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李徐辉 等 | 民机系统总装测试技术发展现状与趋势

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李徐辉, 魏士皓, 童彦, 徐健

(中国商飞上海飞机制造有限公司,上海201324

 

摘要:随着民机机载系统综合程度越来越高、交联关系日趋复杂,在系统总装阶段采用充分、前沿的测试技术对试验对象进行测试,是验证系统装机质量的重要手段。论述了国内外民机系统总装测试技术现状,分析了国内民机系统总装测试技术的不足之处与原因,进而提出我国民机系统总装测试技术的未来发展趋势及解决思路。

关键词:民机;系统总装;功能测试技术;发展现状;趋势

中图分类号:V262.4+3文献标识码:A文章编号:1000-8829202103-0001-06

doi10.19708/j.ckjs.2020.09.309

 

民机系统总装测试技术,指的是民机在总装制造阶段(包含系统件安装、系统功能试验)中对被试系统进行测量及试验,得到定量、定性参数,并进行处理、评定或用于试验管理、控制等所涉及的技术。目前,随着民机机载系统综合程度越来越高、交联关系日趋复杂,在系统总装阶段采用充分、前沿的测试技术对试验对象进行测试,是验证系统装机质量、功能性能是否满足设计、适航要求的重要手段,对飞机研制起着至关重要的作用[1-2]。近年来,国外先进机型系统总装测试技术正朝着开放分布式、智能信息化、模块化等方向发展,而国内民机测试技术研究起步晚、投入不足,与国外主流技术相比差距较大[3-4]。

本文主要论述了国内外民机系统总装测试技术的现状,分析了国内系统总装测试技术的不足之处,进而提出我国民机系统总装测试技术的未来发展趋势及解决思路,为后续掌握标准化先进测试技术、优化测试业务流程、丰富测试手段和助推国内民机批产效率提速服务。

 

民机总装测试技术范畴

 

民机总装测试技术主要分为系统件安装测试技术和系统功能试验测试技术。系统件安装测试技术主要用于对飞机的大部件、系统件进行安装测试,如发动机、起落架的安装检测、线缆线束的安装导通测试、管路管道的安装、耐压等测试,以及敏感系统件的安装检测。系统功能试验测试技术分为综合航电测试技术、机电系统功能测试技术、电气系统功能测试技术、动力系统功能测试技术和飞机总体测试技术。综合航电测试技术主要是针对飞机的自动飞行、通信、数据传输、飞机导航性能、飞机驾驶指示记录等方面进行的综合化测试技术;机电系统功能测试技术是对飞机液压系统、飞控系统、环控系统等进行功能试验测试;电气系统功能测试技术主要是对飞机中的电源、照明等系统进行的功能试验测试;动力系统功能测试技术是对飞机的APUAuxiliary Power Unit,辅助动力装置)、燃油系统等方面的测试;飞机总体测试技术指的是对飞机的重量、转动惯量、水平性能进行的测试。图1为民机系统总装测试技术涵盖类型,1为总装测试的主要项目。

1民机系统总装测试技术分类

1民机系统总装测试主要项目

 

民机系统总装测试技术现状

2.1国外系统总装测试技术现状

2.1.1国外系统件安装测试技术

系统件安装包括线缆通断、流体管路接头检测及系统大部件安装检测等,主要采用数字化、集成化测试技术开展相关工作。

1) 线缆安装检测技术。飞机的线缆是关联飞机电气、航电、飞控等系统的桥梁,是为飞机各个部件提供电源、控制信号和数据信息的生命线[5]。在航空线缆测试方面,国外一般采用全自动化的线缆导通技术完成对线缆的检查。全自动化的线缆导通技术可以对飞机线缆的通路、断路、短路、绝缘等状态进行集成化、自动化的检测,从而判断线缆网络连接是否正确以及全机线缆故障问题,如短路、断路、错接、漏接、多接等信息。该技术能加快检测速度,提高检测可靠性,避免人为差错[6-8]。

线缆导通测试系统由主控设备、分布式测试终端、转接电缆、模拟负载等组成。采用分布式测量方式,能够自动化、智能化地识别线缆的通断位置,分布式的测试终端可根据测试的需求叠放在分布式的测试柜中,将测试柜布置在飞机所需要测试的部位,从而可以减少转接电缆的长度,降低线缆的成本,提升工作效率[9]。

2) 管路安装检测技术。飞机管路系统作为输送燃油、滑油、空气和液压油等介质的设备,在飞机的飞行过程中起到重要的作用。在流体管路接头检测方面,国外厂商已经开始利用三维全场光学技术开展接头质量检查,基于图像及CAD数模对比数据形成偏差信息。波音相关机型已建立管路安装测量检测方案,其采用光学相机拍照,采集管路被测点信息,根据图像处理技术生成几何特征并将被测管路图像与预设CAD数模进行比对,通过计算机分析应力、应变、变形等信息,定量显示管路装配点超差值。三维全场光学检测技术为管路装配工艺提供几何学、力学检测手段,提前预见管路装配连接可靠性,确保管路安装几何精度可控、工作性能安全可靠。图2为基于增强现实的管路系统装配。

2基于增强现实的管路系统装配

3) 系统大部件、敏感系统件安装检测技术。

系统大部件,主要包括航空发动机、液压起落架系统等;敏感系统件,主要指具有调姿要求的气象雷达、总温传感器、全压探头、攻角传感器、空速管等。

在系统大部件安装检测方面,国外飞机主生产制造商已采用全姿态数控装配及实时检测技术,通过柔性化装备实现大部件数控调姿、全向移动,提高安装效率与精度[10]。图3为国外某型飞机全智能化发动机调姿安装系统。

 

3全智能化发动机调姿安装系统

国外民机主制造商如波音、空客等公司针对飞机敏感系统件的安装已采用实时视觉引导校准技术对大气数据传感器进行装配,以保证装配质量,提升装配效率。飞机敏感系统件装配位姿实时视觉引导校准技术主要包含:靶点高质量成像技术、多相机精确标定技术、隐藏部位传感器装配位姿测量技术和多目标靶点实时动态检测技术。

2.1.2国外系统功能试验测试技术

系统功能试验测试技术涵盖机电、综合航电、电气、动力等系统及其分系统[11]。国外主制造商已研制数字化总装功能集成测试系统,开展飞机系统交联功能测试及全机功能测试,确保飞机下线前所有系统是完整的、可靠的,符合设计要求的。总装功能集成测试系统在管理方面涵盖可视化测试用例开发与执行、ICDInterface Control Document,接口控制文件)管理、生产测试设备管理等功能;在测试执行方面,使用I/O节点模拟系统信号,通过接口驱动PTEProduction Test Equipment,生产测试设备),完成系统功能测试。所有测试结果将汇总生成测试报告并能与企业生产管理系统、质量管理系统、飞机构型数据库等企业信息系统进行交互,对飞机的生产过程进行全程的信息共享和质量控制,实现飞机制造优化工艺流程,提升产品交付质量[12]。图4为国外某机型地面功能集成测试系统及其架构。

1) 综合航电功能试验测试技术。

航空电子系统主要指的是为确保飞机能够完成其指定任务所需要的各种航空电子设备的总称。航空电子系统本身具有高度模块化和综合化的特点,随着电子技术的不断发展,综合航电系统已经发展成为了机上最为关键的组成部分,对提高飞机的性能和飞行安全性、降低飞机系统全生命周期成本起到关键性作用[13-15]。

4地面功能集成测试系统

空客公司从20世纪80年代开始,由供应商SPHEREA公司根据其需求与要求合作开发了一套成熟的飞机总装自动测试系统。整个测试系统从全机功能层面对电子/电气相关系统进行自动测试和验证,并通过内联网服务器连接企业内联网信息系统(企业资源计划系统软件等),获取测试开发和管理所需的数据,而且内联网上所有计算机都可以对测试进行远程管理和监控。

波音公司针对综合航电功能试验的测试与空客公司的测试理念不同,波音公司在部段完工阶段地面功能测试量极少,而在总装阶段完成所有的地面功能测试工作。其建立了专门的团队进行总装集成功能测试系统的开发工作。

2) 机电系统功能试验测试技术。

机电系统是进行能量传递的系统,其目的是为了实现飞机基本的功能,保障各种任务的完成。飞机机电系统包括液压能源系统、飞行控制系统、起落架系统、环控系统、舱门系统等[16-18]。目前,机电系统朝着集成化、多电化与智能化的方向发展,其目标是集成功能、能量、控制和物理4个方面。随着飞机性能的不断提高,机电系统所承担的飞行保障任务越来越重,国外波音B787、空客A380、空客A350等先进机型已逐渐采用航空机电系统综合技术,使传统的机电系统从独立化的方向快速向综合化的方向发展,机电系统综合技术已成为未来的重点发展方向[19]。

3) 电气系统功能试验测试技术。

电气系统由供电系统和用电设备组成,是飞机的重要组成部分。供电系统是指电能的产生、变换、调节和输配电的一整套装置组成的完整系统,包括电源系统和输配电系统。国外飞机主制造商开发使用了多电飞机电气负载管理系统进行电气系统功能试验测试。该系统包括7个电源配电盘,能够严密控制各装置的功能可用性。系统可重构负载面达到可用功率的最佳分配[20]。

4) 动力系统功能试验测试技术。

飞机动力系统为飞机正常飞行提供持续动力,保证飞机各姿态安全稳定飞行,以完成各种不同的任务。波音/空客公司针对发动机故障预测、健康维护技术方面具有相似的做法。波音/空客公司利用发动机PHMPrognostic and Health Management,预测与健康管理)系统中的传感设备,把PHM传感和智能化计算方法相结合,对飞机整体性能和发动机安全性能进行监测,建立飞机安全保障机制。无论是在发动机地面维护环节或试车环节,PHM系统都能实时发挥作用,监控发动机运作状态,对飞机发动机运作中信息数据进行计算,迅速推断故障及定位故障源,以便地面试验人员及时进行维护和处理[21-22]。

5) 飞机总体测试技术。

飞机总体测试属于民用飞机总装测试最后一个环节,是在飞机各系统功能试验结束后,总装下线交付试飞前,对飞机开展称重、水平测量、电磁兼容测试、转动惯量测试及密封性测试,以保证总装下线后的飞机是安全、可靠的,足以满足适航要求的。

在飞机称重技术上,波音、空客公司采用整体型数字式智能测力传感器,利用数字式智能称重系统技术取代传统千斤顶配合地磅称重方法。智能化称重仪表在实时采集各传感器输出数据并进行处理后,进行飞机重量综合显示;在飞机水平测量方面,利用激光雷达或者激光跟踪仪等数字化精密测量仪器对各点进行测量,测量的各个环节都通过计算机采集和处理数据,自动化程度高,节省了大量的人力。在电磁兼容测试方面,正逐步探索电磁兼容自动化测试技术,目前处于理论验证阶段。

2.2国内系统总装测试技术现状

2.2.1国内系统件安装测试技术

随着中国民机事业的不断发展、民机制造业的蓬勃开展,国内在民机总装测试技术方面不断向国外测试理念靠拢,努力追赶国外先进测试技术。

1) 线缆安装检测技术。

在线缆导通方面,国内虽已采用先进电缆测试仪器进行自动化测试,但仍存在如继电器、断路器、二极管、电容等手动测试内容,测试周期长、人为误差多。在EE舱内的设备架上目前还未采用LRULine Replaceable Unit,外场可更换单元)测试模块,对于电缆分布复杂的大型客机,会使测试用转接电缆的数量和长度极大增加,提高成本,增加测试难度,影响测试准确性;线缆性能检测方面,屏蔽端接工艺及编织工艺的测试及评估目前还处于空白状态。

2) 管路安装检测技术。

在流体管路安装检测方面,我国虽有与国际标准相似的装配规程,但没有针对精度控制和安装质量的有效检测手段,实践中仍主要依据人工经验来判定管路装配的合格与否。管路漏油检测方面,虽引入了氦质谱检漏仪,但是管路漏油主要还是依靠人工目视检测,属于定性检测。在线检测时,检测速度慢,检测效果不太理想,且缺乏相应漏油标准,有些狭窄区域、危险区域仅靠人工检测,甚至根本无法完成。

3) 系统大部件、敏感系统件安装检测技术。

在系统大部件安装检测方面,国内仍采用目测和手动位姿调整的方式,由多名作业人员依靠经验作业,过程烦琐复杂,劳动强度大,效率低[23]。从发动机安装装置来看,装置多采用简单机械结构的人力或半自动化安装车,存在调姿自由度少、操作复杂且价格昂贵的问题。

在敏感系统件安装方面,国内飞机制造商使用激光跟踪仪或辅助工装画线对大气数据传感器装配位姿进行标校,操作复杂耗时,自动化程度低,无法对传感器的装配位姿进行实时视觉引导标校,生产效率较低。

2.2.2国内系统功能试验测试技术

国内系统地面功能集成测试体系架构尚未建立、测试技术及装备正处于探索阶段。由于缺少基于系统化、网络化控制的测试手段,系统功能测试仍以单系统手动测试为主,测试过程烦琐,测试报告复杂,故障隔离手段少,数据管理落后,导致飞机地面功能试验测试周期冗长,无法满足飞机高效率总装制造的需求[24]。

1) 综合航电功能试验测试技术。

目前国内针对航电系统测试的研究和试验是基于单个航电子系统各自性能需求开展,针对单独机载设备进行静态数据激励,系统的复杂程度和系统设备的交联构成相对比较简单。如采用数字式大气数据测试仪为试验提供所需的高度和空速信息;光学水平仪测量飞机水平状态;功率计测试天线收发功率。随着电子技术的高速发展,航电系统的综合程度越来越高,缺少先进的自动化、网络化测试系统。传统的航电设备测试,采用单独测试、人工操作记录,导致测试效率低,同样的测试步骤和条件下测试结果受人工影响因素干扰;测试程序和测试报告自动化水平低。

2) 机电系统功能试验测试技术。

国内飞机制造商通过技术攻关,在飞控系统驾驶舱操作机构力和舵面角度的测量上达到了自动化和数字化技术;在环控系统气源试验中实现了数字化测试技术,如根据飞机环控试验特征及工程文件技术要求,开发出的环控功能自动化试验系统,能很好地完成对环控系统的监测与控制和数据的记录;在起落架系统功能测试方面,已开展起落架系统机上地面试验接口测试设备系统设计及研究[25-26]。但是机电系统地面功能测试,在自动化、数字化和集成化方面仍有欠缺,和世界先进测试技术仍有差距,且上述技术成熟度还不是非常高,有待进一步工程化应用后优化。例如,现阶段液压/起落架的功能测试试验一般采用液压油车对液压系统进行加油从而对导管的耐压性能和密封性能进行测试,自动化程度较低。

3) 电气系统功能试验测试技术。

目前机上电气系统的地面功能试验与国外先进技术有一定的差距。尤其在自动化、数字化、智能化方面比较欠缺,主要还是依赖人工测试,测试效率低,集成化水平不足,测试结果不能汇总成可供管理的数据库。目前,国内针对电源系统功能试验采用飞机外电源车为飞机提供地面电源,万用表测量电流、电压信息。设备集成度低,缺乏系统化的设备管控,智能化程度较低,大多采用人工测试的方法。

4) 动力系统功能试验测试技术。

在飞机动力装置地面功能试验方面,主要开展FADECFull Authority Digital Engine Control,全权数字式发动机控制)与飞机集成检查、反推装置展开收起检查、启封前检查维护发动机、发动机启封及发动机地面起动功能试验、发动机慢车燃油及滑油系统泄漏检查等测试项目;在APU系统地面功能试验方面,主要开展启封前检查、地面起动功能检查等测试项目;飞机动力系统地面功能试验还包括防火系统功能试验以及燃油、引气系统功能试验相关测试项目。随着航空工业技术的不断发展,动力装置控制系统技术水平发生了革命性变化,由最初的机械液压控制逐步地转变为FADEC。因此,测试的任务也复杂多样,具有测试信号多样化、接口类型多类化、测试数据大量化、数据处理复杂化等特点。这些特点要求功能测试系统具有多通道高速实时同步采集、实时数据存储等功能,传统的机械化的测试设备已经无法满足现代的测试需求[27-28]。

5) 飞机总体测试技术。

在飞机称重方面,采用机轮称重法,即由飞机起落架3个机轮接触地秤平台进行称重;在水平测量方面,利用水准仪、经纬仪和标尺等配合进行机身、机翼、垂尾、平尾、吊挂、起落架方面的水平测量;在电磁兼容测试方面,采用人工测量电缆传导辐射方式进行;在转动惯量测试方面,主要在供应商处开展,采用双线摆法及三线摆法。

在测试设备方面,飞机称重通过地磅重量读数,称重过程监控实时性差,数据管理不便;飞机水平测量,采用手工的光学间接非接触式测量方式进行飞机表面水平特征点的测量,误差较大,工作量、工作难度非常大。未来,将逐步引入数字化、柔性化、智能化测试设备辅助飞机总体测试,改善产品质量及工作效率。

 

国内民机系统总装测试技术不足与原因

 

目前,国内民机系统总装测试部分技术已取得突破,技术成果已应用于型号,为飞机研制与生产提供了重要技术保障。但是,与波音、空客等先进机型相比,测试技术基础和能力都还有较大的差距,体现为测试过程主要依靠人工操作完成、劳动强度大;缺乏数字化、自动化、智能化测试设备/系统,导致测试效率低下[29];测试流程可追溯性差,出现问题排故较为困难;此外,由于在总体规划中,设计、制造、试飞阶段总体测试架构不统一,也会造成“不同部门测试设备的重复二次开发,测试技术共享不通畅,测试数据共享效率低”等问题。

综上,国内民机系统总装测试技术不足与原因可概括如下。

① 测试技术缺乏顶层规划:未构建及形成我国民机制造测试技术体系和技术发展路线图,单点技术的突破未能带动整体产品制造优势;

② 测试手段单一:手动测试为主,效率低,人为误差大,且封闭的交联测试、无故障隔离手段,未形成飞机级地面状态激励-响应测试模式;

③ 测试设备研制能力弱:关键的核心测试设备严重依赖进口,自主掌握程度低,无法高度集成管控,无法实现统筹实施分布化管理,且国外测试设备价格高昂;

④ 测试步骤复杂、标准化程度低:试验测试过程比较烦琐,测试报告相对复杂,电子化水平低,存在重复测试现象,且测试子集间往往不兼容,标准化统一程度低;

⑤ 测试数据管理手段落后,可追溯性差:整个测试过程仍须记录数据,缺少综合的测试数据管理平台,无法快速准确地执行标准测试流程、采集并处理数据,数据共享率低。

 

国内民机系统总装测试技术发展趋势

 

国内民机系统总装测试技术,存在短板与不足,与国外先进民机制造商相比差距较大,已影响了型号研制及发展。为了实现国内民机好制造、好交付、好运营,赢得市场、赢得客户,系统总装测试技术更需对标国际前沿发展方向和“中国制造2025”国家战略中提出的测试智能化、网络化、集成化、标准化要求,结合世界民机制造测试技术发展趋势,通过规划技术体系,搭建技术平台,吃透系统总装测试关键核心技术等,提升生产制造能力。

① 以型号需求和前沿技术为牵引,统筹规划技术体系,从技术高度、技术深度、成果贡献等方面深入布局,分布实施,建立总装测试技术体系网,形成技术研究的合力,避免技术研究零散化;

② 树立标准测试理念,形成测试理论,建立测试体系,形成测试规范;

③ 加速国产化进程,设计、研发出更多适合我国的自主开发的测试设备,减少对国外技术和设备的依赖;

④ 精简测试流程,提高测试的电子化与自动化水平,提高测试效率,缩短测试周期,形成简单准确的测试报告[30];

⑤ 实现试验数据跟踪追溯,实现数据共享,减少试验重复率。

 

结束语

 

国内民机系统总装测试技术与国外相比存在较大差距,测试需求梳理和测试技术顶层规划均不足。通过研究国外先进机型系统总装测试技术,分析其发展现状,借鉴其优势及经验,有助于发现我国民机测试能力现状和差距,促进相关测试技术走出一条自主发展的路线,形成我国民机系统总装测试技术体系和技术发展路线图,推动飞机自主研制、改进改型及加速发展。

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