民用飛機(jī)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的適航要求及符合性驗(yàn)證方法研究

于海生

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

民用飛機(jī)模擬器試驗(yàn)平臺(tái)(如工程模擬器)是一種高效、強(qiáng)大的手段，能夠?qū)︼w行試驗(yàn)無(wú)法測(cè)試的失效模式進(jìn)行評(píng)估，而且具有能在不同場(chǎng)景下開(kāi)展評(píng)估的靈活性，能夠檢查參數(shù)變化對(duì)飛機(jī)性能的影響。模擬器試驗(yàn)平臺(tái)代表一個(gè)具有人機(jī)閉環(huán)(駕駛員在飛行控制系統(tǒng)回路中)能力的模擬器。模擬器試驗(yàn)平臺(tái)是一種十分有價(jià)值和發(fā)展前途的工程工具，在飛機(jī)的研制開(kāi)發(fā)中起著重要的作用，目前歐洲空中客車(chē)工業(yè)公司等世界先進(jìn)的飛機(jī)制造企業(yè)，已經(jīng)大量采用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行符合性驗(yàn)證試驗(yàn)代替飛行試驗(yàn)和安全性分析，大大降低飛機(jī)的研發(fā)成本，同時(shí)提升飛機(jī)的整體安全性能。通常用于支持飛機(jī)系統(tǒng)集成測(cè)試的模擬器試驗(yàn)平臺(tái)也可以當(dāng)作一種用以支持適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的手段來(lái)代替試飛試驗(yàn)，即MC8(means of compliance 8)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。當(dāng)模擬器試驗(yàn)平臺(tái)用于MC8試驗(yàn)來(lái)表明條款的符合性并生成適航符合性驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)，也可稱(chēng)之為MC8試驗(yàn)平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)已取證的飛機(jī)型號(hào)是采用飛行模擬器開(kāi)展的MC8試驗(yàn)，但國(guó)際主流的航空器制造商一般使用工程模擬器作為MC8試驗(yàn)平臺(tái)。本文的討論對(duì)象為用于開(kāi)展MC8試驗(yàn)的模擬器試驗(yàn)平臺(tái)，一旦模擬器試驗(yàn)平臺(tái)作為一種適航符合性驗(yàn)證方法用來(lái)表明適航條款的符合性，局方(適航當(dāng)局)必定會(huì)對(duì)其給予重點(diǎn)關(guān)注，特別是復(fù)雜且高度集成的大型民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)，關(guān)注程度會(huì)更高[2]。

目前，還沒(méi)有適用于如何對(duì)模擬器試驗(yàn)平臺(tái)作為一種適航符合性驗(yàn)證手段(MC8)進(jìn)行合格鑒定的詳細(xì)指南。本文根據(jù)歐洲航空安全局(EASA)和中國(guó)民用航空局(CAAC)針對(duì)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的一些重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，提出了適用于MC8試驗(yàn)平臺(tái)的總體適航要求及符合性思路。

1 MC8試驗(yàn)平臺(tái)

MC8試驗(yàn)平臺(tái)是指用于MC8試驗(yàn)并生成適航符合性驗(yàn)證數(shù)據(jù)的具有人機(jī)閉環(huán)(駕駛員在飛行控制系統(tǒng)回路中)能力的模擬器試驗(yàn)平臺(tái)。

通常MC8試驗(yàn)平臺(tái)由幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備組成，包括：飛機(jī)駕駛艙的全尺寸復(fù)制品，幾乎包括真實(shí)飛機(jī)的全部組件；駕駛艙外景象的虛擬顯示系統(tǒng)；操縱負(fù)荷系統(tǒng)，提供飛行員基本控制輸入和觸覺(jué)反饋；聲音系統(tǒng)，在駕駛艙內(nèi)提供典型外界聲音(不包括飛機(jī)組件產(chǎn)生的音響警告)；輸入輸出系統(tǒng)，能夠與各種各樣的飛機(jī)真實(shí)系統(tǒng)和部件通信；實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，提供全部的飛機(jī)裝置和飛行環(huán)境。MC8試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 MC8試驗(yàn)平臺(tái)

2 MC8試驗(yàn)平臺(tái)的總體適航要求及符合性思路

2.1 MC8試驗(yàn)平臺(tái)表明符合性范圍

通常來(lái)講，MC8試驗(yàn)主要針對(duì)在飛機(jī)上完成是不切實(shí)際的試驗(yàn)科目或測(cè)試機(jī)組在飛行試驗(yàn)中完成該試驗(yàn)科目具有高風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)MC8試驗(yàn)平臺(tái)，參照AC25-7D[3]，確定采用MC8試驗(yàn)平臺(tái)替代飛行試驗(yàn)表明符合性需要滿足以下基本原則：

1)如果即使采取了減小風(fēng)險(xiǎn)的措施，飛行演示驗(yàn)證仍有過(guò)大風(fēng)險(xiǎn)，可以考慮采用MC8試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，如對(duì)CCAR25第25.672條飛控故障條件下飛機(jī)的操穩(wěn)特性的驗(yàn)證。

2)如果規(guī)定的環(huán)境條件或飛機(jī)條件難以達(dá)到，可以考慮用MC8試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，如對(duì)CCAR25第25.25條的最小飛行重量驗(yàn)證等。

3)在合理范圍內(nèi)，需要通過(guò)MC8試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)擴(kuò)大飛行試驗(yàn)的邊界范圍等。

2.2 MC8試驗(yàn)平臺(tái)研制過(guò)程保證

MC8試驗(yàn)平臺(tái)集成了許多真實(shí)的飛機(jī)系統(tǒng)或組件，以及仿真建模的系統(tǒng)或組件，其設(shè)計(jì)具有足夠的復(fù)雜性。作為一種適航符合性驗(yàn)證手段，需要規(guī)定一個(gè)規(guī)范化和結(jié)構(gòu)化的開(kāi)發(fā)過(guò)程，需要向局方呈現(xiàn)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，以表明MC8試驗(yàn)平臺(tái)可以到達(dá)預(yù)期使用目標(biāo)及范圍。具體要求如下：

1)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的研制要從各MC8試驗(yàn)科目的具體需求出發(fā)。

2)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)模型開(kāi)發(fā)與測(cè)試流程應(yīng)包含需求確認(rèn)過(guò)程。

3)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的研制過(guò)程要包括使用問(wèn)題報(bào)告來(lái)記錄已識(shí)別的問(wèn)題及其相關(guān)更正。

研制過(guò)程保證的符合性過(guò)程可參考SAE ARP4754A 民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南中的V&V研制流程，包含需求從整機(jī)到系統(tǒng)的逐層向下分解，再?gòu)南到y(tǒng)測(cè)試到整機(jī)測(cè)試逐層向上的需求確認(rèn)過(guò)程[4]。MC8試驗(yàn)平臺(tái)V&V研制流程如圖2所示。局方不會(huì)全程介入試驗(yàn)平臺(tái)的整個(gè)研制過(guò)程，但會(huì)重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程。

圖2 MC8試驗(yàn)平臺(tái)V&V研制流程

2.3 MC8試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)型管理要求及符合性驗(yàn)證思路

MC8試驗(yàn)平臺(tái)的研制過(guò)程一般是與飛機(jī)同步的，由于飛機(jī)在研制過(guò)程中的構(gòu)型不是固定不變而是動(dòng)態(tài)變化的，即使是飛機(jī)在取得型號(hào)合格證(TC)后也可能發(fā)生設(shè)計(jì)更改，構(gòu)型發(fā)生變化。要保證MC8試驗(yàn)平臺(tái)研制能夠代表飛機(jī)的取證狀態(tài)，就需要進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)型管理[5]。

通過(guò)對(duì)A市3個(gè)社區(qū)拆遷抗?fàn)幨录目疾?，可以發(fā)現(xiàn)，在新時(shí)代社會(huì)轉(zhuǎn)型發(fā)展期，地方政府更多是應(yīng)用一種“軟策略”回應(yīng)釘子戶的抗?fàn)幮袨?，主要包括妥協(xié)讓步、間接動(dòng)員、參與調(diào)解三種形式。從本質(zhì)上看，這種“軟策略”其實(shí)是一種“非正式策略”，體現(xiàn)的是在壓力型體制之下地方政府“避免出事”的治理邏輯。

首先，MC8試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)型管理應(yīng)與試飛驗(yàn)證機(jī)類(lèi)似，具有可追溯性，涵蓋所有相關(guān)系統(tǒng)、模型以及人機(jī)界面(HMI)，用以確保：

1)MC8試驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)于飛機(jī)取證構(gòu)型具有足夠的代表性。

2)識(shí)別試驗(yàn)后設(shè)計(jì)更改的影響，評(píng)估在MC8試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行過(guò)的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的有效性。

3)后續(xù)試驗(yàn)的代表性。

MC8試驗(yàn)平臺(tái)涉及的主要構(gòu)型項(xiàng)如圖3所示。

圖3 MC8試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)型項(xiàng)

其次，確保MC8試驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件構(gòu)型得到有效管理。針對(duì)擬進(jìn)行的MC8試驗(yàn)科目，對(duì)于MC8試驗(yàn)平臺(tái)使用的飛機(jī)真件，需保證MC8硬件及其加載軟件構(gòu)型與取證飛機(jī)一致，如存在差異應(yīng)能進(jìn)行相應(yīng)的影響評(píng)估。

除此之外，模型局限性的影響評(píng)估和跟蹤管理以及任何MC8試驗(yàn)平臺(tái)的問(wèn)題報(bào)告、缺陷或障礙都要納入構(gòu)型管理過(guò)程。

2.4 MC8試驗(yàn)平臺(tái)逼真度要求及符合性驗(yàn)證思路

為了確保從MC8試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試中獲得正確的結(jié)果，MC8試驗(yàn)平臺(tái)必須充分代表真實(shí)飛機(jī)的系統(tǒng)和飛行動(dòng)力學(xué)特性。這種MC8試驗(yàn)平臺(tái)模擬的飛機(jī)狀態(tài)、試驗(yàn)條件和場(chǎng)景等與真實(shí)飛機(jī)情況的接近程度，被稱(chēng)為模擬逼真度。它包括操作MC8人員感覺(jué)的真實(shí)性和試驗(yàn)結(jié)果的正確性[6]。對(duì)于用于符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的MC8試驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)具備足夠的逼真度，主要根據(jù)擬進(jìn)行的MC8試驗(yàn)科目的要求來(lái)確定，具體要求如下[7]：

1)駕駛艙布局、操縱器件、顯示、聲音等與取證構(gòu)型飛機(jī)的一致性，操縱器件的操縱感覺(jué)應(yīng)與取證構(gòu)型飛機(jī)一致。

2)試驗(yàn)科目預(yù)期使用的功能與取證構(gòu)型飛機(jī)的一致性，任何其他功能的缺失、不完整不能影響科目演示的真實(shí)性。

3)模擬試驗(yàn)科目的外界環(huán)境應(yīng)與飛機(jī)預(yù)期使用的真實(shí)環(huán)境一致。

4)性能、操穩(wěn)的靜動(dòng)態(tài)容差，飛機(jī)的響應(yīng)必須與取證構(gòu)型飛機(jī)盡可能一致。

如何表明MC8試驗(yàn)平臺(tái)可以作為一種適航符合性驗(yàn)證手段，很大程度上取決于逼真度是否滿足要求，在進(jìn)行MC8試驗(yàn)平臺(tái)逼真度符合性驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)滿足以下要求[8]：

1)MC8試驗(yàn)平臺(tái)集成了不同的系統(tǒng)和模型，所以采用的驗(yàn)證策略應(yīng)先從一個(gè)系統(tǒng)到另一個(gè)系統(tǒng)逐步地驗(yàn)證，包括不同的失效模式，然后在整機(jī)狀態(tài)和飛行領(lǐng)域進(jìn)行整機(jī)級(jí)驗(yàn)證，最后運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)的失效模式進(jìn)行驗(yàn)證。

2)MC8試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的符合性驗(yàn)證評(píng)估通常應(yīng)具有全局觀，不僅包括飛機(jī)姿態(tài)響應(yīng)或單個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證，還包括多個(gè)系統(tǒng)的交聯(lián)驗(yàn)證，以及機(jī)組程序和工作量的評(píng)估。因此，MC8試驗(yàn)平臺(tái)的逼真度演示也應(yīng)是全局的，即多系統(tǒng)演示，涵蓋所有的失效模式。

3)逼真度的演示應(yīng)包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，并應(yīng)根據(jù)可用的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。但是，如果有些情況不可能使用飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，例如對(duì)于危險(xiǎn)的(HAZ)/災(zāi)難的(CAT)失效模式，那么對(duì)于逼真度的演示還應(yīng)包括相似性分析(例如，設(shè)計(jì)預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)與實(shí)際MC8試驗(yàn)平臺(tái)響應(yīng)的匹配)，并與試飛中相關(guān)情況下的失效模式的部分或分段演示進(jìn)行比較。

4)對(duì)于系統(tǒng)部分的逼真度(代表性)演示，可使用鑒定試驗(yàn)數(shù)據(jù)、部分系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果或飛行試驗(yàn)結(jié)果以及分析和/或工程判斷評(píng)估系統(tǒng)響應(yīng)，與嵌入在仿真平臺(tái)中的相關(guān)模型進(jìn)行對(duì)比。

MC8試驗(yàn)平臺(tái)飛機(jī)級(jí)評(píng)定包括主觀評(píng)定和客觀評(píng)定。主觀評(píng)定是請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的熟悉該機(jī)型的試飛員進(jìn)行評(píng)測(cè)，主觀評(píng)定科目應(yīng)包括正常飛行、操縱特性、側(cè)風(fēng)、紊流、風(fēng)切變、運(yùn)動(dòng)提示和抖振以及聲音等科目。主、客觀評(píng)定科目的選取應(yīng)充分考慮規(guī)劃的MC8試驗(yàn)評(píng)定科目的具體需求。有關(guān)MC8試驗(yàn)平臺(tái)操縱特性的主觀評(píng)測(cè)結(jié)果參見(jiàn)表1，客觀評(píng)定的具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

表1 MC8試驗(yàn)平臺(tái)主觀評(píng)測(cè)結(jié)果

表2 MC8試驗(yàn)平臺(tái)飛機(jī)級(jí)客觀評(píng)定

3 結(jié)束語(yǔ)

模擬器試驗(yàn)平臺(tái)是一種十分有價(jià)值和發(fā)展前途的工程工具，在飛機(jī)的研制開(kāi)發(fā)中起著重要的作用，目前空客等世界先進(jìn)的飛機(jī)制造企業(yè)，已經(jīng)大量采用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行符合性驗(yàn)證試驗(yàn)代替飛行試驗(yàn)和安全性分析，大大降低了飛機(jī)的研發(fā)成本，同時(shí)提升飛機(jī)的整體安全性能。本文針對(duì)適用于開(kāi)展符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的民用飛機(jī)MC8試驗(yàn)平臺(tái)，提出了總體的適航要求及符合性驗(yàn)證思路和方法，對(duì)民用飛機(jī)MC8試驗(yàn)平臺(tái)的研制、開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。