民用航空器測試技術體系架構研究

(航空工業(yè)北京長城航空測控技術研究所，北京 101111)

眾所周知，發(fā)展民用航空產品必須緊緊圍繞產品的適航技術標準，建立完備的設計驗證、生產檢測、性能試驗、故障診斷等檢測能力，以支撐產品的適航取證和試驗驗證工作[1]。在此過程中，測試技術及其工程應用能力的發(fā)展建設，對產品的適航工作有著無可替代的基礎保證與支撐作用，是民機工程中重要的技術基礎工作。國內民用航空器研制雖然已經逐步從仿制到自主集成創(chuàng)新方向發(fā)展[2]，但測試技術一直隨民用航空器型號研制而開展工作，型號需要什么就測什么，測試技術未能從頂層、從整體加以考慮，尚未形成體系化發(fā)展和引領局面。顯然，沒有體系引導的測試技術研究工作不僅與民用航空器的發(fā)展需求不相匹配，影響民用航空器發(fā)展，也無法對民用航空器研制能力的提高起到有效的推動作用。為推動測試技術穩(wěn)步有序發(fā)展，盡快補齊短板，并更有力地支持和保障民用航空器發(fā)展，迫切需要開展民用航空器測試技術體系的研究。

目前國內民用航空測試技術發(fā)展存在的首要問題是缺乏成系統(tǒng)、成體系的頂層規(guī)劃，而且民用航空器測試技術需要補課的領域非常多，必須循序漸進，逐步發(fā)展。因此，構建民用航空器測試技術體系是未來實現(xiàn)有重點、有計劃、成體系、分階段穩(wěn)步地開展民用航空器測試技術研究的前提和基礎。

1 概念與內涵

航空測試貫穿于航空產品的全壽命過程，包括設計、制造、試驗與試飛、運營維護等階段所需的測試技術。其中，設計階段通過對模型或虛擬樣機的功能進行測試，以驗證航空產品設計方案的可行性；制造階段的測試用于檢驗制造工藝和產品的質量；試驗與試飛階段的測試通過地面試驗、飛行試驗手段對產品的設計性能進行驗證；運營維護階段的測試用于監(jiān)測產品機上狀態(tài)或者檢測和隔離故障。

航空測試覆蓋了航空產品的各個層級，包括整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件等所需的測試技術?，F(xiàn)代飛機生產過程中，按照工作要求，在完成零部件的生產后，需要開展零部件的試驗測試活動，以檢驗零部件的生產是否滿足設計要求；然后對零部件進行組合和互聯(lián)，并綜合成功能相對獨立的子系統(tǒng)，同時開展子系統(tǒng)試驗測試活動，驗證組成子系統(tǒng)的零部件之間接口關系是否兼容和協(xié)調一致，以及子系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設計要求；最后開展系統(tǒng)的綜合試驗測試活動，驗證子系統(tǒng)之間接口關系是否兼容和協(xié)調一致，并從飛機整機的角度全面驗證飛機系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設計要求[3]。

民用航空器涵蓋民用飛機(固定翼和旋翼飛機)及飛控、航電、機電等機載設備與系統(tǒng)。民用航空器測試技術是指民用航空器設計、制造、試驗、試飛和運營維護中所需的專業(yè)測試技術和通用基礎測試技術。

民用航空器專業(yè)測試技術主要包括如下方面。

① 仿真試驗測試技術。涵蓋民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵部件在設計階段所需要的仿真試驗測試技術，具體包括仿真建模技術、虛擬試驗測試技術和半實物仿真試驗測試技術等方面。

② 風洞試驗測試技術。涵蓋民用航空器模型在風洞試驗過程中所涉及的測試技術，具體包括風洞試驗綜合測試技術、氣動力測試技術、氣動熱測試技術、氣動流場測試技術、模型變形及姿態(tài)測量技術、結冰特性測試技術、氣動噪聲測試技術等方面。

③ 整機試驗測試技術。涵蓋民用航空器整機試驗驗證過程中涉及的測試技術，具體包括全機功能性能測試技術、飛機稱重測試技術、全機水平測量技術、全機轉動慣量測試技術、全機線纜測試技術等方面。

④ 飛控系統(tǒng)試驗測試技術。涵蓋飛控系統(tǒng)綜合、子系統(tǒng)及關鍵部件研制試驗驗證過程中涉及的測試技術，具體包括飛控系統(tǒng)綜合試驗測試技術、操縱系統(tǒng)試驗測試技術、飛控計算機試驗測試技術、伺服作動器試驗測試技術、傳感器試驗測試技術等方面。

⑤ 航電系統(tǒng)試驗測試技術。涵蓋航電系統(tǒng)綜合、子系統(tǒng)及關鍵部件研制試驗驗證過程中涉及的測試技術，具體包括航電系統(tǒng)綜合試驗測試技術、自動飛行系統(tǒng)試驗測試技術、通信系統(tǒng)試驗測試技術、指示和記錄系統(tǒng)試驗測試技術、導航與監(jiān)視系統(tǒng)試驗測試技術、綜合處理系統(tǒng)試驗測試技術、機載維護系統(tǒng)試驗測試技術、信息系統(tǒng)試驗測試技術、客艙系統(tǒng)試驗測試技術等方面。

⑥ 機電系統(tǒng)試驗測試技術。涵蓋機電系統(tǒng)綜合、子系統(tǒng)及關鍵部件研制試驗驗證過程中涉及的測試技術，具體包括機電系統(tǒng)綜合試驗測試技術、電氣系統(tǒng)試驗測試技術、液壓系統(tǒng)試驗測試技術、起落架系統(tǒng)試驗測試技術、燃油系統(tǒng)試驗測試技術、防火系統(tǒng)試驗測試技術、環(huán)控系統(tǒng)試驗測試技術、照明系統(tǒng)試驗測試技術、旋翼系統(tǒng)試驗測試技術、傳動系統(tǒng)試驗測試技術等方面。

⑦ 結構試驗測試技術。涵蓋民用航空器地面結構強度試驗過程中所涉及的測試技術，具體包括結構靜力與疲勞試驗測試技術、結構熱強度試驗測試技術、結構腐蝕試驗測試技術、結構噪聲試驗測試技術、結構動強度試驗測試技術、結構綜合環(huán)境試驗測試技術、結構磨損試驗測試技術、材料性能試驗測量技術、結構無損檢測技術等方面。

⑧ 飛行試驗測試技術。涵蓋民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵部件在飛行試驗過程中所涉及的測試技術，具體包括飛行氣動力測試技術、飛行品質測試技術、飛行性能測試技術、飛行載荷測試技術、飛行顫振測試技術、飛行噪聲測試技術等方面。

⑨ 制造測試技術。涵蓋民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵部件在加工、裝配、對接及出廠檢測時所需的測試技術，具體包括制造工藝驗證測試技術、制造質量保障測試技術和成品件入廠測試技術等方面。

⑩ 維護測試技術。涵蓋民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵部件在運營維護過程中所涉及的測試技術，具體包括機載維護測試技術、機內測試技術、維護自動化測試技術、便攜式維護測試技術等方面。

民用航空器通用基礎測試技術是指為滿足航空器設計、制造、試驗、試飛、運營活動中的測試需求所開展的信息感知、數(shù)據采集、數(shù)據交換、數(shù)據應用等單元技術及其物化的測試系統(tǒng)等相關的通用和基礎測試理論、方法及技術研究，形成測試方法、工具、算法、標準、數(shù)據、軟件、模塊或裝置等，能夠提升民用航空器測試技術水平和能力，支撐民用航空器研制與產業(yè)發(fā)展。民用航空器通用基礎測試技術涵蓋單元技術和系統(tǒng)技術兩個方面[4]。

民用航空器通用基礎測試單元技術包括如下方面。

① 傳感器技術。主要涵蓋民用航空器機載安裝的作為機載成品組成部分的傳感器、地面試驗過程中所需加裝的傳感器、飛行試驗過程中需要加裝的傳感器等內容。

② 信號激勵技術。主要涵蓋模擬、數(shù)字、總線、射頻等信號激勵技術，以及將各種信號進行綜合的混合信號激勵技術等內容。

③ 數(shù)據采集技術。主要涵蓋對傳感器信號、機載總線信號進行采集的相關技術，主要涉及信號調理、模/數(shù)轉換、微處理器、CPLD/FPAG、DSP、信號同步、抗干擾與電磁兼容性設計等內容，具體包括通用信號采集技術、機載總線信號采集技術、測試儀器總線技術等方面。

④ 接口適配技術。是為機載產品與測試設備之間提供電子、電氣和機械兼容的裝置，主要完成信號轉接、信號轉換、負載匹配等功能，具體包括整體結構設計、信號隔離設計、布線設計、供電設計、抗干擾設計等技術。

⑤ 數(shù)據交換技術。以數(shù)據共享為主要目的，采用無線網絡、有線網絡等傳輸方式，用于實現(xiàn)數(shù)據接收、數(shù)據打包及數(shù)據發(fā)送等的相關技術，具體包括機載總線技術、遙測網絡技術、數(shù)據傳輸技術、數(shù)據共享技術等方面。

⑥ 測試數(shù)據應用技術。主要包括數(shù)據處理技術和數(shù)據管理技術。數(shù)據處理技術主要涵蓋數(shù)據預處理、時頻分析、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預測、健康管理、數(shù)據挖掘、數(shù)據融合及云應用技術等。數(shù)據管理技術主要涵蓋數(shù)據整理、數(shù)據解析、數(shù)據存儲、數(shù)據檢索、數(shù)據顯示、報告生成等內容。

民用航空器通用基礎測試系統(tǒng)技術包括如下方面。

① 通用測試軟件系統(tǒng)技術。包括測試架構技術和通用測試軟件技術。測試架構技術主要涵蓋集中式架構、網絡分布式架構等，具體包括自動測試系統(tǒng)軟件架構技術、健康管理系統(tǒng)軟件架構技術、增強遙測綜合網絡軟件架構技術等方面。通用測試軟件技術主要涵蓋測試程序語言、測試程序開發(fā)平臺、測試程序運行平臺、測試程序可移植與互操作及測試信息描述等相關技術。

② 測試儀器技術。主要指民用航空器制造、試驗、試飛、運營活動中所使用的能夠將信號激勵、數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據顯示及報告生成等多種功能集成一體的臺式儀器所需的技術與方法，具體包括基本電測儀器、通信測試儀器、微波測試儀器、光電測試儀器、無損檢測儀器和其他專用測試儀器等方面。

③ 虛擬測試技術。主要指民用航空器制造檢測、試驗與試飛驗證活動中使用軟件代替部分硬件或全部硬件來構建各種虛擬試驗測試環(huán)境，為實現(xiàn)部分或全部代替實物試驗所需的虛擬測試技術，具體包括虛擬建模、虛擬儀器、虛擬現(xiàn)實及虛擬測試軟件等相關技術。

④ 集成測試技術。主要指民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)及關鍵部件試驗驗證，以及風洞試驗、結構試驗、機載系統(tǒng)試驗、制造檢測及維護過程中所需的將信息感知、數(shù)據采集、數(shù)據交換、數(shù)據應用等軟硬件進行綜合集成所需的動態(tài)參數(shù)測試、極限參數(shù)測試、復雜環(huán)境測試及綜合參數(shù)測試等測試技術與方法。

⑤ 功能安全測試技術。主要指為了驗證民用航空器系統(tǒng)功能安全所需的測試技術，具體包括可靠性驗證測試技術、安全性驗證測試技術、適航驗證測試技術、測試性驗證測試技術等方面。

⑥ 智能測試技術。主要指為了實現(xiàn)民用航空器制造、試驗、試飛、運營維護中測試活動的智能化所需的智能測試技術和方法，具體包括智能感知、智能決策、智能控制、智能集成等方面，未來將重點發(fā)展云存儲、并行計算、云計算、數(shù)據挖掘、大數(shù)據應用等智能技術在測試技術領域的應用。

⑦ 診斷測試技術。主要指為了實現(xiàn)民用航空器制造、試驗、試飛、運營活動中快速精確檢測故障所需的診斷測試技術，具體包括故障分析及仿真建模、信號分析及特征提取、狀態(tài)監(jiān)測與判別、故障診斷及信息融合、故障預測、故障注入及驗證評價、健康管理等相關技術。

民用航空器測試技術體系是根據民用航空器科研活動管理需要，以通用、基礎測試技術為主線，兼顧專業(yè)測試中的共性測試技術，按客觀的結構層次關系和相互關系整理成的技術圖譜[5]。民用航空器測試技術體系反映了民用航空器測試技術研究活動的總體構成，其內涵是從民用航空器發(fā)展對測試需求的角度出發(fā)，系統(tǒng)化地認識航空測試技術，使人們能夠更清晰、更準確地了解和把握與民用航空器發(fā)展相關的航空測試技術。

2 民用航空器測試技術體系架構研究

國外以波音公司、空客公司為代表的民用航空器制造商都建立了各自的民用航空器測試技術體系，隨著測試新原理、新方法、新技術的不斷涌現(xiàn)，其測試技術體系也在不斷發(fā)展和完善。該體系屬于商業(yè)機密，國內難以直接獲取、借鑒和參考。從目前國外技術文獻和公開資料來看，主要檢索到有關自動測試系統(tǒng)體系架構[6-11]、健康管理體系架構[12]、網絡化測試和綜合診斷體系架構[13-16]、試驗與訓練使能體系架構[17]、增強遙測綜合網絡體系架構[18]等系統(tǒng)級測試架構方面信息，沒有檢索到更為頂層的民用航空器測試技術體系架構相關信息。

民用航空器測試技術體系與軍用航空器測試技術體系的研究與構建方法具有相似性，除了民用和軍用航空器結構有一定差別外，主要區(qū)別還是在于使用環(huán)境、執(zhí)行任務等的不同使得測試技術體系要素上有一定差別。如民用航空器重點關注適航要求，軍用航空器具有體系化作戰(zhàn)試驗、武器系統(tǒng)試驗、隱身試驗等特點，在構建航空器測試技術體系中要進行重點考慮[19]。

依據我國民用航空器數(shù)量規(guī)模龐大、復雜性高等特點，以民用航空器全壽命周期測試需求為出發(fā)點，考慮適航規(guī)章對測試技術的需求，兼顧安全航空、數(shù)字航空和綠色航空對測試技術提出的新要求，按照有所側重、突出重點，并反映技術發(fā)展趨勢的思路，以民用航空器產品層次為基礎，遵循測試技術需求層、測試技術實現(xiàn)層、測試技術驗證層、測試技術應用層、測試技術產品層和測試技術標準層的逐層逐級分析方法，分層逐步深入開展民用航空器測試技術體系研究。本文構建的適用于我國的民用航空器測試技術體系架構如圖1所示。

圖1 民用航空器測試技術體系架構

2.1 測試技術需求層

基于民用航空器科技發(fā)展戰(zhàn)略及航空器發(fā)展規(guī)劃，以國內投入運營、在研、未來型號和國內外新技術發(fā)展對測試技術需求著手，按照測試對象規(guī)模、復雜性，以及產品不同層次等方面明確產品全壽命周期對測試技術需求。比如，針對民用航空器，可從測試對象的規(guī)模和產品層次角度分為整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件等。

民用航空器全壽命周期測試需求既需要考慮我國在研民用航空器測試技術現(xiàn)狀，也要考慮未來民用航空器技術發(fā)展對測試技術的要求。測試需求信息主要來源于兩個方面：一是民用航空器全壽命周期各個階段對測試技術的需求；二是為提高民用航空器安全性，重點需要關注適航規(guī)章各項條款的試驗驗證對測試技術的需求。

民用航空器產品的試驗與試飛階段、制造階段對測試技術需求分析是以符合CCAR-25部類運輸機適航規(guī)章的大型客機和符合CCAR-29部類旋翼航空器適航規(guī)章的民用直升機為分析對象，按照“產品類別→適航類別→平臺類別→系統(tǒng)級→子系統(tǒng)級→部件級→測試參數(shù)”的技術路線進行梳理、分析和研究。

圖2 民用飛機試驗與試飛、制造階段測試需求研究方法

在民用航空器產品的運營維護階段，以波音、空客公司典型機型為參考對象，根據波音、空客公司的航空維修手冊體系(包括飛機維護手冊(AMM)、維修計劃文件(MPD)、系統(tǒng)圖冊(SSM)、結構修理手冊(SRM)、故障報告手冊(FRM)、故障隔離手冊(FIM))，按章節(jié)梳理民用飛機各子系統(tǒng)在運行維護階段對測試設備的需求，包括各測試設備的測試功能、參數(shù)范圍、適用場景和具體測試方法等信息，結合國內典型民機運營維修階段測試需求，完成民用飛機運營維護階段對測試技術需求分析。

2.2 測試技術實現(xiàn)層

在全面梳理并分析民用航空器各個專業(yè)所需的共性測試技術基礎上，以民用航空器測試參數(shù)種類為突破口，按照單元級和系統(tǒng)級兩個層級構建測試技術實現(xiàn)層框架。以測試信號流向為主線，以信息感知、數(shù)據采集、數(shù)據交換及數(shù)據應用等技術為劃分依據確定測試單元技術譜系。通過各項測試單元技術的綜合集成，以測試儀器、虛擬測試、集成測試、功能安全測試、智能測試、診斷測試等技術為劃分依據確定測試系統(tǒng)技術譜系。

2.3 測試技術驗證層

歸納提出滿足測試技術開發(fā)、測試產品研制及應用需求的測試技術驗證能力平臺，并明確與測試技術應用層的關聯(lián)關系。測試技術驗證能力平臺可依據其實現(xiàn)民用航空器全壽命周期所需的測試關鍵技術專業(yè)種類，并結合現(xiàn)有測試專業(yè)研發(fā)驗證條件，提出相關的測試關鍵技術驗證平臺建設需求。

2.4 測試技術應用層

歸納提出民用航空器測試技術應用類型，并明確測試技術驗證能力與測試技術應用層的關聯(lián)關系。測試技術應用層主要應該考慮按照民用航空器在研、新研及未來新型航空器需求進行分類。

2.5 測試技術產品層

測試產品是指為了滿足民用航空器整機、系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部件全壽命周期測試需求，通過測試技術研究所形成的工具、算法、模型、模塊或裝置，以及測試設備等能夠提供給市場，被用戶使用的、物化的、有形的產品。測試技術產品譜系是以測試技術實現(xiàn)層中傳感器、數(shù)據采集、數(shù)據交換、數(shù)據應用等測試單元形成的工具、算法、模型、軟件、模塊或裝置等產品為基礎，結合民用航空器測試需求，按照基礎資源、測試設備及網絡化/一體化3個層級的研究思路構建。民用航空器測試技術產品譜系研究路線如圖3所示。

圖3 測試技術產品譜系研究路線

2.6 測試技術標準層

測試標準是指為滿足測試技術研究、測試產品設計、研制與驗證的標準化、規(guī)范化需求，為獲得最佳的程序、流程和方法，經過有關方面協(xié)商一致，由主管機構批準，共同使用的和重復使用的一種規(guī)范性文件。本項目的測試技術標準譜系按照“測試單元標準層→測試系統(tǒng)標準層→網絡化/一體化應用標準層”路線進行梳理和分析研究，明確未來測試技術研究、測試產品設計、研制與驗證所需標準和規(guī)范條目，為未來測試標準的編寫和制定奠定基礎。

3 民用航空器測試技術體系的構建方法

民用航空器測試技術體系構建是一項復雜的分析過程，涉及到民用航空器研制的各個單位、各個專業(yè)、產品各個層級，以及民用航空器的全壽命周期。本文以民用航空器典型產品為例，分析民用航空器測試技術體系的研究思路和方法，并規(guī)范了典型產品測試技術體系構建流程方法，可為民用航空器其他產品測試技術體系構建提供規(guī)范化指導。具體構建方法是在充分地對在役、在研及未來型號民用航空器典型產品的測試需求進行梳理和分析基礎上，結合未來新的測試技術發(fā)展，構建典型產品測試技術體系架構，最終分析形成我國民用航空器典型產品測試關鍵技術及發(fā)展路線。在民用航空器測試技術體系構建過程中需要以典型產品測試技術體系構建規(guī)范為指導，以產品結構組成為劃分依據，逐步擴展到其他產品的測試技術體系構建，最后將所有產品的測試體系進行融合，即可完成民用航空器測試技術體系的構建。

構建典型產品測試技術體系的具體分析過程如下。

(1) 產品功能、性能分析。

從民用航空器總體指標分解到對該典型產品的功能、性能指標要求，分析產品的結構組成、工作原理，分析產品的歷史演變、發(fā)展方向，從結構及材料變化等方面，明確現(xiàn)有產品功能、性能指標是否滿足未來裝備需求。

(2) 產品試驗分析。

明確該產品的主要試驗項目、試驗科目、試驗內容。針對未來產品發(fā)展變化，明確可能需要修改或補充哪些試驗項目、試驗科目等。

(3) 產品試驗測試需求分析。

產品試驗測試需求分析主要分析內容包括：① 信號類型、范圍、采樣速率等；② 測試精度要求；③ 測試環(huán)境需求；④ 所需傳感器類型和指標要求；⑤ 所需測試設備及指標要求等。

(4) 產品測試技術發(fā)展現(xiàn)狀分析。

針對該產品試驗測試技術發(fā)展現(xiàn)狀分析可分別從3個層面進行分析：① 目前遵循的標準、規(guī)范和未來需求；② 所需測試產品國產/進口狀態(tài)說明；③ 為滿足在研及未來型號需求，現(xiàn)有測試技術、方法和手段存在的問題和不足。

(5) 產品測試技術發(fā)展趨勢分析。

針對該產品測試技術發(fā)展趨勢分析，可以從產品發(fā)展變化引起測試技術變化、試驗方法變化引起測試技術變化，以及測試技術本身發(fā)展變化對產品性能提升等3個方面逐步深入分析，明確該產品測試技術未來發(fā)展趨勢。

(6) 產品試驗測試技術體系架構分析。

以產品不同結構劃分方式為主線，結合試驗類型，逐層逐級構建該產品的測試技術體系架構，可以用樹形圖或表格形式體現(xiàn)。

(7) 產品試驗測試關鍵技術及發(fā)展路線分析。

通過對該產品在役、在研型號急需解決的測試關鍵技術，未來型號發(fā)展需要解決的測試關鍵技術，以及測試技術本身發(fā)展等3個方面深入分析、總結、提煉，明確該產品未來需要開展的試驗測試關鍵技術，并提出發(fā)展路線。

4 結束語

本文詳細地論述了民用航空器測試技術體系的概念、內涵和作用，提出了民用航空器測試技術體系架構，分析了測試技術需求層、測試技術實現(xiàn)層、測試技術產品層、測試技術標準層、測試技術驗證層及測試技術應用層等要素實現(xiàn)途徑，明確了民用航空器測試技術體系構建方法，在此基礎上可繼續(xù)開展通用基礎測試技術研究、關鍵技術提煉、發(fā)展路線研究等內容，希望能夠為實現(xiàn)有重點、有計劃、成體系、分階段穩(wěn)步地開展民用航空器測試技術研究奠定基礎。