大型民機(jī)飛機(jī)在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)研究

張翰 謝殿煌

摘 要：我國民用航空工業(yè)起步較晚，全機(jī)級系統(tǒng)綜合集成驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)芰εc試驗(yàn)設(shè)施尚不健全，沒有達(dá)到工程實(shí)用、全飛行剖面模擬飛行的目標(biāo)。在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及開展原理性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分分析飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)原理及方法，明確了飛機(jī)在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，包括信號抽引、信號注入、仿真模型及試驗(yàn)設(shè)備等，并提出開放測試口的方法，以提升飛機(jī)在環(huán)集成驗(yàn)證技術(shù)成熟度到5級以上，為后續(xù)開展全機(jī)系統(tǒng)機(jī)上試驗(yàn)打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：民機(jī);飛機(jī)在環(huán)AIL;信號抽引;仿真模型;試驗(yàn)設(shè)備

0 引言

由于現(xiàn)代民用飛機(jī)越來越多地采用高度復(fù)雜且綜合的機(jī)載系統(tǒng)，民用飛機(jī)系統(tǒng)綜合驗(yàn)證是大型民用飛機(jī)設(shè)計(jì)集成驗(yàn)證的重點(diǎn)工作，直接影響飛機(jī)機(jī)型研制進(jìn)程[1-2]。機(jī)載系統(tǒng)涉及面很廣，彼此之間的需求和功能相互耦合，信號多級交聯(lián)，增加了機(jī)載系統(tǒng)綜合驗(yàn)證的難度與復(fù)雜性，因此民機(jī)制造商迫切需要找到一種更高效的系統(tǒng)綜合驗(yàn)證方案?！帮w機(jī)在環(huán)”即選擇“地面飛機(jī)”為驗(yàn)證環(huán)境，攻克了信號注入、仿真模型、信號抽引和試驗(yàn)設(shè)備等核心關(guān)鍵技術(shù)，提高了民機(jī)系統(tǒng)的綜合集成驗(yàn)證能力，為后續(xù)開展全機(jī)系統(tǒng)機(jī)上地面試驗(yàn)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)[3-4]。

國外飛機(jī)制造商波音、空客通過多年實(shí)踐，不僅積累了豐富的系統(tǒng)綜合驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，而且結(jié)合自身特點(diǎn)，不斷發(fā)展自己獨(dú)特的系統(tǒng)綜合驗(yàn)證方式，從而提高系統(tǒng)綜合驗(yàn)證能力，縮短驗(yàn)證時間并降低系統(tǒng)驗(yàn)證成本[5-9]。如波音公司在777飛機(jī)上成功實(shí)施了全機(jī)系統(tǒng)集成驗(yàn)證試驗(yàn)，創(chuàng)造了飛機(jī)在環(huán)AIL概念[10-13]（Aircraft-In-the-Loop，簡稱AIL）;之后在787飛機(jī)上開發(fā)了模塊化研發(fā)試驗(yàn)臺，并且利用系統(tǒng)試驗(yàn)件測試注入口與信號抽引口，進(jìn)一步完善了飛機(jī)在環(huán)AIL的系統(tǒng)綜合驗(yàn)證方式[14-15]。

我國民用航空工業(yè)起步較晚，雖然已在某型號飛機(jī)集成驗(yàn)證試驗(yàn)中建立了鐵鳥試驗(yàn)臺、航電綜合試驗(yàn)臺和電源試驗(yàn)臺，并且進(jìn)行了兩鳥聯(lián)試和三鳥聯(lián)試，但受已有條件限制，尚沒有實(shí)現(xiàn)基于飛行剖面模擬飛行的全機(jī)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)，也未達(dá)到飛機(jī)級功能需求驗(yàn)證水平[16-18]。我國民機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證能力與國外全機(jī)系統(tǒng)地面綜合驗(yàn)證能力尚存在較大差距，對飛機(jī)在環(huán)這種更逼近真實(shí)飛機(jī)與真實(shí)運(yùn)營場景的前沿領(lǐng)域研究幾乎為空白，因此本課題可供參考的文獻(xiàn)與技術(shù)資料非常有限，這也對本文的深入研究造成了一定困難。

飛機(jī)在環(huán)是對民機(jī)集成驗(yàn)證手段的變革，代表了目前最先進(jìn)的集成驗(yàn)證水平。本文結(jié)合某大型民機(jī)研制過程，充分分析飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)原理及方法，明確飛機(jī)在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，包括信號抽引、信號注入、仿真模型和試驗(yàn)設(shè)備等的相關(guān)要求，并提出開放測試口的方法，可為真實(shí)的飛機(jī)在環(huán)綜合驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 飛機(jī)在環(huán)（AIL）技術(shù)難點(diǎn)分析

開展飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)，需要從全機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證需求出發(fā)，提出合理的技術(shù)方案，重點(diǎn)解決機(jī)載信號抽引、信號注入、仿真模型與試驗(yàn)設(shè)備等問題，設(shè)計(jì)一套正確、有效、可工程實(shí)施的飛機(jī)在環(huán)AIL方案，包括完備、詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)、信號注入及信號抽取技術(shù)方案和要求，并評估飛機(jī)在環(huán)AIL相應(yīng)的工程更改，其基本框架見圖1。

2 飛機(jī)在環(huán)AIL關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)一——飛機(jī)在環(huán)AIL信號抽引

機(jī)載系統(tǒng)信號是飛機(jī)仿真模型的計(jì)算輸入，數(shù)據(jù)能否抽引提取或抽引方法將直接影響飛機(jī)在環(huán)大閉環(huán)仿真試驗(yàn)。同時，系統(tǒng)實(shí)時性也直接關(guān)系到飛行品質(zhì)評判，通過飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)件抽引口進(jìn)行數(shù)據(jù)抽引，對實(shí)時性也有很高要求。

根據(jù)公開資料顯示，對于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)等飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)的關(guān)鍵LRU設(shè)備，國外主制造商通常專門提出信號注入與抽引接口及試驗(yàn)方法。如波音全機(jī)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺具備試驗(yàn)測試口，灣流鐵鳥綜合試驗(yàn)臺、龐巴迪鐵鳥綜合試驗(yàn)臺也均開放類似測試口。同時，大部分系統(tǒng)供應(yīng)商利用LRU的信號注入口進(jìn)行數(shù)據(jù)注入與抽引，從而對LRU單元進(jìn)行自動化測試。

如圖2所示，信號注入與抽引是保證不破壞原有飛機(jī)真實(shí)電纜，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在環(huán)AIL全飛行剖面場景試驗(yàn)的關(guān)鍵，需要在飛機(jī)早期階段提出開放信號注入與抽引口需求。由于不同系統(tǒng)試驗(yàn)件供應(yīng)商的測試口概念不同，其接口形式也有很大區(qū)別，有以太網(wǎng)口、485口或232口，必然提高了信號注入的復(fù)雜性和難度。結(jié)合飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)需求，如何讓系統(tǒng)供應(yīng)商開放測試口，并針對此研發(fā)相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備，將直接影響飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)進(jìn)程。

根據(jù)已有國外型號LRU信號注入口的經(jīng)驗(yàn)，慣導(dǎo)系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)具備信號抽引與注入功能，同時需重點(diǎn)加強(qiáng)與國內(nèi)系統(tǒng)供應(yīng)商的工作協(xié)調(diào)，提出相應(yīng)的飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)需求，保證機(jī)載系統(tǒng)信號能夠具備高實(shí)時性閉環(huán)條件，使試驗(yàn)順利進(jìn)行。對于一些供應(yīng)商不提供的信號抽引口可以綜合內(nèi)部知識體系自行解決，對信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)等，從而滿足信號傳輸要求，進(jìn)一步健全飛機(jī)在環(huán)AIL信號抽引。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)二——飛機(jī)在環(huán)AIL信號注入

信號注入是保證飛機(jī)電纜完整性的關(guān)鍵步驟與基本原則，是保證不破壞原有飛機(jī)電纜，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在環(huán)AIL全飛行剖面場景試驗(yàn)的關(guān)鍵。如果破壞了飛機(jī)電纜，等于破壞了飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)基礎(chǔ)。

開放信號注入口是飛機(jī)頂層設(shè)計(jì)JCDP提出的，目前已進(jìn)入全面試制階段，若在后期提出必然會增加設(shè)計(jì)成本與改裝成本，而且部分系統(tǒng)試驗(yàn)件也存在根本沒有測試口的問題。需要確定C919飛機(jī)在環(huán)AIL信號注入方法在動力、飛控及航電等機(jī)載系統(tǒng)試驗(yàn)件上能夠進(jìn)行工程實(shí)施，并在此基礎(chǔ)上保證不破壞原有連接電纜及飛機(jī)在環(huán)AIL驗(yàn)證的順利進(jìn)行。

通過收集與查找相關(guān)文獻(xiàn)了解國外最新的信號注入技術(shù)。經(jīng)公開資料顯示，國外制造商通常將信號注入技術(shù)落實(shí)到SOW中，大部分系統(tǒng)供應(yīng)商利用電子LRU的信號注入口對LRU單元進(jìn)行自動化測試，比如波音公司的全機(jī)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺、灣流的鐵鳥綜合試驗(yàn)臺以及龐巴迪的鐵鳥綜合試驗(yàn)臺都具有開放測試口功能。因此，在吸收國外現(xiàn)有測試口基礎(chǔ)上，開發(fā)靜壓總壓信號注入口、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)注入口、大氣穩(wěn)定信息注入口、高度信息注入口、發(fā)動機(jī)相關(guān)信息注入口等，擬注入信號如表1所示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)三——飛機(jī)在環(huán)AIL仿真模型開發(fā)

仿真模型是飛機(jī)在環(huán)AIL的核心，也是全飛行剖面場景試驗(yàn)的基礎(chǔ)。此外，仿真模型也是飛機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)商的核心，尤其是發(fā)動機(jī)仿真模型，給飛機(jī)在環(huán)AIL帶來了極大挑戰(zhàn)。

仿真模型是產(chǎn)生飛機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，但由于仿真模型是企業(yè)的核心機(jī)密，國內(nèi)外相關(guān)資料有限，特別是發(fā)動機(jī)本體模型，國外更是完全封鎖信息，因此仿真模型的搭建完全依靠摸索前進(jìn)。由于缺少經(jīng)驗(yàn)積累，導(dǎo)致現(xiàn)階段仿真模型的置信度較差。同時，建立仿真模型與功能邏輯模型，用于仿真與試驗(yàn)一體化對比驗(yàn)證，可以加快研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)度。

如何構(gòu)建發(fā)動機(jī)模型一直是行業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)，國內(nèi)現(xiàn)有物理仿真平臺相對較為完善，能夠建立完整的燃油系統(tǒng)模型，也具備充分的理論基礎(chǔ)與完備的技術(shù)設(shè)備，可以為發(fā)動機(jī)建模提供技術(shù)支撐。其中全球地景色、配平模型、起落架、剎車模型可由國內(nèi)外供應(yīng)商提供，飛機(jī)的大氣環(huán)境模型、氣動模型、地效模型及風(fēng)模型可直接采用現(xiàn)有模型。

在飛機(jī)在環(huán)設(shè)計(jì)初期，需要與發(fā)動機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行工作協(xié)調(diào)，提出飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)仿真模型需求，獲得封裝的發(fā)動機(jī)本體模型與接口匹配方案，并完善仿真模型開發(fā)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)四——飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)設(shè)備研制

試驗(yàn)設(shè)備是飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)的重要組成部分，也是飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)完成閉環(huán)試驗(yàn)的樞紐?？梢苿邮揭暰跋到y(tǒng)直接影響模擬飛行效果，通過將可移動式方艙直接與地面飛機(jī)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信號注入與信號抽引，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)仿真模型的實(shí)時運(yùn)行，直接控制激勵設(shè)備[19-21]。此外，試驗(yàn)設(shè)備是實(shí)施信號抽引、信號注入與實(shí)時仿真計(jì)算的載體，直接影響大閉環(huán)試驗(yàn)的有效性?，F(xiàn)階段比較通用的20路以太網(wǎng)與RS-485通信，難以保證實(shí)時性，高速率仿真模型實(shí)時運(yùn)行也面臨接口匹配問題。飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)要全面結(jié)合地面飛機(jī)，設(shè)計(jì)出合理、工程可實(shí)施的試驗(yàn)設(shè)備，同時也必須保證試驗(yàn)之后二者能夠緊密匹配，以備后續(xù)使用。

根據(jù)公開資料顯示，波音公司已經(jīng)設(shè)計(jì)了可移動試驗(yàn)平臺與可移動式視景系統(tǒng)，以完成飛機(jī)在環(huán)AIL試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

可移動式視景系統(tǒng)為飛行員提供三維實(shí)景，同時模擬飛機(jī)飛行環(huán)境，直接影響模擬飛行效果。同時，需綜合考慮可移動視景系統(tǒng)設(shè)備的電氣與機(jī)械接口，在保證系統(tǒng)高處理能力和高實(shí)時性基礎(chǔ)上，避免對飛機(jī)本體的物理損傷。

可移動式方艙直接與飛機(jī)本體接口對接，實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)信號注入與信號抽引，繼而達(dá)到飛機(jī)閉環(huán)狀態(tài)。同時，方艙保證仿真模型的實(shí)時運(yùn)行，且直接控制激勵設(shè)備，可移動方艙與視景系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時連接，并將模型運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時三維顯示。

主要試驗(yàn)設(shè)備要求如下：

（1）信號抽引功能。實(shí)時抽引油門桿位置信號、飛機(jī)系統(tǒng)信號等，為飛行仿真提供輸入。

（2）數(shù)據(jù)采集功能。實(shí)時采集飛機(jī)舵面位置信號、飛機(jī)系統(tǒng)信號等，為試驗(yàn)分析提供數(shù)據(jù)支持。

（3）實(shí)時飛行仿真功能。實(shí)時計(jì)算飛機(jī)六自由度參數(shù)和空速，通過發(fā)動機(jī)Mini-Rig實(shí)時計(jì)算發(fā)動機(jī)推力。

（4）飛行視景模擬功能。研制可移動式視景系統(tǒng)，為飛行員提供三維實(shí)景，由飛行仿真系統(tǒng)發(fā)出飛行姿態(tài)信號驅(qū)動，并從全球地形數(shù)據(jù)庫里讀取高度信號，以模擬真實(shí)飛行視景。

（5）信號注入功能。可移動方艙根據(jù)飛機(jī)閉環(huán)飛行狀態(tài)，發(fā)出空速、馬赫數(shù)、攻角等信號，注入真實(shí)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，以實(shí)時模擬飛機(jī)飛行狀態(tài)。同時，可移動方艙發(fā)出飛機(jī)姿態(tài)、速率、加速度等飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時注入慣導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，以模擬飛機(jī)姿態(tài)。

（6）機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)激勵?？梢苿臃脚摪l(fā)出高度等信號注入無線電高度接收機(jī)、測距機(jī)（DME）、伏爾VOR等，完成模擬導(dǎo)航飛行任務(wù)。

（7）機(jī)載傳感器激勵功能。通過轉(zhuǎn)臺、總靜壓模擬器等物理激勵設(shè)備，以及AOAS、ADM等機(jī)載傳感器，測試在真實(shí)傳感器激勵狀態(tài)下的飛機(jī)性能。

（8）起落架剎車系統(tǒng)仿真功能?？梢苿臃脚摪l(fā)出輪載等信號注入起落架系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（LGCU），以模擬起落架的收起和放下狀態(tài)。同時，可移動方艙發(fā)出輪速信號注入剎車系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（BCU），以驅(qū)動剎車模型模擬剎車狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文從飛機(jī)級驗(yàn)證需求出發(fā)，通過查閱各種資料，并借鑒波音公司的飛機(jī)在環(huán)理念，對飛機(jī)在環(huán)AIL面臨的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面論證，綜合考慮與各個機(jī)載系統(tǒng)供應(yīng)商協(xié)調(diào)仿真模型、測試口和注入口，與試飛中心協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、更改地面設(shè)備及部分研發(fā)試驗(yàn)科目等各種情況。經(jīng)過分析與論證，完成了信號抽引技術(shù)方案與替換方案、信號測試注入口技術(shù)要求與替代方案、仿真模型封裝要求與仿真模型接口要求，以及合理的、工程可實(shí)施的試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)方案，從而保證后期飛機(jī)在環(huán)AIL能夠順利進(jìn)行。

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