機本體的物理損傷。

可移動式方艙直接與飛機本體接口對接，實現機載系統信號注入與信號抽引，繼而達到飛機閉環狀態。同時，方艙保證仿真模型的實時運行，且直接控制激勵設備，可移動方艙與視景系統設備實時連接，并將模型運算結果進行實時三維顯示。

主要試驗設備要求如下：

（1）信號抽引功能。實時抽引油門桿位置信號、飛機系統信號等，為飛行仿真提供輸入。

（2）數據采集功能。實時采集飛機舵面位置信號、飛機系統信號等，為試驗分析提供數據支持。

（3）實時飛行仿真功能。實時計算飛機六自由度參數和空速，通過發動機Mini-Rig實時計算發動機推力。

（4）飛行視景模擬功能。研制可移動式視景系統，為飛行員提供三維實景，由飛行仿真系統發出飛行姿態信號驅動，并從全球地形數據庫里讀取高度信號，以模擬真實飛行視景。

（5）信號注入功能。可移動方艙根據飛機閉環飛行狀態，發出空速、馬赫數、攻角等信號，注入真實的大氣數據計算機，以實時模擬飛機飛行狀態。同時，可移動方艙發出飛機姿態、速率、加速度等飛機姿態數據，實時注入慣導系統計算機，以模擬飛機姿態。

（6）機載導航系統激勵。可移動方艙發出高度等信號注入無線電高度接收機、測距機（DME）、伏爾VOR等，完成模擬導航飛行任務。

（7）機載傳感器激勵功能。通過轉臺、總靜壓模擬器等物理激勵設備，以及AOAS、ADM等機載傳感器，測試在真實傳感器激勵狀態下的飛機性能。

（8）起落架剎車系統仿真功能。可移動方艙發出輪載等信號注入起落架系統計算機（LGCU），以模擬起落架的收起和放下狀態。同時，可移動方艙發出輪速信號注入剎車系統計算機（BCU），以驅動剎車模型模擬剎車狀態。

3 結語

本文從飛機級驗證需求出發，通過查閱各種資料，并借鑒波音公司的飛機在環理念，對飛機在環AIL面臨的關鍵技術進行全面論證，綜合考慮與各個機載系統供應商協調仿真模型、測試口和注入口，與試飛中心協調設計、更改地面設備及部分研發試驗科目等各種情況。經過分析與論證，完成了信號抽引技術方案與替換方案、信號測試注入口技術要求與替代方案、仿真模型封裝要求與仿真模型接口要求，以及合理的、工程可實施的試驗設備技術方案，從而保證后期飛機在環AIL能夠順利進行。

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（責任編輯：黃 健）