國外民機(jī)研制試驗驗證框架體系概述

劉立豐+徐真+張勇+張玉宏

【摘 要】民用飛機(jī)研制過程中的試驗驗證工作貫穿于型號研制的全過程，是產(chǎn)品定義、概念設(shè)計、產(chǎn)品研制、產(chǎn)品安全持續(xù)運(yùn)營等階段必不可少的證明方法。開展試驗驗證的首要前提是建立完整的試驗驗證框架體系。本文介紹了國外主要航空企業(yè)現(xiàn)存的試驗驗證框架體系，包括試驗驗證的各個階段以及在各階段需完成的試驗種類等，為國內(nèi)民機(jī)制造商試驗驗證框架體系的建立提供參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；研制階段；試驗需求；試驗驗證體系

0 引言

民用飛機(jī)研制工作已有上百年的歷史，是一項成熟的工業(yè)體系過程，但研制過程的技術(shù)含量高、系統(tǒng)復(fù)雜、研制周期長，對研制管理工作要求極高。試驗驗證是飛機(jī)主制造商的核心能力之一，在型號研制過程中具有非常重要的作用。主要體現(xiàn)在以下三個方面。[1]

1）試驗驗證是確保型號任務(wù)“一次”成功的關(guān)鍵因素之一；

2）試驗驗證是向適航表明型號符合性的重要方法之一；

3）試驗驗證是持續(xù)獲得新技術(shù)、新材料和新工藝的主要方法之一。

波音、空客均有自己的標(biāo)準(zhǔn)化試驗體系指南，各個型號研制在其基礎(chǔ)上開展適用性裁剪或擴(kuò)展，達(dá)到指導(dǎo)型號研制的目的。國產(chǎn)民機(jī)要想與技術(shù)、集成與系統(tǒng)成熟的波音、空客競爭，很重要的一方面就是必須加大力度開展基礎(chǔ)試驗和應(yīng)用試驗研究，加速試驗技術(shù)積累，彌補(bǔ)自身薄弱環(huán)節(jié)。[2]

本文介紹國外航空企業(yè)現(xiàn)存的試驗框架體系，為國內(nèi)民機(jī)制造商試驗驗證框架體系的建立提供參考。

1 波音試驗框架體系

波音公司的試驗驗證隸屬于波音公司的DT&E部門。根據(jù)波音2006年版本的WBS & Dictionary文件[3]，試驗和驗證主要包括以下10個方面，如圖1所示：

1.1 試驗規(guī)劃、管控與集成

該部分職能主要是開展試驗統(tǒng)籌規(guī)劃，試驗的控制管理，過程控制，以及試驗的集成驗證。

1.2 風(fēng)洞試驗

該部分職能主要是開展各種風(fēng)洞試驗：包括低速風(fēng)洞試驗、高速風(fēng)洞試驗、跨音速風(fēng)洞試驗、超音速風(fēng)洞試驗等，以支持方案設(shè)計及確認(rèn)試驗。

1.3 試驗室研發(fā)試驗和驗證試驗

該部分職能主要包括各種在試驗室做的研發(fā)和驗證試驗。是民機(jī)研制階段的最重要的和比重最大的試驗組成部分。又可細(xì)分為下面幾個部分：結(jié)構(gòu)試驗、系統(tǒng)試驗、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)、空氣動力學(xué)試驗、重量試驗、噪聲試驗、飛控試驗、客戶支持類相關(guān)試驗等。

1.4 集成地面試驗

完成上述各個系統(tǒng)的單獨試驗室測試后，接下來就是集成地面試驗。這部分基本上也是按照結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷、重量、噪聲等類別來分類的。包括結(jié)構(gòu)試驗、系統(tǒng)試驗、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)、重量試驗和聲學(xué)噪聲試驗等。

1.5 試飛試驗

試飛試驗是民機(jī)研制階段試驗圖譜中必不可少的一環(huán)。它也是一個飛機(jī)型號能否取得型號合格證的關(guān)鍵試驗階段。波音的試飛試驗主要包括基礎(chǔ)適航試驗、后續(xù)試飛試驗、產(chǎn)品出廠測試、研發(fā)試飛試驗。其中研發(fā)試飛試驗是最多的一類。主要的飛行開發(fā)試驗都在這個階段進(jìn)行。其包括試飛結(jié)構(gòu)試驗、試飛系統(tǒng)試驗、試飛推力系統(tǒng)試驗、試飛載荷試驗、試飛飛控試驗、試飛空氣動力學(xué)試驗、試飛噪聲試驗、試飛重量試驗、以及在試飛過程必須完成的客戶要求的或者銷售合同規(guī)定的試飛試驗。

1.6 主靜力試驗

在波音公司，靜力試驗主要分為下面三個步驟來進(jìn)行：

1）試驗硬件準(zhǔn)備：包括測試儀器儀表等；

2）靜力準(zhǔn)備試驗：包括試驗硬件標(biāo)定、試驗執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集和分析等；

3）靜力試驗設(shè)置、設(shè)計和裝配：主要包括靜力試驗設(shè)置、設(shè)計以及整體裝配等；

1.7 主疲勞試驗

疲勞試驗和靜力試驗一樣也可分為三個步驟進(jìn)行：

1）試驗硬件準(zhǔn)備：包括測試儀器儀表等；

2）疲勞準(zhǔn)備試驗：包括試驗硬件標(biāo)定、試驗執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)精簡分析、數(shù)據(jù)分析和存檔等；

3）疲勞試驗設(shè)置、設(shè)計和裝配：主要包括疲勞試驗設(shè)置、設(shè)計以及整體裝配等；

1.8 樣機(jī)（實物模型）/數(shù)字預(yù)裝配模型

一般在民機(jī)研制過程中，實物模型或者樣機(jī)也是必須的一步。在波音內(nèi)部，樣機(jī)實物模型分為四級：一級實物模型樣機(jī)、二級實物模型樣機(jī)、三級實物模型樣機(jī)和特殊實物模型樣機(jī)。其中前三級實物模型樣機(jī)每后面一個實物樣機(jī)都比上一個實物樣機(jī)更接近真機(jī)和增加了更多的功能。而且這三級實物模型樣機(jī)對應(yīng)著不同的研制階段。特殊實物模型樣機(jī)是針對某種特殊機(jī)型而設(shè)計的。

1.9 新材料試驗

最近幾年來新型材料尤其是新型復(fù)合材料在民用飛機(jī)中得到了越來越多的應(yīng)用。由于新材料的特殊性，波音把與新材料有關(guān)的試驗單獨分類出來研究。所有與某種新材料有關(guān)的試驗都必須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗后才可能應(yīng)用于型號。具體與新材料相關(guān)的試驗包括如下：

1）與空氣動力學(xué)相關(guān)的新材料試驗

2）與重量相關(guān)的新材料試驗

3）與ETOPS相關(guān)的新材料試驗

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關(guān)的新材料試驗

5）與噪聲相關(guān)的新材料試驗

6）與結(jié)構(gòu)相關(guān)的新材料試驗

7）與系統(tǒng)相關(guān)的新材料試驗

8）與推力系統(tǒng)相關(guān)的新材料試驗

9）與載荷相關(guān)的新材料試驗

10）與商業(yè)運(yùn)營服務(wù)相關(guān)的新材料試驗

1.10 運(yùn)營試驗

民用飛機(jī)研制的最終目的是進(jìn)入運(yùn)營為客戶創(chuàng)造價值。波音單獨把與運(yùn)營有關(guān)的試驗作為一類來研究。主要包括下面的幾類：

1）與空氣動力學(xué)相關(guān)的運(yùn)營試驗

2）與重量相關(guān)的運(yùn)營試驗endprint

3）與ETOPS相關(guān)的運(yùn)營試驗

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關(guān)的運(yùn)營試驗

5）與噪聲相關(guān)的運(yùn)營試驗

6）與結(jié)構(gòu)相關(guān)的運(yùn)營試驗

7）與系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)營試驗

8）與載荷相關(guān)的運(yùn)營試驗

9）與商業(yè)運(yùn)營服務(wù)相關(guān)的運(yùn)營試驗

2 空客試驗框架體系

空客公司是歐洲一家多國聯(lián)合的民用飛機(jī)制造、研發(fā)公司。在試驗室布局方面，由于多國聯(lián)盟的原因，它的試驗室分別分布在不同的國家，以系統(tǒng)集成實驗室為例，起落架、燃油實驗臺座落于英國， 高升力、貨艙實驗臺座落于德國，駕駛艙和航電集成坐落于法國，APU 電力坐落于西班牙。

在試驗方面空客公司同樣重視地面模擬試驗，并取得了顯著的實際效果。以空客A350為例，空客公司為該型號建立了綜合系統(tǒng)集成實驗室，該實驗室綜合了飛機(jī)的多個關(guān)鍵系統(tǒng)，可以開展飛機(jī)級的系統(tǒng)集成驗證試驗。經(jīng)過充分的地面模擬試驗，A350飛機(jī)首飛飛行時間長達(dá)4小時零5分鐘，并且在10，000， 15，000和25，000ft的高空時艙內(nèi)加壓。空客在首飛當(dāng)日進(jìn)行了兩次試飛，并于兩天后在巴黎航展上進(jìn)行了第三次飛行。這一系列的飛行活動充分顯示了空客和適航（EASA）當(dāng)局對于該型號前期地面驗證工作的肯定，顯示了對于型號安全性、可靠性的信心。

2.1 主制造商與供應(yīng)商

空客集團(tuán)經(jīng)過近50多年的高速發(fā)展，在試驗驗證體系方面已經(jīng)非常成熟。

關(guān)于如何分配主制造商和供應(yīng)商之間的試驗分工，其主要考慮以下的因素：

1）經(jīng)濟(jì)因素考慮：誰來做某個具體試驗更有成本優(yōu)勢？公司現(xiàn)有的人員和設(shè)備狀況，以及主制造商和供應(yīng)商之間的風(fēng)險分擔(dān)因素考慮等。

2）技術(shù)因素考慮：全新技術(shù)相關(guān)的試驗驗證一般有空客自己來做。成熟的試驗一般分配給供應(yīng)商來做。

3）由于空客是比較成熟的主制造商，一般來說，單個系統(tǒng)的試驗驗證以及在設(shè)備和元器件方面的試驗都外包給供應(yīng)商來做。供應(yīng)商承擔(dān)了越來越大的責(zé)任；而空客自己主要專注于飛機(jī)級的需求確認(rèn)與驗證工作，包括多系統(tǒng)集成試驗，特別是功能集成測試，因為功能集成測試代表了飛機(jī)的綜合表現(xiàn)，覆蓋了更多的系統(tǒng)接口需求。

值得注意的是，由于目前國內(nèi)民機(jī)制造商還不夠成熟，對于空客的這種分工方式未必適合，因此國內(nèi)民機(jī)制造商需要根據(jù)自己的實際情況來決定和供應(yīng)商的試驗分工。

2.2 系統(tǒng)集成試驗臺和功能集成試驗臺

空客集團(tuán)公司提出了系統(tǒng)集成測試平臺和功能集成測試平臺的理念。

1）系統(tǒng)集成試驗平臺：主要是集成和驗證具體某一個系統(tǒng)和其子設(shè)備以及它們之間的仿真接口驗證等。這個工作一般由供應(yīng)商負(fù)責(zé)。

2）功能集成測試平臺：主要是集成和驗證多個功能以及它們之間的功能接口。這個工作一般由空客來完成。

2.3 0架機(jī)與0架機(jī)試驗

空客公司在最新的A350 XWB上首次引入了“0架機(jī)”的概念及方法?？湛图呻A段的關(guān)鍵部分是一系列“0”試驗臺。這些試驗臺完全模擬了飛機(jī)上的真實系統(tǒng)。由于這些平臺與首架機(jī)MSN001非常逼近，因此將這些平臺集成后作為“0架機(jī)”。

“0架機(jī)”作為功能集成平臺，主要由如下5大平臺組成：駕駛艙“0”試驗臺（位于法國圖盧茲），鐵鳥臺（位于法國圖盧茲），機(jī)艙“0”試驗臺（位于德國漢堡），高升力“0”試驗臺（位于德國不萊梅），起落架“0”試驗臺（位于 英國菲爾頓）。

駕駛艙“0”試驗臺和鐵鳥臺作為集成仿真器，對飛機(jī)動態(tài)響應(yīng)特性的模擬最為關(guān)鍵，因此這兩個試驗臺均位于圖盧茲，以盡可能減少聯(lián)網(wǎng)造成的系統(tǒng)時間延遲。與常規(guī)訓(xùn)練仿真器最大的不同是，駕駛艙“0”試驗臺和鐵鳥臺均安裝了機(jī)載計算機(jī)真件而非仿真件。

集成仿真器用于兩大類試驗：第一類主要聚焦于給定系統(tǒng)與其周邊系統(tǒng)的集成試驗，第二類試驗主要是操作試驗，由飛行員操作仿真器，模擬飛行中可能出現(xiàn)的場景。在這些試驗中，整個飛機(jī)的所有性能均被分析檢查。2013年2月，集成仿真器具備了首飛構(gòu)型后，開始為期約3個月的虛擬首飛。在此期間，試驗團(tuán)隊針對首飛期間可能出現(xiàn)的所有場景（包括100%的潛在故障情形，如電力喪失（應(yīng)急電力構(gòu)型）或發(fā)動機(jī)動力的喪失情形）進(jìn)行了仿真，并對飛機(jī)行為進(jìn)行分析，對其系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

在首架機(jī)MSN001首飛前，通過“0架機(jī)”已完成上千小時的測試驗證，將首飛中所有可能的場景進(jìn)行仿真。通過一系列試驗，在首飛前，飛行機(jī)組和設(shè)計人員已經(jīng)對飛機(jī)及系統(tǒng)比較熟悉。當(dāng)然，試飛總會出現(xiàn)一些意外，但大多數(shù)情形已經(jīng)在首飛前被預(yù)測并改善。

通過在“0架機(jī)”上所進(jìn)行的大量高效的地面試驗，及時、準(zhǔn)確、全面地進(jìn)行飛機(jī)級功能驗證及故障診斷排查等，確保了飛機(jī)構(gòu)型及狀態(tài)在絕大部分時間就位，從而顯著縮短了試飛周期，尤其是研發(fā)試飛周期，從而使得A350飛機(jī)首飛后僅用13個月即取得了EASA頒發(fā)的TC證。

3 小結(jié)

試驗驗證是形成、實現(xiàn)、驗證、確認(rèn)產(chǎn)品定義和保證產(chǎn)品持續(xù)處于安全、可用狀態(tài)必不可少的手段。因此，試驗驗證工作貫穿于型號研制的全過程，是各階段中必不可少的重要的證明方法。

本文介紹了國外主要的民機(jī)制造商在研制階段的試驗驗證框架體系，其完善的試驗驗證體系值得國內(nèi)民機(jī)主制造商深入研究，同時其先進(jìn)的大規(guī)模集成驗證試驗體系值得學(xué)習(xí)和借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]漢斯-亨利奇·阿爾特菲爾德.《商用飛機(jī)項目——復(fù)雜高端產(chǎn)品的研發(fā)管理》.

[2]徐建強(qiáng).火箭衛(wèi)星產(chǎn)品試驗，航天科技圖書出版社基金資助出版，中國宇航出版社，2012.

[3]Boeing Standard Work Breakdown Structure （WBS） and Dictionary， Rev E， January 2006.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint