民機系統總裝測試技術發展現狀與趨勢

李徐輝， 魏士皓， 童 彥， 徐 健

(中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324)

民機系統總裝測試技術，指的是民機在總裝制造階段(包含系統件安裝、系統功能試驗)中對被試系統進行測量及試驗，得到定量、定性參數，并進行處理、評定或用于試驗管理、控制等所涉及的技術。目前，隨著民機機載系統綜合程度越來越高、交聯關系日趨復雜，在系統總裝階段采用充分、前沿的測試技術對試驗對象進行測試，是驗證系統裝機質量、功能性能是否滿足設計、適航要求的重要手段，對飛機研制起著至關重要的作用[1-2]。近年來，國外先進機型系統總裝測試技術正朝著開放分布式、智能信息化、模塊化等方向發展，而國內民機測試技術研究起步晚、投入不足，與國外主流技術相比差距較大[3-4]。

本文主要論述了國內外民機系統總裝測試技術的現狀，分析了國內系統總裝測試技術的不足之處，進而提出我國民機系統總裝測試技術的未來發展趨勢及解決思路，為后續掌握標準化先進測試技術、優化測試業務流程、豐富測試手段和助推國內民機批產效率提速服務。

1 民機總裝測試技術范疇

民機總裝測試技術主要分為系統件安裝測試技術和系統功能試驗測試技術。系統件安裝測試技術主要用于對飛機的大部件、系統件進行安裝測試，如發動機、起落架的安裝檢測、線纜線束的安裝導通測試、管路管道的安裝、耐壓等測試，以及敏感系統件的安裝檢測。系統功能試驗測試技術分為綜合航電測試技術、機電系統功能測試技術、電氣系統功能測試技術、動力系統功能測試技術和飛機總體測試技術。綜合航電測試技術主要是針對飛機的自動飛行、通信、數據傳輸、飛機導航性能、飛機駕駛指示記錄等方面進行的綜合化測試技術；機電系統功能測試技術是對飛機液壓系統、飛控系統、環控系統等進行功能試驗測試；電氣系統功能測試技術主要是對飛機中的電源、照明等系統進行的功能試驗測試；動力系統功能測試技術是對飛機的APU(Auxiliary Power Unit，輔助動力裝置)、燃油系統等方面的測試；飛機總體測試技術指的是對飛機的重量、轉動慣量、水平性能進行的測試。圖1為民機系統總裝測試技術涵蓋類型,表1為總裝測試的主要項目。

圖1 民機系統總裝測試技術分類

表1 民機系統總裝測試主要項目

2 民機系統總裝測試技術現狀

2.1 國外系統總裝測試技術現狀

2.1.1 國外系統件安裝測試技術

系統件安裝包括線纜通斷、流體管路接頭檢測及系統大部件安裝檢測等，主要采用數字化、集成化測試技術開展相關工作。

(1) 線纜安裝檢測技術。

飛機的線纜是關聯飛機電氣、航電、飛控等系統的橋梁，是為飛機各個部件提供電源、控制信號和數據信息的生命線[5]。在航空線纜測試方面，國外一般采用全自動化的線纜導通技術完成對線纜的檢查。全自動化的線纜導通技術可以對飛機線纜的通路、斷路、短路、絕緣等狀態進行集成化、自動化的檢測，從而判斷線纜網絡連接是否正確以及全機線纜故障問題，如短路、斷路、錯接、漏接、多接等信息。該技術能加快檢測速度，提高檢測可靠性，避免人為差錯[6-8]。

線纜導通測試系統由主控設備、分布式測試終端、轉接電纜、模擬負載等組成。采用分布式測量方式，能夠自動化、智能化地識別線纜的通斷位置，分布式的測試終端可根據測試的需求疊放在分布式的測試柜中，將測試柜布置在飛機所需要測試的部位，從而可以減少轉接電纜的長度，降低線纜的成本，提升工作效率[9]。

(2) 管路安裝檢測技術。

飛機管路系統作為輸送燃油、滑油、空氣和液壓油等介質的設備，在飛機的飛行過程中起到重要的作用。在流體管路接頭檢測方面，國外廠商已經開始利用三維全場光學技術開展接頭質量檢查，基于圖像及CAD數模對比數據形成偏差信息。波音相關機型已建立管路安裝測量檢測方案，其采用光學相機拍照，采集管路被測點信息，根據圖像處理技術生成幾何特征并將被測管路圖像與預設CAD數模進行比對，通過計算機分析應力、應變、變形等信息，定量顯示管路裝配點超差值。三維全場光學檢測技術為管路裝配工藝提供幾何學、力學檢測手段，提前預見管路裝配連接可靠性，確保管路安裝幾何精度可控、工作性能安全可靠。圖2為基于增強現實的管路系統裝配。

圖2 基于增強現實的管路系統裝配

(3) 系統大部件、敏感系統件安裝檢測技術。

系統大部件，主要包括航空發動機、液壓起落架系統等；敏感系統件，主要指具有調姿要求的氣象雷達、總溫傳感器、全壓探頭、攻角傳感器、空速管等。

在系統大部件安裝檢測方面，國外飛機主生產制造商已采用全姿態數控裝配及實時檢測技術，通過柔性化裝備實現大部件數控調姿、全向移動，提高安裝效率與精度[10]。圖3為國外某型飛機全智能化發動機調姿安裝系統。

圖3 全智能化發動機調姿安裝系統

國外民機主制造商如波音、空客等公司針對飛機敏感系統件的安裝已采用實時視覺引導校準技術對大氣數據傳感器進行裝配，以保證裝配質量，提升裝配效率。飛機敏感系統件裝配位姿實時視覺引導校準技術主要包含：靶點高質量成像技術、多相機精確標定技術、隱藏部位傳感器裝配位姿測量技術和多目標靶點實時動態檢測技術。

2.1.2 國外系統功能試驗測試技術

系統功能試驗測試技術涵蓋機電、綜合航電、電氣、動力等系統及其分系統[11]。國外主制造商已研制數字化總裝功能集成測試系統，開展飛機系統交聯功能測試及全機功能測試，確保飛機下線前所有系統是完整的、可靠的，符合設計要求的。總裝功能集成測試系統在管理方面涵蓋可視化測試用例開發與執行、ICD(Interface Control Document，接口控制文件)管理、生產測試設備管理等功能；在測試執行方面，使用I/O節點模擬系統信號，通過接口驅動PTE(Production Test Equipment，生產測試設備)，完成系統功能測試。所有測試結果將匯總生成測試報告并能與企業生產管理系統、質量管理系統、飛機構型數據庫等企業信息系統進行交互，對飛機的生產過程進行全程的信息共享和質量控制，實現飛機制造優化工藝流程，提升產品交付質量[12]。圖4為國外某機型地面功能集成測試系統及其架構。

(1) 綜合航電功能試驗測試技術。

航空電子系統主要指的是為確保飛機能夠完成其指定任務所需要的各種航空電子設備的總稱。航空電子系統本身具有高度模塊化和綜合化的特點，隨著電子技術的不斷發展，綜合航電系統已經發展成為了機上最為關鍵的組成部分，對提高飛機的性能和飛行安全性、降低飛機系統全生命周期成本起到關鍵性作用[13-15]。

圖4 地面功能集成測試系統

空客公司從20世紀80年代開始，由供應商SPHEREA公司根據其需求與要求合作開發了一套成熟的飛機總裝自動測試系統。整個測試系統從全機功能層面對電子/電氣相關系統進行自動測試和驗證，并通過內聯網服務器連接企業內聯網信息系統(企業資源計劃系統軟件等)，獲取測試開發和管理所需的數據，而且內聯網上所有計算機都可以對測試進行遠程管理和監控。

波音公司針對綜合航電功能試驗的測試與空客公司的測試理念不同，波音公司在部段完工階段地面功能測試量極少，而在總裝階段完成所有的地面功能測試工作。其建立了專門的團隊進行總裝集成功能測試系統的開發工作。

(2) 機電系統功能試驗測試技術。

機電系統是進行能量傳遞的系統，其目的是為了實現飛機基本的功能，保障各種任務的完成。飛機機電系統包括液壓能源系統、飛行控制系統、起落架系統、環控系統、艙門系統等[16-18]。目前，機電系統朝著集成化、多電化與智能化的方向發展，其目標是集成功能、能量、控制和物理4個方面。隨著飛機性能的不斷提高，機電系統所承擔的飛行保障任務越來越重，國外波音B787、空客A380、空客A350等先進機型已逐漸采用航空機電系統綜合技術，使傳統的機電系統從獨立化的方向快速向綜合化的方向發展，機電系統綜合技術已成為未來的重點發展方向[19]。

(3) 電氣系統功能試驗測試技術。

電氣系統由供電系統和用電設備組成，是飛機的重要組成部分。供電系統是指電能的產生、變換、調節和輸配電的一整套裝置組成的完整系統，包括電源系統和輸配電系統。國外飛機主制造商開發使用了多電飛機電氣負載管理系統進行電氣系統功能試驗測試。該系統包括7個電源配電盤，能夠嚴密控制各裝置的功能可用性。系統可重構負載面達到可用功率的最佳分配[20]。

(4) 動力系統功能試驗測試技術。

飛機動力系統為飛機正常飛行提供持續動力，保證飛機各姿態安全穩定飛行，以完成各種不同的任務。波音/空客公司針對發動機故障預測、健康維護技術方面具有相似的做法。波音/空客公司利用發動機PHM(Prognostic and Health Management，預測與健康管理)系統中的傳感設備，把PHM傳感和智能化計算方法相結合，對飛機整體性能和發動機安全性能進行監測，建立飛機安全保障機制。無論是在發動機地面維護環節或試車環節，PHM系統都能實時發揮作用，監控發動機運作狀態，對飛機發動機運作中信息數據進行計算，迅速推斷故障及定位故障源，以便地面試驗人員及時進行維護和處理[21-22]。

(5) 飛機總體測試技術。

飛機總體測試屬于民用飛機總裝測試最后一個環節，是在飛機各系統功能試驗結束后，總裝下線交付試飛前，對飛機開展稱重、水平測量、電磁兼容測試、轉動慣量測試及密封性測試，以保證總裝下線后的飛機是安全、可靠的，足以滿足適航要求的。

在飛機稱重技術上，波音、空客公司采用整體型數字式智能測力傳感器，利用數字式智能稱重系統技術取代傳統千斤頂配合地磅稱重方法。智能化稱重儀表在實時采集各傳感器輸出數據并進行處理后，進行飛機重量綜合顯示；在飛機水平測量方面，利用激光雷達或者激光跟蹤儀等數字化精密測量儀器對各點進行測量，測量的各個環節都通過計算機采集和處理數據，自動化程度高，節省了大量的人力。在電磁兼容測試方面，正逐步探索電磁兼容自動化測試技術，目前處于理論驗證階段。

2.2 國內系統總裝測試技術現狀

2.2.1 國內系統件安裝測試技術

隨著中國民機事業的不斷發展、民機制造業的蓬勃開展，國內在民機總裝測試技術方面不斷向國外測試理念靠攏，努力追趕國外先進測試技術。

(1) 線纜安裝檢測技術。

在線纜導通方面，國內雖已采用先進電纜測試儀器進行自動化測試，但仍存在如繼電器、斷路器、二極管、電容等手動測試內容，測試周期長、人為誤差多。在EE艙內的設備架上目前還未采用LRU(Line Replaceable Unit，外場可更換單元)測試模塊，對于電纜分布復雜的大型客機，會使測試用轉接電纜的數量和長度極大增加，提高成本，增加測試難度，影響測試準確性；線纜性能檢測方面，屏蔽端接工藝及編織工藝的測試及評估目前還處于空白狀態。

(2) 管路安裝檢測技術。

在流體管路安裝檢測方面，我國雖有與國際標準相似的裝配規程，但沒有針對精度控制和安裝質量的有效檢測手段，實踐中仍主要依據人工經驗來判定管路裝配的合格與否。管路漏油檢測方面，雖引入了氦質譜檢漏儀，但是管路漏油主要還是依靠人工目視檢測，屬于定性檢測。在線檢測時，檢測速度慢，檢測效果不太理想，且缺乏相應漏油標準，有些狹窄區域、危險區域僅靠人工檢測，甚至根本無法完成。

(3) 系統大部件、敏感系統件安裝檢測技術。

在系統大部件安裝檢測方面，國內仍采用目測和手動位姿調整的方式，由多名作業人員依靠經驗作業，過程煩瑣復雜，勞動強度大，效率低[23]。從發動機安裝裝置來看，裝置多采用簡單機械結構的人力或半自動化安裝車，存在調姿自由度少、操作復雜且價格昂貴的問題。

在敏感系統件安裝方面，國內飛機制造商使用激光跟蹤儀或輔助工裝畫線對大氣數據傳感器裝配位姿進行標校，操作復雜耗時，自動化程度低，無法對傳感器的裝配位姿進行實時視覺引導標校，生產效率較低。

2.2.2 國內系統功能試驗測試技術

國內系統地面功能集成測試體系架構尚未建立、測試技術及裝備正處于探索階段。由于缺少基于系統化、網絡化控制的測試手段，系統功能測試仍以單系統手動測試為主，測試過程煩瑣，測試報告復雜，故障隔離手段少，數據管理落后，導致飛機地面功能試驗測試周期冗長，無法滿足飛機高效率總裝制造的需求[24]。

(1) 綜合航電功能試驗測試技術。

目前國內針對航電系統測試的研究和試驗是基于單個航電子系統各自性能需求開展，針對單獨機載設備進行靜態數據激勵，系統的復雜程度和系統設備的交聯構成相對比較簡單。如采用數字式大氣數據測試儀為試驗提供所需的高度和空速信息；光學水平儀測量飛機水平狀態；功率計測試天線收發功率。隨著電子技術的高速發展，航電系統的綜合程度越來越高，缺少先進的自動化、網絡化測試系統。傳統的航電設備測試，采用單獨測試、人工操作記錄，導致測試效率低，同樣的測試步驟和條件下測試結果受人工影響因素干擾；測試程序和測試報告自動化水平低。

(2) 機電系統功能試驗測試技術。

國內飛機制造商通過技術攻關，在飛控系統駕駛艙操作機構力和舵面角度的測量上達到了自動化和數字化技術；在環控系統氣源試驗中實現了數字化測試技術，如根據飛機環控試驗特征及工程文件技術要求，開發出的環控功能自動化試驗系統，能很好地完成對環控系統的監測與控制和數據的記錄；在起落架系統功能測試方面，已開展起落架系統機上地面試驗接口測試設備系統設計及研究[25-26]。但是機電系統地面功能測試，在自動化、數字化和集成化方面仍有欠缺，和世界先進測試技術仍有差距，且上述技術成熟度還不是非常高，有待進一步工程化應用后優化。例如，現階段液壓/起落架的功能測試試驗一般采用液壓油車對液壓系統進行加油從而對導管的耐壓性能和密封性能進行測試，自動化程度較低。

(3) 電氣系統功能試驗測試技術。

目前機上電氣系統的地面功能試驗與國外先進技術有一定的差距。尤其在自動化、數字化、智能化方面比較欠缺，主要還是依賴人工測試，測試效率低，集成化水平不足，測試結果不能匯總成可供管理的數據庫。目前，國內針對電源系統功能試驗采用飛機外電源車為飛機提供地面電源，萬用表測量電流、電壓信息。設備集成度低，缺乏系統化的設備管控，智能化程度較低，大多采用人工測試的方法。

(4) 動力系統功能試驗測試技術。

在飛機動力裝置地面功能試驗方面，主要開展FADEC(Full Authority Digital Engine Control，全權數字式發動機控制)與飛機集成檢查、反推裝置展開收起檢查、啟封前檢查維護發動機、發動機啟封及發動機地面起動功能試驗、發動機慢車燃油及滑油系統泄漏檢查等測試項目；在APU系統地面功能試驗方面，主要開展啟封前檢查、地面起動功能檢查等測試項目；飛機動力系統地面功能試驗還包括防火系統功能試驗以及燃油、引氣系統功能試驗相關測試項目。隨著航空工業技術的不斷發展，動力裝置控制系統技術水平發生了革命性變化，由最初的機械液壓控制逐步地轉變為FADEC。因此，測試的任務也復雜多樣，具有測試信號多樣化、接口類型多類化、測試數據大量化、數據處理復雜化等特點。這些特點要求功能測試系統具有多通道高速實時同步采集、實時數據存儲等功能，傳統的機械化的測試設備已經無法滿足現代的測試需求[27-28]。

(5) 飛機總體測試技術。

在飛機稱重方面，采用機輪稱重法，即由飛機起落架3個機輪接觸地秤平臺進行稱重；在水平測量方面，利用水準儀、經緯儀和標尺等配合進行機身、機翼、垂尾、平尾、吊掛、起落架方面的水平測量；在電磁兼容測試方面，采用人工測量電纜傳導輻射方式進行；在轉動慣量測試方面，主要在供應商處開展，采用雙線擺法及三線擺法。

在測試設備方面，飛機稱重通過地磅重量讀數，稱重過程監控實時性差，數據管理不便；飛機水平測量，采用手工的光學間接非接觸式測量方式進行飛機表面水平特征點的測量，誤差較大，工作量、工作難度非常大。未來，將逐步引入數字化、柔性化、智能化測試設備輔助飛機總體測試，改善產品質量及工作效率。

3 國內民機系統總裝測試技術不足與原因

目前，國內民機系統總裝測試部分技術已取得突破，技術成果已應用于型號，為飛機研制與生產提供了重要技術保障。但是，與波音、空客等先進機型相比，測試技術基礎和能力都還有較大的差距，體現為測試過程主要依靠人工操作完成、勞動強度大；缺乏數字化、自動化、智能化測試設備/系統，導致測試效率低下[29]；測試流程可追溯性差，出現問題排故較為困難；此外，由于在總體規劃中，設計、制造、試飛階段總體測試架構不統一，也會造成“不同部門測試設備的重復二次開發，測試技術共享不通暢，測試數據共享效率低”等問題。

綜上，國內民機系統總裝測試技術不足與原因可概括如下。

① 測試技術缺乏頂層規劃：未構建及形成我國民機制造測試技術體系和技術發展路線圖，單點技術的突破未能帶動整體產品制造優勢；

② 測試手段單一：手動測試為主，效率低，人為誤差大，且封閉的交聯測試、無故障隔離手段，未形成飛機級地面狀態激勵-響應測試模式；

③ 測試設備研制能力弱：關鍵的核心測試設備嚴重依賴進口，自主掌握程度低，無法高度集成管控，無法實現統籌實施分布化管理，且國外測試設備價格高昂；

④ 測試步驟復雜、標準化程度低：試驗測試過程比較煩瑣，測試報告相對復雜，電子化水平低，存在重復測試現象，且測試子集間往往不兼容，標準化統一程度低；

⑤ 測試數據管理手段落后，可追溯性差：整個測試過程仍須記錄數據，缺少綜合的測試數據管理平臺，無法快速準確地執行標準測試流程、采集并處理數據，數據共享率低。

4 國內民機系統總裝測試技術發展趨勢

國內民機系統總裝測試技術，存在短板與不足，與國外先進民機制造商相比差距較大，已影響了型號研制及發展。為了實現國內民機好制造、好交付、好運營，贏得市場、贏得客戶，系統總裝測試技術更需對標國際前沿發展方向和“中國制造2025”國家戰略中提出的測試智能化、網絡化、集成化、標準化要求，結合世界民機制造測試技術發展趨勢，通過規劃技術體系，搭建技術平臺，吃透系統總裝測試關鍵核心技術等，提升生產制造能力。

① 以型號需求和前沿技術為牽引，統籌規劃技術體系，從技術高度、技術深度、成果貢獻等方面深入布局，分布實施，建立總裝測試技術體系網，形成技術研究的合力，避免技術研究零散化；

② 樹立標準測試理念，形成測試理論，建立測試體系，形成測試規范；

③ 加速國產化進程，設計、研發出更多適合我國的自主開發的測試設備，減少對國外技術和設備的依賴；

④ 精簡測試流程，提高測試的電子化與自動化水平，提高測試效率，縮短測試周期，形成簡單準確的測試報告[30]；

⑤ 實現試驗數據跟蹤追溯，實現數據共享，減少試驗重復率。

5 結束語

國內民機系統總裝測試技術與國外相比存在較大差距，測試需求梳理和測試技術頂層規劃均不足。通過研究國外先進機型系統總裝測試技術，分析其發展現狀，借鑒其優勢及經驗，有助于發現我國民機測試能力現狀和差距，促進相關測試技術走出一條自主發展的路線，形成我國民機系統總裝測試技術體系和技術發展路線圖，推動飛機自主研制、改進改型及加速發展。