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航空装备地面试验测试技术

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【摘要】:
概述   航空装备地面试验测试贯穿从设计到使用的全寿命周期。设计阶段的试验测试主要用于验证装备的设计性能,制造阶段的试验测试用于检验制造工艺和产品的质量,使用阶段的试验测试则主要用于检测和隔离故障。本章重点介绍几种典型的大型航空综合试验中试验测试技术的特点以及重要的试验仿真设备。主要作用   现代飞机生产过程中,按照工作要求,在完成零部件的生产后,需要开展零部件的试验,以检验零部件的生产是否满足设

概述

    航空装备地面试验测试贯穿从设计到使用的全寿命周期。设计阶段的试验测试主要用于验证装备的设计性能,制造阶段的试验测试用于检验制造工艺和产品的质量,使用阶段的试验测试则主要用于检测和隔离故障。本章重点介绍几种典型的大型航空综合试验中试验测试技术的特点以及重要的试验仿真设备。

主要作用

    现代飞机生产过程中,按照工作要求,在完成零部件的生产后,需要开展零部件的试验,以检验零部件的生产是否满足设计要求;随后进入对零部件的组合和互联阶段,将功能相对独立的子系统或分系统进行综合。同时开展子系统或分系统的试验,验证组成子系统或分系统的零部件之间接口关系是否兼容和协调一致,以及子系统或分系统的功能和性能是否满足设计、规范、标准的要求在完成子系统或分系统的验证试验之后,开展系统的综合试验,验证子系统或分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、规范和标准的要求。

除了地面装机前的各种试验测试外,首飞前的地面整机试验对于飞行试验的成功也非常关键。全面的地面试验项目将为首次飞行奠定坚实的基础。飞机在总装完成后(尤其是新研飞机首飞前),为确保飞行安全,对飞机整机要进行全机和子系统测试,以及飞行准备就绪鉴定试验测试。以F-35为例,其首飞前要进行一系列测试,其中燃油系统试验要检查燃油系统的所有功能,包括检查飞机油箱和空中加油系统的使用情况,发动机供油速率、燃油传输速率及加油和放油速率测试,从油箱抽油让燃油通过一系列检查,将油箱残留物冲刷出去的外物残留清洁与检查等;地面振动试验将鉴定飞机机体抗御颤振的能力;发动机初始试车测试,评估起动系统、功率状态达最大加力状态下的发动机工作情况、推进系统与所有飞机子系统的集成、飞机使用内部电源和液压动力的总体工作情况以及热管理系统的使用;电磁干扰飞行安全性试验测试,对机上各种电子系统间的电磁干扰进行评估,包括各系统的电磁兼容性、确定电磁干扰影响等,被评估的电子系统包括飞行试验测试和遥测系统、无线电台、导航设备、飞控系统、环控系统以及发动机控制系统等;评估滑跑试验内容包括对称和差动刹车,使用和不使用前轮转向系统的操纵,刹车防滑系统使用,尾钩使用以及高速时的最大对称刹车等。

仿真试验模拟技术及其相关设备是飞行器地面飞行仿真试验测试的重要支持设备,主要用于航空装备仿真试验等各种地面试验中对飞行器在飞行环境下所受气动力负载及目标运动姿态的模拟,是航空产品地面试验与测试过程中必不可少的关键技术之一。

技术途径

     航空产品地面测试的主要目的是检验产品的功能和性能是否满足设计要求,是否可以继续使用。鉴于产品的地面测试环境远离其实际的工作环境,因此为了确保测试的有效性,往往要建立相应的测试环境,也就是让飞机在地面“飞”起来。这种环境一般是通过仿真和模拟的方法建立,如使用计算机仿真飞机的动力学特性、使用加载系统模拟产品受到的气动力、使用飞行运动转台模拟飞机的运动、使用大气数据激励器模拟大气数据和使用目标模拟器模拟空中或地面的目标等。

   另外,为了测试产品的动态参数,往往需要对产品进行激励,如若要测试结构件的模态,需要对其施加振动激励;为了测试飞机的操纵系统,需要操纵系统激励器;为了测试惯性导航系统的参数,需要施加运动激励等。将被测产品、测试环境设备、测试激励设备以及相应的测试设备集成,就构成产品的试验测试系统,可对产品实施测试。

    由于航空产品的复杂性,以及系统之间存在的高度交联,综合的试验测试越来越成为现代航空装备地面测试的重要手段。美国NASA 艾姆斯研究中心德赖登飞行研究所(ADFRF)建造的综合试验设施(ITF)可为新型研究机提供实时试验能力。ITF通过尽量缩小飞行试验环境与地面试验环境之间的差别来减少飞行试验的风险,通过将实时飞行模拟与实际飞机相结合的方法提供地面试验环境,如图1所示。

 

1 ITF组成示意图

 

    仿真是整个飞行研究各个阶段使用的重要技术工具,它能进行各种不同的试验,包括时间响应、频率响应、余度管理、故障模态和效应试验,以及飞行鉴定等,并在系统装机以前,使用模拟系统在ITF上试验,提供更改。因此,模拟系统是ITF实时系统的核心,它提供对大气环境、飞机刚体动态特性以及飞行控制系统(FCS)的高逼真度建模。通过使用模拟、实时数据记录、遥控增稳飞行器(RAV)和遥控增稳飞行器专家系统(RAVES)支持对具有综合系统的飞机进行试验。另外,除RAV 专家系统外,所有ITF实时系统都可以由一个自动化试验系统控制,这样就能使试验工程师通过菜单界面自动运行试验状态。

    对飞机及其系统的高逼真度建模在ITF中至关重要。高逼真度建模可在地面试验环境中给飞机硬件设备提供真实的飞行环境。随着飞机系统相互之间越来越耦合,这种建模的成功将越来越重要。ITF实时数据记录系统,记录来自飞机飞控模拟接口和数字总线、遥测系统以及ITF使用系统(液压和电源)等方面的数据,这些数据通过处理机间通信链路提供给数据记录系统。该链路将远距离的不同计算机以内存存取的速度连接起来。

 

技术分类

    航空装备地面试验测试贯穿于它的整个寿命周期,覆盖从部件到系统的各个层次。不同的阶段,不同的层次有着不同的测试要求。因此,寻求一种简单的分类方法并非易事。下面将从不同的角度进行分类。

(1)按寿命周期的不同阶段分类

航空装备地面试验测试覆盖从设计到使用的全寿命周期。但寿命周期的不同阶段测试的目的不同,对测试的要求也不同,因此按寿命周期的不同阶段对测试分类,具有一定的参考意义。其分类见表1:

表1  按寿命周期的地面试验测试分类

序号

寿命阶段

测试目的

测试要求

主要测试设备

1

方案阶段

验证方案的可行性

主要是对模型或部分样机的功能测试

相应的仪器设备

2

设计阶段

设计的功能和性能验证

产品各层次精确的

静态和动态参数

数据采集和处理系统及仪器

3

制造阶段

产品装配、产品质量检验,故障检测

部件和组件的参数、

系统的功能等

ATS或数据采集系统

4

使用阶段

故障检测和隔离

功能和必要的性能

参数

ATS或便携式测试设备

 

    在不同的寿命阶段,为保证测试的兼容性,测试应有不同的容差要求,不同阶段的容差形成倒锥型,如图2(a)所示。除方案阶段外,从设计到使用的维护测试,容差应该越来越大。

另外,在同一寿命阶段测试中,不同的产品层次对测试容差的要求也不同。其容差也是倒锥型,即从产品组成的底层到上层,允许的测试容差越来越大,如图2(b)所示。

 

                (a)                                (b

2不同测试阶段和产品层次的倒锥型容差示意图

(2)按航空装备的组成分类

按航空装备的组成分类见表2。

这种分类方法反映了产品的工艺过程,但不足也是明显的。实际上,随着航空装备的技术发展,系统的复杂性越来越高,设备相互之间的耦合越来越高,因此综合试验测试已经成为现代飞机系统测试的特点。综合试验中,综合的系统越来越多、综合程度越来越高、交互关系越来越复杂,试验中的测试技术正在向着开放、分布式、智能信息化和模块化的方向发展。传统的实验室和工厂测试的测试设备往往以数据采集系统为主。但近年来,随着ATS技术的发展和普及应用,采用ATS作为全寿命周期的主要测试设备,已成为国内外航空装备试验测试的发展趋势。

表2  按航空装备组成的地面试验测试分类

序号

子系统

项目

主要的试验测试设备

1

强度试验测试技术

材料试验技术

材料试验机

结构强度试验测试技术

多通道加载系统和数据采集系统

结构疲劳试验测试技术

多通道加载系统和数据采集系统

振动试验测试技术

加载系统、数据采集和模态分析系统

2

飞机机电系统试验测试技术

燃油系统试验测试技术

燃油铁鸟台架、姿态控制系统和数据采集系统

空气管理系统试验测试技术

气压模拟设备、数据采集系统

液压、气动、起落架

控制系统试验测试技术

液压“铁鸟”台(加载和运动控制系统、数据采集系统)

机轮刹车系统试验测试技术

液压“铁鸟”台(加载和数据采集系统)

防护救生系统试验测试技术

运动控制系统、光学系统、数据采集系统

电气系统试验测试技术

机载电源模拟试验系统、电缆检测系统

旋翼机传动系统试验测试技术

电机气动系统、数据采集系统

隐身测试技术

电磁、红外等发射测试系统

动力装置[发动机控制、防火、通风冷却等]测试技术

相应的模拟和检测装置

公共设备管理系统试验测试

检测仪器

3

航空电子设备和系统的试验测试技术

导航系统试验测试技术

运动模拟系统、测量仪器系统

飞控系统试验测试技术

飞控/操纵“铁鸟”台

通信系统试验测试技术

无线电测试仪器

电子对抗系统试验测试技术

红外、电子干扰机,光学、射频测量仪器等

探测系统试验测试技术

红外、光电和雷达目标模拟器、运动姿态模拟器等

航空电子综合系统试验测试技术

航电综合试验测试台架

4

武器系统试验测试技术

导弹部件试验测试技术

运动模拟器、数据采集系统

全弹系统试验测试技术

运动模拟器、目标模拟器等

火控系统试验测试技术

飞机系统仿真等

 

(3)按仿真试验方法分类

航空装备的地面试验测试离不开对其空中运行环境的仿真。因此,在航空装备的地面试验测试过程中系统仿真充当着重要的角色,几乎所有的试验测试都需要相应的机载系统的仿真或环境的模拟。

航空装备地面试验测试过程中的仿真可以分为:数字仿真、半实物仿真、全实物仿真和环境仿真。前3种的仿真对象是产品,最后一种的仿真对象是航空装备的工作环境。

数字仿真是指通过建立仿真模型、仿真算法、线性拟合、插值等方法,以纯软件在宿主机上实现仿真运行的一种方法。这类仿真已经脱离了它所依赖的硬件运行环境而运行在一个数字仿真的环境中。它主要用于系统设计之初的顶层论证,偏重于推理论证。它是对仿真环境要求最复杂的,需要很好的仿真运行软硬件平台,譬如支持仿真运行的CPU指令、常用芯片、I/O、中断、时钟等板级平台,专用于仿真的API开发包、面向对象的可视化界面设计工具等软件环境。

半实物仿真是指通过仿真的方法提供激励航电LRU工作的环境,航电LRU在子设备供应商那里实现软硬件集成后,构成了一个完整的航电LRU,此时的重点是测试软件与硬件环境的匹配情况、LRU与LRU之间的接口匹配情况、航电系统与其他非航电系统(发动机、电源、防火、APU、风挡加热、氧气指示、舱门指示、液压、燃油、空气管理、高升力等系统)之间的通信、交联逻辑关系,分析考核设备供应商研制的LRU的软件与设计要求的符合性。在这个阶段,仿真和测试需要同时参与到系统中,仿真和测试的界限已不是十分明显,譬如对某LRU总线数据的模拟和监控当选中用户界面为只读,那就是监控LRU内所运行的总线信息,充当测试系统的角色当选中用户界面为可写,此时平台就可替代相应的LRU,充当与其他LRU交联的激励仿真系统,可以在零破坏的情况下实现对临界和故障状态的验证。由于在地面综合试验阶段,对系统的测试要实现对被测LRU进行自动、实时、非侵入性的闭环测试,要求能够逼真地模拟被测系统所需的飞行环境,并且能够接收被测设备的输入,经过处理后输出被测设备所需要的激励信息,来驱动被测设备运行。半实物仿真技术在航空装备整个系统综合集成的过程中是必不可少的,也是应用最为广泛的。

全实物仿真是被测的设备完全处于真实的运行环境之中,如在航电综合试验测试中,将飞行控制计算机系统、飞行管理计算机系统、飞行指引仪、自动油门系统、安定面配平系统、偏航阻尼系统、大气数据惯性基准系统、仪表显示系统、中央维护系统、发动机指示与机组告警系统、综合处理计算机、大气数据计算机、交通告警与防撞系统、地形避撞告警系统、气象雷达系统、GPS系统和高频/甚高频通信系统等通过真实的总线及硬线相连,组成一个大系统,利用综合仿真系统模拟外围的传感器数据,即模拟飞行情况。全实物仿真对仿真环境要求相对较低,只需要它提供飞行数据模拟,同时测试系统也仅仅要求能够方便地观察和记录各个设备之间的通信数据。如果对这些机载电子系统通过试飞来测定它们的性能情况,其工作成本很高,而且有一定的危险性。因此,研究设计能在地面对它们进行性能仿真测试的试验平台,可以加快开发过程,降低它们的开发成本。

航空装备地面试验测试中,环境仿真(或环境模拟)主要用来对产品进行环境试验,检验产品的可靠性和适航性,如温度、湿度、振动等。另外,一些LRU的测试中也可能需要相应的仿真工作环境的激励设备,如惯性单元、陀螺、加速度仪表的测试中需要运动仿真,大气数据计算机、膜盒高度表试验测试中,需要大气的仿真等。

综上所述,按照仿真试验方法对航空装备地面试验测试技术进行分类也具有一定的参考意义,见表3。

表3  按仿真试验方法的地面试验测试分类

序号

仿真试验方法

适用范围

关键技术

1

计算机数字仿真

方案验证

建模技术

2

半实物仿真试验

系统、子系统试验测试

建模技术、模拟设备开发技术

3

全实物试验

部件、组件单元测试,机体全尺寸力学试验测试

激励设备、运动和载荷加载设备的开发技术

4

环境仿真试验

部件或组件的环境试验测试

环境模拟设备的开发技术

 

发展概况

    在飞机设计研制的验证试验方面,国外已经向着综合化、虚拟化和数字化方向发展。

    在“铁鸟”综合试验中,综合的系统越来越多,各系统之间交互越来越多,交互关系也越来越复杂,“铁鸟”台架结构越来越简单,并且在“铁鸟”综合试验中越来越多地采用了数字化技术。国外飞机设计制造公司在飞机(如F-35、B787、B777、A380、A -400M、A320/340、LCA、EMB-170/190、Dornier 728、M346)的设计研制中,无论是战斗机、运输机,还是客机,各公司一律选择了建造“铁鸟”综合试验台方案,以完成飞控系统、液压系统和起落架控制系统的综合试验,有时也包括了电气系统和综合航电系统。

    如美国波音公司在其最新机型波音787的研制中,建造了综合试验设施(ITV, integration test vehicle)。建造综合试验设施的目的就是在系统以及部件安装到飞机以前,发现综合中的问题,以便供应商有时间进行修正。综合试验设施由飞控系统、液压系统、飞行控制台、航电系统和维护系统的真实部件组成,系统部件能够无缝联接综合在一起;配置有3套完整的飞行控制电子装置,可以同时联接到液压系统,或者联接到飞控系统部分或全部作动器;通过模拟液压源和飞控系统的作动器来开展单项试验,支持硬件和软件的综合;供应商与波音共同建立公共通用接口,以便由不同的供应商提供的试验台可以在一起工作;具有良好的可移动性,并可重复使用。同时ITV具有体积小、重量轻的优点,相当于波音777“铁鸟”的1/3,只有75吨重。

  欧洲空中客车公司在其最新飞机A380的研制中,同样建造了“铁鸟”试验台,用于设计、综合、优化和验证飞机的飞行控制系统、液压能源系统、起落架及其控制系统、综合航空电子系统、飞机电气系统等关键系统。在“铁鸟”综合试验中,完成飞行控制系统中机械运动的线位移、角位移、拉压力、扭矩、转速,电压信号、数字量、开关量等信号的测量;完成液压能源系统流体特性压力、流量、温度信号的测量;完成起落架及其控制系统流体特性压力、流量、温度信号,机械运动线位移、角位移、力信号等的测量;以及完成综合航空电子系统中数据总线信号和飞机电气系统中电量信号的测量。

  美国洛克希德· 马丁公司在其最新飞机F-35的研制中,也建造了类似“铁鸟”试验台综合试验设施。F-35飞机系统综合设施(VSIF,vehicle systems integration facility)在飞机各系统的综合试验中,开发了能够采集各种数据的综合系统,这些数据包括:模拟量、数字量、视频和通过反射内存来自其他系统的数据。此外,VSIF还具有实时显示功能,和方便管理系统传感器数据的功能。系统在NI公司的硬件和第三方工具的基础上,开发了用户软件。系统成功的关键因素是将分布在飞机系统综合试验室的5台PXI机箱通过PXI-6653 进行同步无缝连接。它通过使用柔性软件和标准组件,实现了在工程研制的中间阶段才提出的在3个操作位置同时控制数据采集操作的要求。PXI平台允许对系统的通道进行60%的扩展,以便满足将来的需要。飞机系统综合试验设施VSIF的数据采集系统通过多台服务器实现分布式操作,以保证负载的均衡和满足平台的需要,分布式的软件结构提供了6个客户应用节点,以满足将来扩展的需要。先进的软件结构和NI硬件,为洛克希德· 马丁公司的飞机系统综合试验提供了高度灵活配置、可扩展的系统,满足目前和将来F-35系统综合试验的需求。

    随着计算机仿真技术的发展,虚拟试验技术逐渐成为飞机系统试验与评价工作的重要组成,可以部分取代实物试验,成为飞机系统试验与评价的新途径。

    实践证明,研制过程采用先进的虚拟试验技术是克服巨额投资、缩短研制周期、弥补大型试验设施能力不足的主要技术途径。例如,美国在研制F-35时就提出了“从设计到飞行试验全面数字化”、研制周期比F-22缩短一半、风洞吹风试验减少75% 、试飞飞行架次减少40%、,定型试验周期缩短30%的目标。

  通过构建飞机系统虚拟试验平台,对飞机系统的设计方案,以及产品进行整机或部件级的分析和评估,使得飞机系统数字化虚拟样机和飞机系统设计的实物样机在同一个网络化平台上得到验证、修改及优化,以数字化研制技术逐步取代依赖于大量实物试验的传统研制技术,探索出了一条通过虚拟试验技术进行飞机系统辅助设计开发、实现飞机系统设计技术的跨越式发展的道路。

 

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