飛機實驗室氣候試驗風險識別及分析

蘇杭，吳學敏，吳敬濤

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

我國幅員遼闊、氣候類型眾多，僅按溫濕度便可分為寒冷、寒溫Ⅰ、寒溫Ⅱ、暖溫、干熱、亞濕熱、濕熱等7個氣候帶[1-2]。飛機面臨著多種多樣的飛行環境，尤其軍機，要求具備全天候全疆域的飛行、作戰能力。環境適應性是飛機功能、性能指標實現的基礎，關系到飛機全壽命周期服役和完成任務的能力[3]。通過高溫、低溫、濕熱、淋雨、降雪、凍雨、積冰和太陽輻射等氣候試驗，驗證飛機的環境適應性[4]，已經被國外證實是可行的[5-6]。因此，通過氣候試驗暴露飛機環境適應性問題是飛機研制過程中不可缺少的項目[7]。

飛機實驗室氣候試驗是在實驗室內模擬自然氣候環境條件下開展飛機氣候環境適應性的試驗[7]。在我國大型氣候環境實驗室未建成之前，通過在自然極端氣候環境中試飛、分析、改進的反復過程，逐步使飛機具備環境適應性[8]，但極端氣候條件具有其特有的時間窗口，持續時間相對較短，難以復現等限制[9-10]，使得飛機環境適應性試驗不易開展。目前，我國對標美國麥金利氣候實驗室的大型氣候環境實驗室已經建成，并投入使用[11-12]。

實驗室氣候試驗的試驗機為全狀態帶油飛機，這類試驗機造價昂貴，必須確保試驗安全，并且實驗室氣候試驗與飛行試驗穿插進行，試驗周期緊張。氣候實驗室系統復雜，設備繁多，試驗過程需要保證實驗室的結構安全。然而國內飛機實驗室氣候試驗經驗缺乏，尤其試驗風險管理方面。試驗風險識別和分析作為風險管理的重要部分，在試驗實施之前識別、分析試驗中的風險，并據此開展風險評估和處理[13-15]，這不僅是確保實驗室結構安全和試驗機安全的迫切需要，還是確保試驗質量、試驗進度，節省試驗經費的重要措施。

1 飛機實驗室氣候試驗風險識別

GB/T 19000—2016對風險的解釋為：“不確定性的影響”[16]。這種影響既可以是正面的，也可以負面的，但除非有特殊說明，一般指負面影響，文中所有的風險指負面影響。GJB 5852—2006對風險的定義更為具體：“在規定的技術、費用和進度等幾個約束條件下，對不利實現裝備研制目標的可能性及所導致的后果嚴重性的度量”[17]，同時指出了風險的負面影響及影響程度。飛機氣候試驗具有明顯的階段性特征[18]，風險存在于氣候試驗的每個階段。飛機實驗室氣候試驗的流程一般可以分為試驗設計階段、試驗準備階段、試驗實施階段和試驗確認階段等4個階段。準確識別、分析出試驗設計、試驗準備、試驗實施及試驗確認階段的風險，有助于增強試驗風險評估的準確性，風險處理的針對性和有效性[19-20]。

1.1 試驗設計

試驗設計階段是根據試驗訂購方對試驗機的要求確定氣候試驗方案的階段，包括消化、理解、溝通任務書，環境應力施加方案設計，飛機支持方案設計，試驗控制方案設計，實驗室及試驗機環境參數測量方案設計，試驗機功能性能參數測量方案設計等內容，最終形成試驗大綱、測量大綱、控制大綱等試驗技術文件。試驗設計階段的風險點主要有方案設計、新技術應用等，這些風險如果沒有被識別出，將導致后續試驗階段工作無法有效開展，是重要的技術風險。

1.2 試驗準備

試驗準備階段一般指飛機進入實驗室后至試驗實施之前的階段，該階段是進行試驗實施之前的最后準備階段，包括試驗設備準備，人力資源準備，試驗過程控制準備，試驗安裝、檢查、調試，試驗譜調試，準備狀態檢查等。其中試驗安裝、檢查、調試包括了技術交底、試驗系留、設備檢查、非標設備安裝檢查、測量設備安裝檢查、測量參數配置及檢查、控制參數配置及檢查等。試驗準備階段的風險點主要有試驗設備、調試、飛機準備狀態檢查等，這些風險點的識別對試驗成功起到至關重要的作用。

1.3 試驗實施

試驗實施是按照試驗大綱、測量大綱、控制大綱等技術文件獲取試驗數據的整個活動過程，涉及試驗機管理、試驗條件、試驗設備、試驗程序、測試和控制設備、試驗測量和控制、合格判據、試驗數據記錄、試驗人員等。試驗機管理，試驗條件偏差，試驗人員對試驗設備、測量和控制設備的操作熟練程度，測量和控制的精度，對判據的邊界理解以及試驗數據的記錄均會影響試驗結果。試驗實施階段的風險點主要有試驗機、試驗設備、試驗人員、實驗室結構等，應準確識別該階段風險點，以保證試驗質量和試驗數據可靠性。

1.4 試驗確認

試驗確認是試驗收尾階段，包括試驗數據處理、試驗報告撰寫等。在對試驗中獲取的一系列數據進行處理、分析后得到可信的試驗報告。承試方的試驗報告應包括詳細的試驗過程、真實的試驗數據、可信的分析以及結論等。試驗確認階段的風險點主要有數據處理和報告撰寫，該階段的風險點若未被識別出，將可能導致試驗結論不準確，是嚴重的技術風險。

根據飛機實驗室氣候試驗的特點，各試驗階段的風險識別如圖1所示。

圖1 飛機實驗室氣候試驗的風險識別Fig.1 Risk identification for aircraft climate tests in laboratory

2 飛機實驗室氣候試驗風險分析

2.1 試驗設計風險分析

2.1.1 方案設計

試驗承試方在設計階段需要完成方案設計，方案設計的依據來源于訂購方的任務書，但目前承試方和訂購方存在脫節。承試方掌握更多的是氣候試驗的設計工作，而對于飛機系統專業認知較淺顯，訂購方恰好相反。雙方如果溝通不暢，或者沒有充分理解彼此想法，未及時凍結任務書，方案設計存在一定風險。

1）試驗機技術狀態。方案設計未能考慮試驗機的技術狀態，導致方案設計之中的某些系統存在無法完成氣候試驗的風險。國內某型飛機開展氣候試驗的時機是在試飛過程中穿插進行，訂購方并不清楚試飛方對飛機的改裝，給承試方提供的飛機技術狀態依然是未改裝的試驗機。試驗機進入實驗室后，承試方發現某些系統由于試飛改裝并不具備試驗的要求，導致最后取消該系統的氣候試驗。如民機在試飛過程中對服務門改裝，以保證試飛過程中出現緊急情況后，能順利打開艙門逃生。方案設計未能考慮試驗機在極端環境中技術狀態的變化情況，導致方案設計中配套試驗機的非標設備存在使用受限的風險，同時試驗機本身也存在安全風險。在低溫環境中，試驗機機翼變形，起落架作動筒縮短，導致試驗機技術狀態發生變化，配套的登機梯等非標設備無法正常使用。

2）系留支持。試驗中的試驗機、設備等需要專用裝置系留支持，確保試驗機、設備的安全。系留支持方案設計中，須考慮極端環境下，系留支持裝置由于環境溫度變化而變形，存在對試驗機等支持設備造成額外負載的風險。

3）試驗順序。方案設計必須考慮到試驗環境的順序和試驗系統的順序，訂購方對試驗環境的要求往往是基于試驗機系統提出的，不同的系統對應不同的環境考核要求，合理設計試驗順序能減少試驗機的風險以及試驗系統之間相互影響的風險。飛機試驗環境順序一般為低溫、高溫、太陽輻射、淋雨等，再結合受試飛機系統，完成試驗系統的順序。試驗系統一般按飛機系統不上電和上電兩大類順序進行。

4）試驗輔助設備。在飛機氣候試驗過程中，地面輔助設備也同時被考核，在方案設計之初，如果未能考慮輔助設備的耐極端環境能力，使得輔助設備存在極端環境下功能失效的風險。在某民機–40 ℃低溫環境中，需要通過空調車對駕駛艙升溫到–15 ℃以上，方能對飛機上電，但未考慮空調車在低溫環境下功能受限的風險，導致駕駛艙升溫無法達到–15 ℃以上，后采取其他升溫方式才將駕駛艙溫度升到–15 ℃以上。

2.1.2 新技術應用

飛機實驗室氣候試驗是新型試驗種類，國內開展次數少，對于現階段氣候試驗，絕大多數試驗技術或方法均為開創性試驗技術方法。這些新技術成熟度較低，應用在氣候試驗中存在較大風險。目前，氣候試驗的新技術實施之前，必須通過驗證性試驗驗證、環境調試等環節后方能應用。如在低溫環境下某民機實驗室APU開車技術的應用，經過驗證試驗，需在基線溫度和–10 ℃環境下調試后，才能正式應用于低溫環境。

2.2 試驗準備風險分析

2.2.1 試驗設備準備

試驗準備階段，需要對各類試驗設備進行準備，包括環境提供設備的檢查、整改；非標設備的安裝、檢查、調試；測量設備的安裝、檢查、調試；控制系統軟件的檢查、調試等內容。

1）環境模擬設備檢查。在設備檢查、整改過程中，設備位置不易到達，人員存在高空作業風險和操作不暢風險。實驗室設備間設備種類繁多，數量巨大，空間關系復雜，某些儀表、閥門、保溫管道位于高空、狹小等空間，人員檢查、整改存在高空作業風險和操作不易的風險。

2）非標設備安裝。設備安裝，尤其是非標設備的加工安裝均是外協單位負責，存在無法按時完成的風險以及多種設備安裝交叉作業的風險。設備安裝過程中，設備類型多，步驟繁瑣，專業人員少，安裝工作量大，且準備階段周期短，導致安裝周期延長和交叉安裝作業風險加大。設備安裝過程也可能存在設計更改、實際安裝偏離設計等風險，非標設備、測量設備等依據設計方案安裝，但設計方案可能隨著訂購方要求更改，導致已安裝設備不滿足要求；設備實際安裝誤差過大，偏離設計許可，導致安裝不合理。

3）設備調試。設備安裝到位，既需要對單臺設備調試，也需要對成套設備調試，保證設備性能滿足試驗要求。但一方面由于試驗操作人員對新設備的功能和性能不熟悉，存在操作不熟練，影響試驗周期的風險；另一方面，由于待調試參數要求較高，調試時間可能超出預期，也存在影響試驗周期的風險。成套設備調試過程中往往需要多人配合，存在配合默契度欠缺的風險。

2.2.2 試驗譜調試

為了試驗一次成功，承試方一般在準備階段按照訂購方試驗環境要求開展空艙調試（預試），包括環境項目調試和整個連續試驗譜調試。調試過程中，存在由于環境提供設備突發故障而使調試中斷的風險。在調試之前，盡管已對龐大復雜的環境提供設備進行靜態檢查整改，但某些設備須在工作狀態下才能發現問題，進而整改，保證正式試驗不會出現由于環境提供設備發生故障而迫使試驗中斷的風險。

調試過程中，也存在由于外在能源突然停供而迫使調試中斷的風險，水力、電力、蒸汽等能源是制造目標環境所必備的前置能源。在某次低溫調試過程中，由于其他實驗室大功率設備啟動，導致氣候實驗室突發停電，所有設備均停止工作，雖然經過及時搶修供電，但實驗室內低溫環境依然發生較大幅度波動，波動幅度超出了環境條件的波動要求。

2.2.3 準備狀態檢查

試驗開始之前，需要檢查試驗機的準備狀態，確保試驗機的初始狀態滿足試驗要求。在準備狀態檢查過程中，風險主要有以下方面。

1）試驗過程中，訂購方對試驗機進行修理、加強或更改，存在試驗機技術狀態不滿足或相關質量程序執行不到位的風險。

2）試驗前準備狀態檢查不到位，APU進氣口或排氣口安全距離內有其他物體，APU正常工作存在風險。

3）試驗機燃油、液壓油、滑油滲漏嚴重，超出滲漏限額。

4）試驗機存在其他系統異常風險，不滿足試驗需求。

2.3 試驗實施風險分析

2.3.1 試驗機管理

氣候試驗實施過程中，試驗機及其考核系統是訂購方主要的關注對象，也是承試方檢測目標。試驗機在環境作用下，尤其是長時間處于極端環境中，發生風險的可能性增大。

1）試驗機檢測。試驗機系統的功能、性能檢測過程中，存在檢查、檢測不到位、不全面的風險。環境會對整個試驗機作用，待考核的試驗機系統是訂購方根據以往經驗總結出可能最容易發生故障的系統，但也存在其他系統發生故障而被忽略的風險；或者環境對于某系統的作用是全方位的，但存在僅部分作用能被了解及檢測的風險。某民機在低溫環境中，發現機翼下方漏油，這是訂購方試驗前未預想到的。

2）系統故障發現。實施過程中，存在試驗機關鍵考核系統突發故障且發現不及時的風險，在極端環境中，被考核的試驗機系統會暴露出或大或小的故障，這些故障有的可以被檢測設備或目視及時發現，但也有部分故障難以被及時發現。系統出現故障如果沒有及時發現，后續環境條件改變，可能會引起故障疊加，更難以分析出故障產生原因。

3）試驗機防護。實施階段，試驗環境項目按順序進行，試驗機在更換環境模擬設備過程中存在防護風險。太陽輻射試驗與淋雨試驗按順序進行，太陽輻射試驗結束后，需要直接在試驗機正上方更換淋雨環境模擬設備，試驗機存在被其他掉落設備砸傷的風險。

2.3.2 試驗設備保障

1）環境模擬系統。環境模擬系統是提供符合環境條件要求的唯一系統，且環境模擬系統復雜、設備眾多，環境模擬關鍵設備故障將導致試驗環境條件失控，存在欠試驗或過試驗的風險。盡管試驗之前已進行調試，但并不能暴露所有環境模擬設備的問題，試驗實施之前的設備再次檢查是確保環境模擬系統正常工作的必要手段。實施過程中，供電、供水、供氣等供能系統能否持續工作，對試驗能否順利完成至關重要。環境模擬設備耗能大，且為保證環境波動幅度在試驗要求范圍內，需要環境模擬設備持續不間斷地工作，但供能系統不受實驗室管理，存在突發停供導致試驗意外中止的風險。

2）輔助設備。輔助設備包括非標設備、測量設備、試驗機配套設備等，其主要作用是系留支持試驗機、滿足試驗條件、獲取試驗數據等。一方面，輔助設備在極端環境下工作，存在適應環境能力不足而無法工作的風險。在低溫環境中，試驗機配套的電源車、氣源車和液壓車出現故障，影響后續試驗；實驗室內輔助供排水管道也存在結冰堵塞的風險。另一方面，存在試驗機工作造成輔助設備無法正常工作的風險。試驗過程中APU排氣溫度過高，超過尾氣排放系統降溫能力，可能造成尾氣排放系統故障等風險。

2.3.3 人員防護/操作

1）人身安全。在試驗實施階段，進入試驗現場的人員包括機務、氣候試驗工程師、質量控制人員、現場設備操作人員、攝錄像記錄人員等。試驗人員進入試驗現場工作，存在人身安全的風險，尤其是極端環境，比如低溫環境、濕熱環境、太陽輻射等環境下，人身安全風險增加。一方面，環境直接對試驗人員造成危害，低溫試驗時，試驗人員存在凍傷等風險；太陽輻射和高溫試驗時，試驗人員存在灼傷等風險。試驗人員長時間處于極端環境，人身安全風險持續增加。另一方面，在環境對試驗人員作用基礎上疊加其他現場危害，淋雨試驗時，地面或機體表面濕滑，現場安裝滑倒風險、高空作業風險增大；太陽輻射和高溫試驗時，地面、機體表面或夾具表面溫度較高，現場安裝灼傷風險、高空作業風險增大。

2）人員操作。由于試驗周期長，試驗、值班人員流動性大，存在試驗方案不熟悉或試驗制度執行不到位的風險，容易出現操作失誤。如試驗數據記錄不完整、不及時或不準確，試驗操作順序異常，機務誤觸其他按鈕等帶來的風險。試驗異常處理不及時、不正確，可能導致嚴重的質量事故，帶來較大的技術風險。

2.3.4 實驗室結構維護

實驗室作為氣候試驗的環境容納載體，承受各種極端環境負載，并保持環境狀態，直至試驗結束。一方面，在試驗過程中，極端環境不止作用于試驗機和試驗設備，還會對實驗室的建安設施和結構造成影響，實驗室四周庫板和大門長時間處于極端環境中，存在結構損壞的風險。另一方面，試驗機在密閉實驗室內APU開車存在風險。實驗室內APU開車需要足夠的吸氣量，導致室內微正壓無法控制，超出室內環境保持要求。實驗室內APU開車需要安裝專用的尾氣排放管道，試驗機布置或者管道固定、連接位置存在風險，導致APU排氣未能完全通過尾氣排放系統排出實驗室，高溫尾氣進入實驗室，造成室內煙氣濃度過高，同時影響室內環境條件。試驗機長時間處于密閉實驗室，其攜帶的燃油自然揮發，導致室內油氣濃度增加，存在閃爆或火災風險。

2.4 試驗確認風險分析

2.4.1 試驗數據處理

試驗實施完成后，需要處理試驗數據，數據處理方法對試驗結果有重要的影響，不同的處理方法有可能得出不同的結果。試驗數據處理通常在專用軟件工具上進行，但如果對處理原理不清楚，盲目選擇處理方法，就有可能造成數據處理不準確，導致后續試驗結果分析及試驗結論獲得存在風險。

2.4.2 試驗報告撰寫

基于處理后的試驗數據，撰寫試驗報告，試驗報告中最重要的一項就是對試驗結果進行判定，得出試驗結論。既需要對承試方提供的試驗條件是否滿足試驗要求進行判定，也需要對試驗結果是否合格進行判定。判定標準的不科學、不明確，將不能分析出試驗條件與試驗結果之間的關系，存在試驗結論不可信的風險。如低溫環境造成艙門開關卡滯、阻力大，需要分析溫度影響艙門哪個結構/機構發生了物理變化，只有將影響關系理清，才能得出正確的試驗結論。

3 結語

開展試驗風險識別和分析的研究對于實驗室氣候試驗風險管理具有重要意義。該研究成果在國內首次某型民機實驗室氣候試驗中得到應用，對該試驗風險管理起到重要作用，同時也發現了研究成果的不足，為繼續完善該成果提供了實踐基礎。隨著我國大型氣候環境實驗室的建成，飛機、高鐵、特種車輛等大型裝備的氣候試驗需求越來越多，試驗機型本身結構系統的差異，試驗項目的差異，導致氣候試驗難度與風險越來越大。本研究可為未來大型裝備的實驗室氣候試驗風險管理提供技術基礎。