大型客機氣候實驗室試驗研究

/ WANG Tao MI Yi

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海 200232)

大型客機氣候實驗室試驗研究

王濤米毅/ WANG Tao MI Yi

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海200232)

為確保飛機在各種極端氣象條件下飛行的安全性，驗證設計運行環境包線內各系統的功能與性能，需開展相應的試驗試飛活動，極端自然環境有時間窗口難以捕捉、持續時間短、等待周期長的特點，但氣候實驗室可人工模擬高溫、低溫、冰霧、凍雨、吹雪等極端氣象條件，不受自然環境的限制，可有效提升試驗效率，縮短試飛周期，是現代大型客機進行極端氣候試驗的有效手段。介紹了氣候實驗室的意義與作用、全球氣候實驗室的情況，重點介紹了麥肯利氣候實驗室的試驗條件及試驗型號情況，并基于某型號實際經驗，詳細闡述了典型氣候實驗室試驗的目的、內容與方法、風險及風險降低措施，為后續大型客機極端氣候試驗提供了參考。

大型客機；氣候實驗室；低溫試驗；高溫試驗；結冰試驗

0 引言

ARJ21-700飛機在研制取證階段，曾多次赴海拉爾、廈門、長沙、烏魯木齊等外場開展低溫、高溫、結冰等自然極端氣象條件試驗，在一定程度上影響了型號取證周期。國際大型客機主制造商通常會在試飛前期開展氣候實驗室試驗，為設計優化和構型更改提供更充足的時間，有效縮短了試飛取證周期，而國內機型尚無開展氣候實驗室試驗的經驗。本文詳細介紹了麥肯利氣候實驗室的硬件設施及試驗條件，并闡述了氣候實驗室試驗的內容與方法，為氣候實驗室的設計制造及國產大型客機氣候實驗室試驗的開展提供借鑒和參考。

1 氣候實驗室的意義與作用

圖1為波音737飛機運行環境包線，其運行環境最低溫度為-73℃，起飛和著陸最低溫度限制為-54℃，最高運行溫度限制為54℃，通常大型客機的運行環境包線與該機型相似。為驗證系統設計并向局方表明符合性，確保飛機在其設計運行環境包線范圍內能夠按照設計預期安全運行，可以使用計算分析、模擬仿真、試驗試飛等方式，而試驗試飛通常是必不可少的環節。

自然極端氣象條件具有其特有的時間窗口且持續時間相對較短，錯過一次后往往需要等待一年才能夠再次捕捉，ARJ21-700飛機在研制取證過程中曾3次赴海拉爾開展低溫試驗，在三亞、閻良、長沙、廈門等地共計5次開展高溫試驗，在烏魯木齊、加拿大溫莎機場等地共計5次開展自然結冰試驗，試驗次數遠多于國外大型客機主制造商，這在一定程度上說明了自然極端氣象條件的難以捕捉、持續時間短、等待周期長的特性。

氣候實驗室的出現有效地解決了該問題，氣候實驗室可人工模擬低溫、高溫、冰霧、吹雪、凍雨、風沙等極端氣象條件，在短時間內實現驗證飛機相關系統在各種極端氣象條件下的工作狀況，能夠有效降低飛行試驗對極端自然環境的依賴，提高試飛效率，縮短試飛周期。

鑒于氣候實驗室的上述優點，國際大型客機主制造商一般在試飛前期，使用FTV2(Flight Test Vehicle，簡稱FTV2)進行氣候實驗室試驗(大部分為研發試驗)，充分驗證飛機各系統在低溫、高溫、結冰等條件下的功能與性能，為飛機各系統的設計優化和構型完善留出充足的時間周期，在自然極端氣象條件下開展相應的合格審定試飛，極大地提升了試飛效率，型號試飛周期可縮短至1～2年。

2 全球氣候實驗室情況介紹

氣候實驗室是開展飛機氣候試驗的有力工具，是綜合運用制冷、加熱、空調、控制、計量等技術模擬極端氣象條件的載體。上世紀四十年代開始，美國空軍開始建設氣候實驗室，用于各軍用飛機的極端氣候試驗，后來演變發展成為世界知名的麥肯利氣候實驗室，目前正常運營的氣候實驗室還有英國飛機氣候實驗室、瑞典飛機氣候實驗室和韓國飛機氣候實驗室等，而我國在這方面起步較晚，氣候實驗室正在籌建中。

麥肯利氣候實驗室位于美國福羅里達州的埃格林空軍基地，始建于1944年，包括主機庫、全氣候實驗室、溫度-高度實驗室、設備實驗室、太陽輻射/風沙/降雨實驗室、鹽霧實驗室[1]，各實驗室的空間大小及試驗條件詳見表1。麥肯利氣候實驗室為美國空軍及私人企業提供試驗條件服務，在其中進行試驗的飛機型號超過400種，飛機設備超過2 000臺，近期試驗型號包括C5、F117、F22、F35、B787、CS100、A350XWB等，各型號的氣候實驗室試驗情況詳見表2。

表1 麥肯利氣候實驗室試驗條件概況[2]

表2 麥肯利氣候實驗室近期機型試驗信息

續表2

機型試驗項目試驗時間試驗周期備注CS100低溫、高溫、結冰試驗2014年4月4周低溫-54℃,高溫53℃A350XWB低溫、高溫試驗2014年5月28日2.5周F-35低溫、冰凍、高溫高濕、暴雨試驗2015年3月未知低溫-40℃、高溫高濕(氣溫27℃～49℃,40℃條件下相對濕度從74%～58%) Ejet低溫試驗2016年10月未知低溫-46.3℃

3 典型的大型客機氣候實驗室試驗

3.1 低溫試驗

低溫試驗主要檢查飛機易受低溫影響的系統，冷浸透前后對相應系統進行對比檢查，冷浸透后需要檢查飛機過夜停放后的正常上電運行，并考慮部分系統的失效情況。

低溫試驗分為-40℃試驗和-54℃試驗，-54℃為飛機地面運行環境包線左邊界，-40℃為飛機運行常見的低溫天氣，為降低試驗風險，先進行-40℃試驗，然后進行-54℃試驗，兩種試驗程序基本一致，具體如下：

1)冷浸透前檢查

檢查記錄飛機液體泄漏情況、艙門開啟力、發動機、APU、電源系統、航電系統、飛控系統、液壓起落架系統、飛機固定系統、排氣管道系統、機載測試系統及實時監控系統狀況。

2)飛機冷浸透

3)冷浸透后檢查

測量艙門開啟力，檢查客艙應急出口滑梯打開情況和所有艙門開啟情況；使用蓄電池為飛機上電，起動APU，檢查蓄電池供電、APU低溫起動及APU引氣加溫性能；開展駕駛艙內顯示與控制器件初始化及工作檢查，記錄各系統啟動時間；預熱并起動發動機，檢查發動機低溫起動性能及APU大電負載下的引氣能力；開展液壓系統工作檢查，確認液壓作動活動面的工作情況；開展發動機工作檢查，確認各種推力下發動機及反推力裝置的工作狀態；檢查發電機供電及供電切換功能；開展配平、高升力系統工作檢查，確認電作動活動面的工作情況；開展燃油系統工作檢查，確認壓力加油、燃油轉輸等功能；開展起落架、剎車系統及前輪轉彎系統工作檢查，確認起落架正常收放、應急放、正常剎車、備份剎車及前輪轉彎功能。

3.2 高溫試驗

高溫試驗主要檢查飛機易超溫的系統、部件、區域，熱浸透前后對相應系統進行檢查，用于試驗結果對比，熱浸透后需要檢查飛機曝曬停放后的正常運行，并考慮部分系統的失效情況。圖2為氣候實驗中正在進行的高溫試驗。

高溫試驗分為40℃試驗和55℃試驗，55℃為飛機地面運行環境包線右邊界，40℃為飛機運行常見的高溫天氣，為降低試驗風險，先進行40℃試驗，后進行55℃試驗，兩種試驗程序基本一致，具體如下：

1)熱浸透前檢查

檢查記錄飛機液體泄漏情況、艙門開啟力、發動機、APU、電源系統、航電系統、飛控系統、液壓起落架系統、飛機固定系統、排氣管道系統、機載測試系統及實時監控系統狀況。

2)飛機熱浸透

3)熱浸透后檢查

測量艙門開啟力，檢查客艙應急出口滑梯打開情況和所有艙門開啟情況；使用蓄電池為飛機上電，起動APU，檢查蓄電池供電、APU高溫起動及APU引氣冷卻性能；開展駕駛艙內顯示與控制器件初始化及工作檢查，記錄各系統啟動時間；檢查設備艙溫度，在APU最大電負載、HSTA多次配平等條件下確認后設備艙是否超溫；APU引氣起動發動機，檢查APU引氣及交叉引氣下的發動機高溫起動性能；檢查環控系統性能，確認各種引氣源與PACK組合下的空調系統冷卻性能；開展飛控系統工作檢查，包括BIT、方向舵/升降舵/副翼配平循環檢查、襟縫翼正常收放檢查、襟縫翼收放過程中的主飛控舵面操作；開展發動機工作檢查，確認各種推力、引氣、發電等發動機工作情況及發動機/APU關車后的回熱；開展燃油系統工作檢查，確認壓力加油、燃油轉輸等工作情況；開展起落架、剎車系統及前輪轉彎系統工作檢查，確認起落架正常收放、應急放、正常剎車、備份剎車及前輪轉彎功能。

3.3 結冰試驗

結冰試驗主要檢查在冰霧、凍雨、吹雪等氣象條件下的發動機/APU起動及各種狀態下的工作情況。圖3為氣候試驗室內正在進行的結冰試驗。結冰試驗具體試驗程序如下：

1)冰霧及凍雨條件下的發動機起動、脫冰及最大起飛推力檢查。

2)冰霧、吹雪及凍雨條件下的APU起動、APU最大電負載工作、APU引氣起動發動機。

4 典型試驗風險及風險降低措施

氣候實驗室試驗與自然極端氣象條件試驗風險基本一致，具體如下：

1)低溫及結冰試驗風險：復雜設計導致的蓄電池拆卸困難；穿戴防寒手套時的飛機維護困難；低溫時氧氣面罩不工作；密封橡膠失效導致液體(燃油、滑油、液壓油、作動器媒介)泄漏；駕駛艙顯示器預熱慢；剎車盤間凍結導致剎車系統故障；輪胎與地面凍結；發動機/APU無法起動；試驗人員凍傷；飛機固定系統失效導致飛機滑動。

2)高溫試驗風險：試驗人員中暑；電子電氣設備

超溫；測試儀器超溫；設備艙超溫；復合材料結構超溫；滅火瓶/氧氣瓶/氮氣瓶釋放；飛機固定系統失效導致飛機滑動。

主要的風險降低措施有：準備充分的保暖措施(如防寒服、防滑靴、防寒手套等)及防中暑藥品；將測試/監控設備布置在制冷/制熱空間外；準備快速冷卻及加溫裝置，及時冷卻高溫零部件或為部分設備快速加溫；準備輪擋、飛機系留等裝置并做好檢查，防止發動機開車時的飛機滑動；試驗過程中試驗溫度逐步逼近，且在過程中注意檢查飛機狀態，防止飛機損傷。

5 結論

自然極端氣象條件存在窗口難以捕捉、持續時間短、等待周期長的特點，且試驗后的飛機設計完善周期長，而氣候實驗室在一定程度上解決了該問題，后續機型可考慮使用其開展相關試驗驗證工作，以縮短試飛取證周期。

氣候實驗室試驗包括低溫試驗、高溫試驗和結冰試驗，試驗執行時應注意試驗溫度循序漸進，在試驗環境建立前后對發動機、APU、環控系統、液壓系統、飛控系統、指示/記錄系統、艙門結構等飛機各受影響系統進行功能與性能對比檢查，以驗證各種極端氣象條件下飛機是否滿足設計指標及條款要求。

[1] 郗伯雅.埃格林空軍基地的麥金利氣候實驗室簡介[J].國外導彈技術， 1983(02)：76-80.

[2] C Wayne Drake，朱仲方. 空軍麥金萊氣候實驗室的環境試驗能力[J]. 國外導彈與航天運載器，1988(01)： 59-66.

Research on Airliner Climatic Laboratory Test

(Flight Test Center of COMAC，Shanghai 200232，China)

Tests are essential to ensure airplane safety in various extreme weather, and to verify system function and performance in the airplane environmental envelope. Natural extreme weather is difficult to capture and long time to wait for, also it has short duration. Artificial weather conditions like extreme hot, extreme cold, freezing fog, freezing drizzle, blowing snow could be achieved in climatic laboratory, without constraint of natural environment. Test efficiency could be effectively improved and test cycle could be shortened. It’s an effective mean for modern airliner manufacture for extreme weather tests. Significance of climatic laboratory, status of global climate laboratories are introduced. The report focuses on the test condition simulated and tests had been conducted in Mckinley Climatic laboratory. Test objectives, test contents, test methods, test hazards and mitigations are elaborated based on practical experience. The test results can provide a reference for subsequent airplane climatic laboratory test.

airliner; climatic laboratory; cold weather test; hot weather test; icing test

V216.5

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.023

王濤男，本科，試飛工程師。主要研究方向：大型客機試飛任務規劃，動力裝置、APU、燃油、惰化、防火、空調、防冰、除雨等系統試飛研究。Tel: 021-20889213；E-mail: wangtao1@comac.cc

米毅男，碩士，高級工程師。主要研究方向：大型客機試飛任務規劃，飛控系統、動力系統試飛研究。Tel: 021-20889180；E-mail: miyi@comac.cc