民用飛機整機低溫試驗中斷處理方法研究

楊欣磊，吳敬濤，唐揚剛，王群偉

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.中國飛機強度研究所，西安 710065）

隨著航空工業制造技術的日益發展，以及民航運輸運營體系的不斷成熟，越來越多的訂購方或使用者都對民用飛機的通用質量特性提出了更高要求。由于民用飛機在使用過程中經歷的氣候環境復雜，且易對整機機械結構及關鍵子系統部附件造成顯著劣化影響，因此對民用飛機耐受嚴酷氣候環境適應性的評價考核是整機開展通用質量特性工作過程中的重要環節[1-7]。

冬季航路上過低的氣候環境常常威脅飛行安全，并對飛機造成永久性的劣化和損傷，對民用飛機開展符合其壽命或運營剖面的氣候類環境試驗（最常見的即為低溫試驗）是對環境適應性開展定性與定量評估的重要有效手段[8-12]。與單獨對民用飛機某個系統或者LRU開展低溫試驗相比，整機級低溫試驗在試驗設備資源、試驗程序、檢測科目、操作規程等方面都更加繁雜，試驗中任何細微的錯誤都將影響試驗的有效性，且對人力、經濟、資源等成本造成直接影響，因此該類大型的低溫試驗也面臨著嚴酷度更高的試驗中斷風險。

1 研究需求

目前國內環境工程領域實驗室均有試驗操作規程和作業指導書，其中對試驗中斷的處理方式及流程進行了具體規劃，但這些單位基本不具備開展民用飛機整機級低溫環境試驗的軟硬件能力，因此無法按照飛機整機級試驗規模進行試驗中斷情況分析及處理方法研究。由于整機實施低溫試驗具有持續周期長、檢測項目多、試驗部署實施工作繁瑣等特點，因此試驗過程中可能出現導致試驗中斷無法按計劃進行的各種因素。這些因素可能致使試驗條件不符合大綱既定要求，可能導致整機結構或功能發生故障，試驗結果失真和無效，甚至可能對實驗室或試驗人員產生安全性傷害。這些情況的出現對飛行器研制單位、試驗承試單位將帶來不可預估的資源浪費與經濟損害。因此，需要根據民用飛機整機低溫試驗的試驗條件、試驗流程、檢測項目，結合實驗室現場實際工作開展情況和作業規程，在試驗設計規劃階段研究分析試驗中可能出現的試驗中斷情況，以及針對特定中斷情況繼續開展后續試驗的處理方法。

2 基于GJB 150A的中斷情況研究

通過對國內外現有航空裝備產品的環境試驗標準進行調研梳理可知，當前提及“試驗中斷”及闡釋其處理方式的標準不多，常見標準是GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》。該標準于2009年5月由中國人民解放軍總裝備部發布，2009年8月開始全面施行，具有試驗項目全面、試驗方法剪裁靈活、試驗條件明確、試驗程序可實施性強等特點，已經成為國內環境工程領域的重要試驗標準[13-15]。

GJB 150A標準對于試驗中斷要求相關的內容主要分布于第一部分的通用要求和其他各環境試驗項目的具體章節中。該標準將試驗中發生的中斷分為試驗條件參數偏移造成的中斷，以及試驗過程中發生故障導致的中斷。其中試驗條件偏移造成的中斷細化為過試驗中斷和欠試驗中斷，試驗過程故障導致的中斷細化為責任故障中斷和非責任故障中斷[16-18]。標準常見的中斷情況歸納見表1。

表1 實驗室中斷情況歸納 Tab.1 Summary of laboratory interruptions

通過對上述4種主要試驗中斷情況的分析歸納，可為后續以某型民用飛機為對象的整機級低溫試驗中斷情況分析及處理方法研究建立理論定義上的基礎。

3 某型民用飛機實驗室低溫試驗中斷情況分析

本試驗項目依托航空工業強度所某民機課題，以某型民用飛機作為試驗對象，根據該課題項目開展的整機級實驗室低溫試驗進程，研究分析上述4種中斷情況對受試對象、試驗設備、試驗結果造成的影響。根據試驗大綱和任務規劃，編制出低溫試驗剖面如圖1所示。

圖1 某型民用飛機整機級低溫試驗剖面 Fig.1 Low-temperature test profile of a complete civil aircraft

通過對試驗進程的跟蹤與調研，現將某型民用飛機整機開展低溫試驗過程中已知的中斷情況進行歸納分析。

3.1 由于試驗條件控制參數發生偏移導致的中斷

試驗項目所需要的設備控制精度要求高，且由于環境場地較大，整個試驗環境平臺的搭建都具有不確定度，因此很可能在試驗條件控制參數方面出現偏移導致中斷情況發生。

1）過試驗中斷：由于整機低溫試驗的試驗環境控制參數主要為實驗室溫度，且對溫度的允差數值進行了規定，因此一旦試驗過程中實測溫度低于設定溫度3 ℃以上，則滿足過試驗中斷的基本要素，實驗室相關人員應采取相應措施中斷試驗。

2）欠試驗中斷：與過試驗中斷的要素相同，當實驗室環境溫度無法達到規定溫度數值，且差值比3 ℃的允差值還要大時，即滿足欠試驗中斷的條件。為了避免無效時間累積造成資源浪費，實驗室相關人員應采取相應措施中斷試驗。

3.2 由于試驗過程發生故障導致的中斷

某型民用飛機低溫試驗的溫度環境應力與外場低溫環境氣候相比嚴酷度等級相當，有可能直接造成飛機整機外部結構的故障，如機械活動部件材料的脆化或膨脹、蒙皮材料的硬化等現象。加之飛機系統架構龐大，內部線路繁多，不同低溫臺階應力還有可能引發密封失效、機內流體流動性降低、風擋玻璃及機艙透明表面產生靜疲勞、燃油燃燒效率降低等故障模式或退化表征，從而導致飛機各項主要功能性能的失效或劣化。此外，在試驗過程中有諸多檢測科目，需要實驗室配備大量的地面保障維護與測試設備，這些設備可能由于自身出現的故障或失效使得相關試驗檢測科目無法進行。將可能導致責任故障中斷和非責任故障中斷的試驗情況歸納如下：

1）責任故障導致的中斷。當某型民用飛機進行低溫試驗時，無論任何階段，一旦相應功能、性能檢測出現“既定的功能不能實現或超出允差范圍的偏移”、“既定的性能指標不能滿足試驗大綱合格判據的要求”情況，或者地面專用配套設備（如壓力加油車、電源供電車、發動機啟動輔助氣源等）在低溫環境下喪失或偏移工作能力，且這些故障現象是由于嚴酷低溫環境應力作用于整機或地面設備本體，則滿足責任故障的發生條件。試驗中具體檢測要求以相關單位的試驗大綱為準，如責任故障發生后，試驗方、研制方和使用部門會根據排故流程對試驗進行中斷處理并開展故障分析歸零流程。

2）非責任故障導致的中斷。當開展整機級低溫試驗時，實驗室環境狀態和受試飛機技術狀態也需要溫濕度傳感器、秒表、測力計、扭力扳手等儀器儀表工具進行維持。除此之外，試驗人員的操作規程必須符合實驗室規章制度。上述環節如果出現偏差或失誤，就可能引起非責任故障發生。試驗中典型非責任故障見表2。

表2 整機級低溫試驗中典型非責任故障模式 Tab.2 Typical non-responsible fault mode of low-temperature test of complete civil aircraft

4 某型民用飛機實驗室低溫試驗中斷影響分析

對上述各項具體中斷情況進行分析，結合實驗室作業操作規程文件以及整機所屬各系統的故障模式及影響分析（FMECA）文件，可以得出不同中斷場景對飛機、試驗設備、試驗人員等造成的影響。對中斷影響進行等級劃分，以便后續制定相關處理程序及措施[19-20]。中斷影響等級劃分見表3。根據中斷影響等級的劃分，將歸納的各類中斷影響分析列舉于表4。

表3 中斷影響等級劃分 Tab.3 Classification of interruption impact levels

表4 整機級低溫試驗典型中斷影響分析 Tab. 4 Typical interruption impact analysis of low-temperature test of the complete civil aircraft

5 民用飛機整機級低溫試驗中斷處理方法研究

如果試驗過程中出現中斷情況，為了盡可能減少試驗損失，則應該按照既定步驟對中斷情況進行處理。針對上述列舉的4種不同中斷類型及影響后果， 應該采取不同實驗室中斷處理方法流程。

5.1 過試驗中斷處理方法

當中斷導致受試飛機或系統處于一個更嚴酷的低溫環境時，在停止施加溫度試驗應力后，首先應對飛機主要外觀材料、機械結構和相應系統功能性能進行大致的檢查，按照受試飛機或系統的狀態來進行相 應的處理措施。

1）若受試飛機或系統檢測無異常狀況，應確定當前狀態下已完成的試驗時間，該部分試驗時間由于是在更為嚴酷的試驗狀態下進行，所以應當被歸納為有效試驗時間。當試驗條件控制參數即溫度恢復到試驗正常數值后，再進行后續試驗的計時，并依照試驗大綱完成后續系統各科目的測試。

2）若受試飛機或系統檢測當前無異常狀況，但后續繼續進行試驗時可能暴露出由于過試驗導致的故障現象，則上一段“已經被歸納為有效試驗時間”的結論將無效，應對相關部位進行故障定位與分析，并終止試驗。在上報試驗組成員后，對故障進行修復。排除故障后，在試驗組允許后，重新進行整機級的低溫試驗，直至完成。

3）若受試飛機或系統檢測時就出現了故障現象，則說明過試驗應力已經對被試品產生了劣化影響，在對相關工作組進行情況說明后，開展故障定位與分析工作，并立即停止試驗。對故障進行修復，并排除故障，在試驗組允許后，重新進行整機級的低溫試驗直至完成。

其流程體系框架如圖2所示。

5.2 欠試驗中斷處理方法

中斷發生時，整機和各系統未經歷相應量級的環境應力作用，整個試驗均應被判定為無效的。在停止施加溫度應力后，首先應對飛機主要外觀材料、機械結構和相應系統功能性能進行大致的檢查，并判斷后續相應開展的處理措施。

圖2 過試驗中斷處理方法流程 Fig. 2 Interruption treatment method process of over test

1）若受試飛機或系統在欠試驗的環境下檢測出故障現象，則說明相應的功能性能并未達到被試品自身技術協議規定要求，此時應停止試驗，并開展故障定位與分析工作。經過歸零流程后，再擇機重新開展試驗。

2）若對受試飛機的檢測未出現任何異常情況，這是通常應有的表現結果，此時應將試驗環境恢復到應有的低溫環境狀態，并觀察試驗設備的溫度（或濕度）應力監測數值記錄圖表，找到偏離允差值進入欠試驗狀態的時間點，該時間點之前的試驗時間均可判為有效時間。當試驗環境重新達到低溫試驗環境要求后，從此新的時間點開始繼續低溫試驗，直至總試驗時間達到要求。該處理方法應基于“不滿足既定試驗條件下的試驗時間及中斷時間均不作為有效試驗時間”這一原則開展。

其流程體系框架如圖3所示。

圖3 欠試驗中斷處理方法流程 Fig.3 Interruption treatment method process of under test

5.3 責任故障中斷處理方法

責任故障導致的中斷發生后，應該按照試驗大綱的要求，對責任故障發生時的相關信息進行記錄，包括故障發生時間、實時的環境應力數值、受試飛機的工作狀態、電應力大小、相關流體流量大小等。隨后將低溫試驗環境恢復至常溫并保持穩定，同時注意清理因溫度變化而導致的過重濕氣和水漬，對受試飛機或系統進行故障定位與原因分析，對排故現場進行記錄并上報故障情況。

對于能夠現場定位解決的故障，應在試驗工作組各方人員的現場目擊下進行故障分析與修復工作；對于現場無法解決的故障，經參試各方共同分析判斷，確認故障不會對后續試驗產生影響的情況下，在做好相應記錄后，轉場完成故障分析與修復工作，并確認故障前的有效試驗時間。最后按照故障歸零流程開展故障歸零工作，并上報試驗工作組擇時重新開展整機低溫試驗或從中斷前的有效試驗時間點開始繼續試驗。

其流程框架如圖4所示。

圖4 責任故障中斷處理方法流程 Fig.4 Interruption treatment method process of responsible fault

5.4 非責任故障中斷處理方法

非責任中斷情況發生時，應及時明確故障來源，斷開故障源與被試品之間的交聯，并避免該非責任故障對被試飛機及各系統產生任何影響。隨即應將實驗室低溫環境恢復到常溫，并保持穩定，同時注意清理因溫度變化而導致的過重濕氣和水漬，并對故障儀器儀表進行維修或直接更換。如非責任故障時由于人員操作不當引起，則應加強對試驗人員的培訓與宣貫力度。如受試飛機或系統自身未出現異常，則中斷時間點之間的試驗時間可算作有效試驗時間，后續再將未完成試驗部分進行補全。

當出現影響等級嚴酷的中斷情況時，要首先保證實驗人員及場所的安全。如通油管路泄漏時應立即切斷所有通電設備和供油設施并停止試驗，所有人員應轉移至安全區域，確認試驗現場無安全隱患后再對現場進行修復處理。當人員不慎受到嚴酷環境傷害時，應立即將人員轉移撤出實驗室并進行相關救治，避免出現安全性事故。

其流程框架如圖5所示。

結合上述民用飛機整機級低溫環境試驗流程框架，結合實驗室實際工作流程規范，即可充分應對試驗過程中的各種中斷現象，為試驗的合理性有效性建立保障支撐。

6 結語

文中開展了以某型民用飛機為研究對象的整機級低溫環境試驗中斷情況分析及中斷處理方法研究。基于軍用產品環境試驗標準GJB 150A對試驗中斷的定義，研究了低溫試驗中斷的4種基本情況并加以概述。根據某型民用飛機開展整機低溫環境試驗的環境剖面，分析研究了實驗室試驗過程中4種中斷類型發生時的具體情況及原因，分別列舉了研究中斷對試驗人員、設備、被試品造成的影響。針對中斷基本信息給出了相應的實驗室處理方法，并結合試驗過程，構建了整機實驗室低溫試驗中斷處理方法流程框架，使得試驗設計與操作人員能夠根據流程框架內相關條目開展相應處理實施工作。

圖5 非責任故障中斷處理流程 Fig.5 Interruption treatment method process of non-responsible fault