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航空地面试验测试技术现状与展望

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(航空工业北京长城航空测控技术研究所,北京  101111

 

摘要:测试在飞机全寿命周期各阶段都是不可或缺的一个环节,飞机地面试验测试是指在飞机研制过程中所用到的全部测试技术。本文简述了国外飞机地面试验测试的特点及发展趋势,以及国内的发展现状,并提出了发展设想,建议重点关注各阶段试验测试设备的统筹规划、故障注入方法的深入研究、测试设备研制水平的提升、测试数据共享、以及新技术的研究等方面。

关键词:测试技术;地面试验测试

中图分类号:V216  文献标识码:A  文章编号:10008829201908000105

doi10.19708/j.ckjs.2019.08.001

 

 

 

概念与内涵

测试在飞机全寿命周期各阶段都是不可或缺的一个环节,从需求阶段的需求验证到维护阶段的维护测试都发挥着重要的作用,其中,研发阶段的功能验证与系统验证的测试和生产阶段的装配测试,通常称为地面试验测试。

现代飞机研制过程中,飞机整机、系统、子系统、以及机载设备,都需要进行试验测试。按照研制工作要求,完成设备的生产后,需开展设备试验,以检验设备是否满足设计要求;随后进入机载设备的组合和互联阶段,综合成功能相对独立的子系统。同时开展子系统的试验,验证组成子系统的机载设备之间接口关系是否兼容和协调一致,子系统的功能和性能是否满足设计、规范、标准的要求;此后开展系统的综合试验,验证子系统之间接口关系是否兼容和协调一致,以及从飞机整机的角度全面验证飞机系统的功能和性能是否满足设计、规范、标准的要求。生产阶段则完成调试测试和结果检验。整个过程如图1所示。

 

地面试验测试

 

飞机的地面试验可定义为:飞机的机载设备、子系统、系统和全机从原型样机形成到生产总装配完成之间的全部功能、性能、故障等基础试验以及强度试验、环境试验等专业试验。试验对象为真实的机载件,试验还包括与试验对象接口的机载设备以及为保证试验可信度而创造的环境,以真实与仿真混合为主。试验内容主要包括机载设备试验、子系统试验、系统综合试验、生产装配调试试验与检测(包括装机前检验、部件测试、总装完成后测试)等。这些试验中,测试系统不可或缺,不仅要配合试验完成各类数据的采集、分析、检验、故障诊断,还需对试验效果和装配一致性等进行一定的评议,以支持试验达到预期目的、保障飞机质量。

飞机地面试验测试是指在地面试验过程中所用到的全部测试技术,包括测试采取的方法、工具、软件、设备以及数据处理算法等,本文主要讨论其中涉及功能性能和故障等基础试验的测试技术。

以往的地面试验测试主要指试验过程中的数据采集,包括数据的获得、控制、显示和管理,在研制阶段主要用于验证飞机的设计性能,制造阶段则用于检验制造工艺和产品的质量。随着测试技术进步,地面试验测试的内涵和范畴不断地扩展,更多地开展了试验支持、试验管理、试验评价等技术的研究和应用,测试与试验愈加紧密。现代地面试验测试技术主要具有以下几方面功能:对试验数据进行采集、显示、示警、管理,实时与事后分析、数据回放及数据再利用等;提供试验支持设备,仿真试验对象、接口设备或数据,提供试验激励,模拟试验对象在空中所受力、环境等,配合试验开展;实现试验测试一体化,管理所有参与试验的资源和试验进程,同步试验与测试;在生产装配中,配合调试,检验质量;在试验和生产中出现故障时,提供故障诊断手段并实现故障定位;评判试验是否成功,质量是否合格。

地面试验测试是飞机研制生产过程中涉及面最广、工序最为复杂、批生产中资金耗费最多的技术,更是贯穿航空产品全寿命过程的全局性关键技术。

国外发展趋势

地面试验测试的发展与试验和试验设备的发展密不可分。国外地面试验测试技术发展,有三个比较突出的表现。

2.1  综合化、通用化、数字化、虚拟化

用几个例子来说明国外在这些方面的表现。

2为空客公司A350的高升力旋转设备试验台和高升力子系统试验台。所有旋转设备如齿轮旋转作动器、动力驱动装置等都可在高升力旋转设备试验台(如图2a)所示)开展功能、性能和故障试验,同时,该试验台设置了恒温箱,使得对象可以开展不同温度环境下的功能、性能、故障试验。试验台融合了以往分别开展的功能性能试验和环境试验,也融合了不同试验对象的试验项目,它对测试系统提出了更多的需求,包括满足所有对象所有试验项目和所有温度环境的测试要求,以及测试设备自身须满足高低温下正常工作的要求等。而从图2b)所示的高升力子系统试验台可看出,左翼采用的是高升力子系统机载原件,通过柔性加载系统模拟气动力实现试验所需动作,右翼则采用虚拟形式,通过计算机模型实现简化翼面参与试验。这种形式要求测试系统不仅满足实际采集而且要具备虚拟试验的支持能力。

3TechSAT公司的ADSII综合测试系统,它是航电系统的实时测试和仿真环境,不仅适用于航电子系统的试验测试、检查、排故,而且适用于装机前的系统联试、集成和鉴定,也可通过总线与系统交联,在机载子系统的参与下,执行航空电子系统飞行情况的复现。

 

高升力试验台

 

 

 

3  ADSII综合测试系统

 

波音787的综合试验设施ITVIntegration Test Vehicle)和F-35的综合试验设施VSIFVehicle Systems Integration Facility),由飞控子系统、液压子系统、飞行控制子系统、航电系统等的机载设备组成,综合化、通用化程度更高。近些年国外还提出了虚拟铁鸟的概念并开展研究。

2.2  统筹规划,集中管控,分布式布局

    在飞机设计同期统筹规划测试设备,并且大型试验测试设备采用集中管控、分布式布局是国外航空试验测试领域发展的一个显著特点。

典型系统是欧宇航防务公司提出的FAL GSE Project“飞机总装配地面支持设备方案”,它统筹规划飞机整个总装配过程中的测试设备,以完成航空电子设备和电缆等内容的地面测试。测试设备借助分布于飞机各个部位的数字设备仿真器和仿真基站,实现从简单到复杂的飞机系统的仿真和测试,范围覆盖电源系统、大气数据系统、无线电高度表、襟缝翼控制系统、发动机控制系统、起落架系统等。它为一个飞机型号总装配提供的测试工具包括几类:简单工具,如溢流阀仿真器;中性工具,如通信/导航测试设备;复杂工具,如总线分析仪;极其复杂工具,如配线测试台;特殊工具,如FASTFinal Assembly System Testing,总装测试系统)。

FAST主要完成总装配阶段的系统功能测试和验证,其基本架构如图4所示。机上各部分设置众多测试基站,收集的数据按位置归属分别传到各自I/O节点,所有节点数据通过网络集中到主控计算机进行控制,其他工作站在主控计算机统一调配下,有的负责数据保存,有的负责程序运行等,这是典型而完整的分布式布局。飞机本身很大,测点多且分布在飞机各个部位,非常适合分布式数据采集,而将数据通过网络传递到主控计算机进行集中式管控,则便于数据的统筹管理和试验的整体运行控制与分析,因此越来越多的航空测试系统采用这种分布集中式架构。FAST的另一个特点是其数字设备仿真器(DES),如图5所示。DES提供各种信号的模拟输出以仿真机载设备。当飞机总装完成需要进行试验时,DES提供仿真功能,替代那些出于安全或其它原因不能操作的设备,如发动机、起落架等;当试验出现故障时,DES又可替代机上真实的、被怀疑可能有故障的机载件,发挥仿真与跟踪作用,通过数据流检测快速判断故障是否来自于拆下来的机载件。故障机载件则通过自动测试系统迅速确认更深一层的故障原因。整个流程构成非常简洁。

 

4  FAST架构示意图

数字设备仿真器

 

2.3  纵向一体化测试

简单来说,纵向一体化是指采用可组合、可重构体系架构等关键技术手段,实现从研制、生产到维护保障的测试一体化。从地面试验的角度来说,纵向一体化非常有意义,它有效促进了全寿命周期测试数据不一致性问题的解决。洛•马公司为F-35研制的LM-STAR是目前最具有代表性的纵向一体化综合测试系统,它具有通用的开放式体系结构,子系统可独立工作,亦可组合成综合系统满足复杂对象的测试,提供对模拟、数字、射频和光电等系统的全面测试能力,支持可互换虚拟仪器技术和ATML自动化测试标识语言,适应飞机研制、生产和维护保障的各个阶段,与美国防部自动测试系统执行代理的标准以及三军研制的“下一代测试”(NxTest)技术标准完全一致。LM-STAR在不同阶段的结构形式如图6所示。

 

6  LM-STAR在各阶段采用相同架构

 

国内发展现状

国内机载设备地面试验,多是由设备研制单位自研试验环境开展。航空领域机载设备试验采用的测试设备水平参差不齐,造成测试设备效果不佳的原因有很多,其中一个比较重要的方面是,一些机载设备研制单位和测试设备研制单位在新产品研制初期对产品本身理解都不全面,机载设备设计人员提出的测试需求不很完善,测试技术人员按此需求形成的测试设备可以满足当时的需求,但随着机载设备设计人员对产品及其试验理解深入,势必提出更多测试需求,也势必导致测试设备不得不以打补丁的形式完成,影响系统水平。因此测试技术人员必须从一开始就和产品研制者密切配合,深刻理解被测对象,从测试的角度提醒用户可能遗漏的测试要求;同时测试系统设计要尽可能灵活,允许新需求实现的插入与扩展,而这也要求供需双方互相理解,理性对待技术,灵活度有上限,需求扩充必须有止境。

由于国内航空领域尚未真正形成子系统集成单位,目前子系统地面试验基本上都在总设计师单位开展,系统综合试验则在子系统试验台连接基础上开展。无论是试验台设计、试验设计还是测试系统的功能性能,国内与国外水平基本相当,只是在故障试验方面开展的深度和广度还欠缺较多。航空工业北控所为ARJ21C919AG600的飞控子系统地面试验研制的测试系统,都采用了集中管控、分布式布局的架构,实现了飞控铁鸟台试验过程中的综合管理、试验激励仿真、飞机姿态仿真、飞参仿真、数据采集分析处理等功能,为飞机研制验证提供支撑。

7ARJ21飞控铁鸟台试验测试系统。

 

7  ARJ21飞控铁鸟台试验测试系统

 

经过近些年的发展,国内飞机在总装配阶段已经实现了航电综合测试、飞控综合测试以及基于这两大系统的综合测试。而机电系统还处于单一系统独自测试的状态,燃油、环控、液压、刹车等各子系统均配备各自的测试设备,装配中需要反复使用多套测试设备。针对总装厂研制的集成测试系统已开展研究但尚未全面应用。后续应大力发展机电综合测试技术、全机机载系统地面集成测试技术以及纵向一体化测试技术。

展望

为了更好地支持地面试验的开展,地面试验测试技术应在以下方面加强研究:

加强各阶段内试验测试设备的统筹规划,推进地面试验测试设备及测试数据的一致性,并大幅加强测试数据的收集、分析、管理等方面的能力,以更好地支持产品设计优化、试验优化、故障诊断与预测能力提升等。

机载产品综合化程度越来越高,故障影响分析更加复杂,测试技术应深入研究更多的故障注入方法、仿真激励实现方法,以及更强大的故障诊断技术,提高地面试验效率。

提升测试设备研制水平,加强与产品设计数据之间的互联互通;推动与保障测试设备之间的测试数据共享,减少维修排故时间。

密切关注试验所需,同时注重测试技术自身发展,加强测试设备环境适应能力、非接触测试、高精度同步与实时等新技术研究,以期用先进测试技术促进试验发展。

地面试验测试涵盖飞机研制和生产的全过程,是飞机研制不可缺少的重要环节,但目前国内还存在缺乏标准、缺乏统筹、缺乏管理体制等顶层问题,以及软硬件测试资源工程化程度低等基础问题,航空产品和测试技术的研究人员均需给予重视,共同提升国内地面试验测试技术水平,为航空产品的研制和生产提供有力支持。

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作者简介

王红,女,工学博士,研究员,毕业于西北工业大学计算机应用专业,现任航空工业北京长城航空测控技术研究所副所长,主要从事航空地面试验测试、自动测试、测试性、故障诊断与预测等研究,是航空工业集团公司故障诊断特级专家,获得航空科技进步一等奖1项,二等奖2项等。目前担任装备发展部可靠性系统工程专家组成员、空军航空装备自动测试专家组副组长、中国航空学会测试技术分会副主任委员。

 

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