C919 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境設(shè)計

劉艷，陳經(jīng)緯

（航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所飛控部民用飛機總體室，西安710065）

0 引 言

近年來MA700 客機、AG600 通用飛機的研發(fā)工作逐漸進行到關(guān)鍵時期，隨著C919 大型客機順利首飛，適航取證工作正在逐步進行，我國客機的中長期發(fā)展規(guī)劃已經(jīng)逐漸落實。國產(chǎn)客機要投產(chǎn)并步入運營，需要進行相關(guān)的適航檢查工作，獲得適航合格審定資料。適航合格審定資料是飛機滿足適航要求的證據(jù)，包括提交的資料和需要保留的資料，由適航當局確定符合性資料的充分性。通過大量的試驗數(shù)據(jù)來確保并證明機載設(shè)備滿足設(shè)計中的技術(shù)指標規(guī)定以及符合適航條款要求。目前我國軍用飛機設(shè)備鑒定試驗已經(jīng)積累了一定的基礎(chǔ)與經(jīng)驗，但是民用飛機領(lǐng)域仍然處于起步階段，相比于國外，我國在這方面的基礎(chǔ)設(shè)施略微薄弱，試驗體系還不夠完善。鑒定試驗是指為確定產(chǎn)品與環(huán)境適應性要求的一致性和符合性，以代表性產(chǎn)品為被測對象，使用批準的試驗室方法實施測試分析，評估被測產(chǎn)品在具有代表性的環(huán)境應力條件下的性能特征。通過驗證機載設(shè)備在一定條件下的功能和性能，確保其裝機后的安全和可靠。鑒定結(jié)果將作為批準定型以及適航取證的依據(jù)。

對于民用飛機飛控系統(tǒng)來講，設(shè)備鑒定試驗需要遵循SAE《民用飛機與系統(tǒng)研制指南》的要求，依據(jù) DO-160G 要求開展，涉及的試驗科目主要有電源輸入、電壓尖峰、射頻試驗、雷電試驗等。由于技術(shù)封鎖，國外在該方面的技術(shù)方法和工程經(jīng)驗無法查閱。目前國內(nèi)民用飛機鑒定試驗尚無成熟的工程案例。在民用航空產(chǎn)品研制過程中，鑒定試驗用于驗證航空產(chǎn)品在一定的環(huán)境條件下能否滿足產(chǎn)品功能和性能需求，一般包括電源特性試驗、環(huán)境鑒定試驗和電磁兼容性試驗等。鑒定試驗通過對產(chǎn)品的相關(guān)特性進行考核，為航空產(chǎn)品的定型提供依據(jù)。C919 主飛控電子鑒定試驗也是依據(jù)DO-160G 中的規(guī)定開展的，主要包括電源特性試驗、環(huán)境試驗以及電磁兼容試驗。

本文以C919 主飛控電子鑒定試驗內(nèi)容為牽引展開試驗環(huán)境的研究，對C919 飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境進行設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進行評定。

1 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗的目的

民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗是保障民用飛機的飛控系統(tǒng)、安全性以及可靠性的關(guān)鍵試驗手段，也是適航取證的必要過程。

合格性鑒定試驗的目的有以下兩點。

（1）民用飛機適航取證要求

民用飛機必須通過一定的取證，并嚴格按照適航規(guī)章要求才能投入運營，而取證過程中需要完成一定量的驗證任務，民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗就是有效實施這些驗證任務，落實驗證要求的重要手段，是貫徹適航規(guī)章要求，確保民用飛機的高安全性、高可靠性和可維修性的重要保證。

（2）環(huán)境適應性要求

環(huán)境適應性是飛機產(chǎn)品的一個尤為重要的質(zhì)量特性，適應性的好壞將會直接影響飛機的正常運營。環(huán)境適應性能否滿足相關(guān)規(guī)范的要求需要通過環(huán)境鑒定試驗來驗證。

ARJ21 的飛控系統(tǒng)采用的是Honeywell 公司的產(chǎn)品 ，由 Honeywell 公司負責鑒定試驗。C919 的電傳飛控系統(tǒng)同樣屬于Honeywell 公司研發(fā)，但與ARJ21 并不相同，C919 電傳飛控系統(tǒng)的鑒定試驗是由國內(nèi)負責開展。MA700、通用飛機AG600 如今已經(jīng)開始驗證，它們的電傳飛控系統(tǒng)是我國自主研發(fā)，國內(nèi)供應商將自主進行鑒定試驗。

因此掌握民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗方法，構(gòu)建完整的民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境是一項重要的研究內(nèi)容。

2 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗

飛機制造商會根據(jù)CCAR/FAR 第25 部適航標準規(guī)定，通過“飛機設(shè)備鑒定需求”的形式提出對機載設(shè)備（含飛控系統(tǒng)）的鑒定要求。根據(jù)機載設(shè)備研制保障等級（DAL）分類，以及DO-160G 的要求，規(guī)定該機載設(shè)備鑒定試驗的科目，機載設(shè)備承研單位通過試驗證明設(shè)備對各項試驗條件的符合性。依據(jù) C919 適航取證要求以及主機規(guī)定的試驗科目，開展主飛控電子鑒定試驗，進行符合性評估，確定機載設(shè)備/系統(tǒng)在工作期間可能遇到的典型環(huán)境條件下的實際工作特性。

對于C919 民用飛機主飛控電子鑒定試驗，采用以下方式：首飛階段進行的是LRU 級環(huán)境首飛試驗、飛控電子電磁兼容和電源輸入試驗，用于確保首飛級LRU 的安全可靠；合格鑒定試驗是在首飛結(jié)束后進行的部件取證試驗，主要包括LRU 級環(huán)境鑒定試驗以及飛控電子電磁兼容和電源輸入鑒定試驗，該階段各試驗科目必須嚴格按照DO-160G 的要求進行設(shè)計和規(guī)劃，在該階段適航檢查工作就要介入，因此每項試驗科目都要留存足夠的數(shù)據(jù)作為適航證據(jù)；綜合系統(tǒng)試驗是最后一階段的試驗，為飛控電子和輔助設(shè)備的集成系統(tǒng)HIRF/Lightning 試驗。 鑒定試驗分級如圖1所示。

圖1 鑒定試驗分級圖［9］Fig.1 Classification of qualification test［9］

3 C919 飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境設(shè)計

民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗的重要工具及支撐條件就是試驗環(huán)境，把被測產(chǎn)品及其他各部分集成起來，為待測產(chǎn)品在地面搭建一套與機上完全一致的工作環(huán)境，同時能夠?qū)崟r監(jiān)控試驗過程中被測產(chǎn)品的狀態(tài)，并在試驗結(jié)束形成支撐適航取證的合格性報告。

在C919 項目中針對主飛控電子鑒定試驗自主研發(fā)一套鑒定試驗環(huán)境，作為C919 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗的工具和支撐。該試驗環(huán)境具有接口仿真、協(xié)議仿真以及載荷仿真等功能，同時能夠?qū)崟r監(jiān)控試驗過程中被測產(chǎn)品在外界激勵（干擾）情況下的狀態(tài)變化，并對各試驗條目做出合格性判定，為適航取證留存證據(jù)。

3.1 試驗環(huán)境組成

試驗環(huán)境一般分為被測系統(tǒng)和仿真/監(jiān)控系統(tǒng)，被測系統(tǒng)主要包括被測產(chǎn)品、負載、線纜，仿真/監(jiān)控系統(tǒng)主要包括接口適配功能以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 鑒定試驗環(huán)境組成Fig.2 Identify the composition of the test environment

在C919 項目中，被測系統(tǒng)中被測產(chǎn)品為2 臺ACE 和2 臺FCM。根據(jù)被測產(chǎn)品外圍連接件的特點和屬性，負載分為真實負載和仿真負載兩類，真實負載即機上真實產(chǎn)品，仿真負載具有仿真機上真件特征，在本項目中真實負載包括AOA、SCLU等，仿真負載包括升降舵、方向舵、副翼等。通過線纜實現(xiàn)被測產(chǎn)品和陪試產(chǎn)品連接和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的互連。根據(jù)功能不同，試驗線纜分為鑒定試驗線纜和數(shù)采線纜，鑒定試驗線纜暴露于各階段的測試條件下，參與鑒定試驗過程，應與機上真實線纜保持完全一致，滿足DO-160G 的要求。數(shù)采線纜不處于試驗環(huán)境中，滿足正常試驗要求即可。

仿真/監(jiān)控系統(tǒng)中接口適配主要實現(xiàn)仿真負載和真實負載與數(shù)采系統(tǒng)間的適配，同時具有光電隔離功能，確保鑒定試驗各試驗科目不會對數(shù)采系統(tǒng)帶來破壞和干擾。

數(shù)采系統(tǒng)是鑒定試驗環(huán)境的重要組成部分，主要是仿真機與被測產(chǎn)品互聯(lián)的外圍設(shè)備，同時具有對被測產(chǎn)品輸出信號的監(jiān)控和判斷能力，用于支撐試驗過程各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)留存，提供人機交互接口，滿足試驗人員簡單便捷的操作要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過接口卡和適配器與被測產(chǎn)品和負載連接。

3.2 試驗環(huán)境功能

通過試驗環(huán)境對被測產(chǎn)品在機上的真實狀態(tài)進行仿真，包括與外圍產(chǎn)品接口互連、信號交互的電氣關(guān)系、信號關(guān)系，能夠較真實地反應出被測產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下與交聯(lián)設(shè)備的通信以及故障狀態(tài)下影響。在本文中試驗環(huán)境具有功能互聯(lián)、接口仿真、載荷仿真、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等功能。

系統(tǒng)互聯(lián)功能：眾多的被測件、真實負載和仿真負載、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過不同等級要求的線纜連接起來，構(gòu)成測試環(huán)境。依據(jù)B787 的工程實踐，鑒定試驗過程中測試時序圖如圖3 所示。

圖3 測試時序圖［11］Fig.3 The test sequence［11］

FCM、ACE 連接的外部接口特性，包括總線信號 IMB、ADB、A664、A429、離散信號、交流信號、供電特性等，保持與機上高度一致的電氣特征，同時仿真出內(nèi)外部交聯(lián)信號的接口協(xié)議。

載荷仿真功能：對FCM、ACE 連接的真實負載接口以及輸入輸出特性進行仿真，每個仿真負載都與真實負載有著一樣的接口、功耗以及EMI保護電路。

實時監(jiān)控功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成FCM、ACE 接口數(shù)據(jù)的實時采集與顯示，并根據(jù)合格性判據(jù)對當前接收到的數(shù)據(jù)進行合格性判斷。

數(shù)據(jù)處理功能：主要包括數(shù)據(jù)記錄功能，能夠?qū)崟r記錄所有采集到的數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)記錄文件，數(shù)據(jù)后處理功能是指測試結(jié)束后對記錄文件依據(jù)判據(jù)逐條進行判斷，形成測試報告，為試驗人員提供評估被測產(chǎn)品功能和性能的依據(jù)。

3.3 測試時序

C919 鑒定試驗環(huán)境對以上測試時序進行分析，抽取關(guān)鍵特征，共分解出5 個操作動作，3 個關(guān)聯(lián)動作，如圖4 所示。

圖4 C919 測試時序Fig.4 The test sequence of C919

（1）5 個操作動作，分別為開始仿真/停止仿真，切換地面/空中狀態(tài)，清除錯誤，開始測試/停止測試，退出試驗。

在C919 鑒定試驗環(huán)境中將這5 個操作動作在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)UI 界面中體現(xiàn)，支持試驗人員通過簡單的按鈕操作整個試驗流程，最大化簡化操作人員工作負擔。

（2）3 個關(guān)聯(lián)動作，在試驗環(huán)境中自動注入，分別為開始記錄數(shù)據(jù)，開始學習，停止數(shù)據(jù)記錄。

試驗環(huán)境中將這3 個動作定義為關(guān)聯(lián)動作，自動注入在開始仿真、清除故障、停止仿真之后，操作人員無需多余動作。

3.4 監(jiān)控邏輯

在鑒定試驗過程中最重要的一項指標就是判定在外部條件發(fā)生變化時，被測產(chǎn)品是否會受到干擾，即被測產(chǎn)品在被激勵（干擾）過程中是否完好或者是否如預期狀態(tài)一致，這是就需要根據(jù)被測產(chǎn)品的輸出信號來一一判斷，在C919 中根據(jù)FCM 和ACE 輸出數(shù)據(jù)類型來進行判斷，共有Thold 類、Activity 類、Calculate 類三類，Thold 為帶監(jiān)控門限的信號，Activity 為與故障次數(shù)相關(guān)的信號，Calculate 為判斷數(shù)據(jù)包有效性的信號。

（1）Thold 類型

包 括 BNR、COD、INT、UINT、float、DISCRETE、bool 等，其監(jiān)控邏輯如圖 5 所示。

圖5 Thold 類型數(shù)據(jù)合格性判斷邏輯Fig.5 Thold data eligibility judgment logic

在該類型數(shù)據(jù)判斷邏輯中，“監(jiān)控信號”為FCM 和ACE 試驗過程中實時輸出的信號，“學習值（期望值）”是監(jiān)控信號通過學習值（期望值）產(chǎn)生的方法得到的預期值，如圖6 所示。

圖6 學習值（期望值）產(chǎn)生的方法Fig.6 The method of expected value generation

實時采集信號與正式試驗前的學習值，根據(jù)Thold 類型數(shù)據(jù)合格性對邏輯算法進行判斷（如圖5 所示），實現(xiàn)實時監(jiān)控。在算法中約定了每個監(jiān)控信號合格的上升門限UpCnt、下降門限D(zhuǎn)nCnt、允許最大誤差TholdToCnt、允許合格最大門限MaxCnt、允許合格最小門限MinCnt、故障門限TripTHold 等邏輯運算值，不同信號邏輯運算門限值不同，這些域門限會在判據(jù)文件中預先給出，試驗環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要在正式試驗開始（Start Test）后，從判據(jù)文件中讀取這些域門限值，并按照以上的算法進行邏輯判斷。

“學習值（期望值）”是在仿真試驗開始（Start Simulation）后，正式試驗開始（Start Test）前，基于一定的采樣區(qū)間，在C919 項目中采用的是100 個點，計算基于整個樣本的標準偏差，具體方法如圖6 所示。

（2）Activity 類型

該類型信號需要判斷上下兩拍數(shù)據(jù)時間間隔，根據(jù)時間間隔來給出信號是否合格的結(jié)論。MaxWait 為預置門限，同樣域門限會在判據(jù)文件中預先給出，試驗環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要在正式試驗開始（Start Test）后，從判據(jù)文件中讀取域門限值，然后根據(jù)MaxWait 值實時判斷不同信號是否合格。判斷邏輯如圖7 所示。

圖7 Activity 數(shù)據(jù)合格性判斷邏輯Fig.7 Activity data eligibility judgment logic

（3）Calculate 類型

對數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)進行CRC 計算，與數(shù)據(jù)包內(nèi)的CRC 進行比對，如圖8 所示。

圖8 Calculate 數(shù)據(jù)合格性判斷邏輯Fig.8 Calculate data conformity judgment logic

3.5 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗過程文件

在C919 鑒定試驗過中會存在兩類三種文件，一類是試驗判據(jù)文件，一類是試驗輸出文件。

（1）試驗判據(jù)文件

試驗判據(jù)屬于鑒定試驗程序的內(nèi)容，其定義了飛控系統(tǒng)、產(chǎn)品的容差能力以及性能，其中囊括了系統(tǒng)監(jiān)控、限制以及持續(xù)性試驗等要求。如Thold 類型數(shù)據(jù)邏輯運算過程中用到的門限值如UpCnt、DnCnt、TholdToCnt 等都在該文件中定義，這些域門限值是機載設(shè)備（被測產(chǎn)品）與安全性相關(guān)的重要指標，也是產(chǎn)品性能設(shè)計的重要體現(xiàn)，是被測產(chǎn)品在鑒定試驗中能否順利通過的判斷依據(jù)。因此在正式開始試驗前，操作人員必須首先加載試驗判據(jù)，只有當試驗判據(jù)成功加載，整個試驗才能開始，試驗判據(jù)的名稱和版本會記錄在試驗報告中，作為適航證局留存。試驗判據(jù)文件如圖9 所示。

圖9 試驗判據(jù)文件Fig.9 File of test criterion

（2）輸出試驗報告

試驗報告是評定鑒定試驗結(jié)果的主要文件。試驗報告有兩種，一種是實時數(shù)據(jù)記錄文件，如圖10 所示；另一種是后處理報告，如圖11 所示。實時數(shù)據(jù)記錄文件是由數(shù)采軟件在實時運行過程中產(chǎn)生的，通過記錄的數(shù)據(jù)文件，能夠?qū)崿F(xiàn)本次測試過程的追溯、再復現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)文件將作為適航的依據(jù)存在，同時也供后處理軟件使用。

圖10 實時記錄數(shù)據(jù)文件Fig.10 Real-time data file

圖11 后處理報告Fig.11 Post processing report

后處理報告由后處理軟件產(chǎn)生，后處理報告對本次試驗做出最終結(jié)論，試驗是否通過，如果存在錯誤，列出錯誤信號名稱、錯誤數(shù)據(jù)，報告末尾會統(tǒng)計出該樣本的錯誤總量，供分析判斷。

4 試驗環(huán)境結(jié)果評定

該試驗環(huán)境交付后，進行C919 首飛階段試驗、適航鑒定試驗，試驗環(huán)境如圖12～圖13 所示。

圖12 試驗環(huán)境（一）Fig.12 Test environment Ⅰ

圖13 試驗環(huán)境（二）Fig.13 Test environment Ⅱ

通過這兩個關(guān)鍵階段的應用實踐，對測試結(jié)果進行分析和評定，得到以下結(jié)論。

（1）該試驗環(huán)境各部分協(xié)同工作良好，功能齊全、性能穩(wěn)定，測試時序、監(jiān)控邏輯均滿足要求，試驗環(huán)境可靠性高。

（2）按照民用飛機系統(tǒng)試驗大綱以及有關(guān)規(guī)范要求，該環(huán)境很好地支撐民用飛機飛控系統(tǒng)及產(chǎn)品首飛安全階段、各格鑒定試驗階段的要求，完成了電源特性試驗、電磁兼容試驗、環(huán)境試驗等53項試驗科目。

（3）試驗環(huán)境產(chǎn)生的報告符合適航取證的要求，過程數(shù)據(jù)記錄和存儲完整、有效。

5 結(jié)束語

本文從民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗的目的和重要性出發(fā)，詳細介紹了C919 民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境的設(shè)計實現(xiàn)，經(jīng)工程實踐證明該設(shè)計方案符合民用飛機鑒定試驗要求，環(huán)境架構(gòu)通用，采用方法可靠科學，對于未來其他國內(nèi)民用飛機飛控系統(tǒng)鑒定試驗環(huán)境的設(shè)計有積極的借鑒和參考意義。