C919 民用飛機飛控系統鑒定試驗環境設計

2021-12-23 11:31:54劉艷陳經緯

航空工程進展 2021年6期

劉艷，陳經緯

（航空工業西安飛行自動控制研究所飛控部民用飛機總體室，西安710065）

0 引言

近年來MA700 客機、AG600 通用飛機的研發工作逐漸進行到關鍵時期，隨著C919 大型客機順利首飛，適航取證工作正在逐步進行，我國客機的中長期發展規劃已經逐漸落實。國產客機要投產并步入運營，需要進行相關的適航檢查工作，獲得適航合格審定資料。適航合格審定資料是飛機滿足適航要求的證據，包括提交的資料和需要保留的資料，由適航當局確定符合性資料的充分性。通過大量的試驗數據來確保并證明機載設備滿足設計中的技術指標規定以及符合適航條款要求。目前我國軍用飛機設備鑒定試驗已經積累了一定的基礎與經驗，但是民用飛機領域仍然處于起步階段，相比于國外，我國在這方面的基礎設施略微薄弱，試驗體系還不夠完善。鑒定試驗是指為確定產品與環境適應性要求的一致性和符合性，以代表性產品為被測對象，使用批準的試驗室方法實施測試分析，評估被測產品在具有代表性的環境應力條件下的性能特征。通過驗證機載設備在一定條件下的功能和性能，確保其裝機后的安全和可靠。鑒定結果將作為批準定型以及適航取證的依據。

對于民用飛機飛控系統來講，設備鑒定試驗需要遵循SAE《民用飛機與系統研制指南》的要求，依據 DO-160G 要求開展，涉及的試驗科目主要有電源輸入、電壓尖峰、射頻試驗、雷電試驗等。由于技術封鎖，國外在該方面的技術方法和工程經驗無法查閱。目前國內民用飛機鑒定試驗尚無成熟的工程案例。在民用航空產品研制過程中，鑒定試驗用于驗證航空產品在一定的環境條件下能否滿足產品功能和性能需求，一般包括電源特性試驗、環境鑒定試驗和電磁兼容性試驗等。鑒定試驗通過對產品的相關特性進行考核，為航空產品的定型提供依據。C919 主飛控電子鑒定試驗也是依據DO-160G 中的規定開展的，主要包括電源特性試驗、環境試驗以及電磁兼容試驗。

本文以C919 主飛控電子鑒定試驗內容為牽引展開試驗環境的研究，對C919 飛控系統鑒定試驗環境進行設計，并對設計結果進行評定。

1 民用飛機飛控系統鑒定試驗的目的

民用飛機飛控系統鑒定試驗是保障民用飛機的飛控系統、安全性以及可靠性的關鍵試驗手段，也是適航取證的必要過程。

合格性鑒定試驗的目的有以下兩點。

（1）民用飛機適航取證要求

民用飛機必須通過一定的取證，并嚴格按照適航規章要求才能投入運營，而取證過程中需要完成一定量的驗證任務，民用飛機飛控系統鑒定試驗就是有效實施這些驗證任務，落實驗證要求的重要手段，是貫徹適航規章要求，確保民用飛機的高安全性、高可靠性和可維修性的重要保證。

（2）環境適應性要求

環境適應性是飛機產品的一個尤為重要的質量特性，適應性的好壞將會直接影響飛機的正常運營。環境適應性能否滿足相關規范的要求需要通過環境鑒定試驗來驗證。

ARJ21 的飛控系統采用的是Honeywell 公司的產品，由 Honeywell 公司負責鑒定試驗。C919 的電傳飛控系統同樣屬于Honeywell 公司研發，但與ARJ21 并不相同，C919 電傳飛控系統的鑒定試驗是由國內負責開展。MA700、通用飛機AG600 如今已經開始驗證，它們的電傳飛控系統是我國自主研發，國內供應商將自主進行鑒定試驗。

因此掌握民用飛機飛控系統鑒定試驗方法，構建完整的民用飛機飛控系統鑒定試驗環境是一項重要的研究內容。

2 民用飛機飛控系統鑒定試驗

飛機制造商會根據CCAR/FAR 第25 部適航標準規定，通過“飛機設備鑒定需求”的形式提出對機載設備（含飛控系統）的鑒定要求。根據機載設備研制保障等級（DAL）分類，以及DO-160G 的要求，規定該機載設備鑒定試驗的科目，機載設備承研單位通過試驗證明設備對各項試驗條件的符合性。依據 C919 適航取證要求以及主機規定的試驗科目，開展主飛控電子鑒定試驗，進行符合性評估，確定機載設備/系統在工作期間可能遇到的典型環境條件下的實際工作特性。

對于C919 民用飛機主飛控電子鑒定試驗，采用以下方式：首飛階段進行的是LRU 級環境首飛試驗、飛控電子電磁兼容和電源輸入試驗，用于確保首飛級LRU 的安全可靠；合格鑒定試驗是在首飛結束后進行的部件取證試驗，主要包括LRU 級環境鑒定試驗以及飛控電子電磁兼容和電源輸入鑒定試驗，該階段各試驗科目必須嚴格按照DO-160G 的要求進行設計和規劃，在該階段適航檢查工作就要介入，因此每項試驗科目都要留存足夠的數據作為適航證據；綜合系統試驗是最后一階段的試驗，為飛控電子和輔助設備的集成系統HIRF/Lightning 試驗。鑒定試驗分級如圖1所示。

圖1 鑒定試驗分級圖［9］Fig.1 Classification of qualification test［9］

3 C919 飛控系統鑒定試驗環境設計

民用飛機飛控系統鑒定試驗的重要工具及支撐條件就是試驗環境，把被測產品及其他各部分集成起來，為待測產品在地面搭建一套與機上完全一致的工作環境，同時能夠實時監控試驗過程中被測產品的狀態，并在試驗結束形成支撐適航取證的合格性報告。

在C919 項目中針對主飛控電子鑒定試驗自主研發一套鑒定試驗環境，作為C919 民用飛機飛控系統鑒定試驗的工具和支撐。該試驗環境具有接口仿真、協議仿真以及載荷仿真等功能，同時能夠實時監控試驗過程中被測產品在外界激勵（干擾）情況下的狀態變化，并對各試驗條目做出合格性判定，為適航取證留存證據。

3.1 試驗環境組成

試驗環境一般分為被測系統和仿真/監控系統，被測系統主要包括被測產品、負載、線纜，仿真/監控系統主要包括接口適配功能以及數據采集系統，如圖2 所示。

圖2 鑒定試驗環境組成Fig.2 Identify the composition of the test environment

在C919 項目中，被測系統中被測產品為2 臺ACE 和2 臺FCM。根據被測產品外圍連接件的特點和屬性，負載分為真實負載和仿真負載兩類，真實負載即機上真實產品，仿真負載具有仿真機上真件特征，在本項目中真實負載包括AOA、SCLU等，仿真負載包括升降舵、方向舵、副翼等。通過線纜實現被測產品和陪試產品連接和數據采集系統的互連。根據功能不同，試驗線纜分為鑒定試驗線纜和數采線纜，鑒定試驗線纜暴露于各階段的測試條件下，參與鑒定試驗過程，應與機上真實線纜保持完全一致，滿足DO-160G 的要求。數采線纜不處于試驗環境中，滿足正常試驗要求即可。

仿真/監控系統中接口適配主要實現仿真負載和真實負載與數采系統間的適配，同時具有光電隔離功能，確保鑒定試驗各試驗科目不會對數采系統帶來破壞和干擾。

數采系統是鑒定試驗環境的重要組成部分，主要是仿真機與被測產品互聯的外圍設備，同時具有對被測產品輸出信號的監控和判斷能力，用于支撐試驗過程各項數據的實時監控以及數據留存，提供人機交互接口，滿足試驗人員簡單便捷的操作要求，數據采集系統通過接口卡和適配器與被測產品和負載連接。

3.2 試驗環境功能

通過試驗環境對被測產品在機上的真實狀態進行仿真，包括與外圍產品接口互連、信號交互的電氣關系、信號關系，能夠較真實地反應出被測產品在各種環境條件下與交聯設備的通信以及故障狀態下影響。在本文中試驗環境具有功能互聯、接口仿真、載荷仿真、實時監控、數據處理等功能。

系統互聯功能：眾多的被測件、真實負載和仿真負載、數據采集系統通過不同等級要求的線纜連接起來，構成測試環境。依據B787 的工程實踐，鑒定試驗過程中測試時序圖如圖3 所示。

圖3 測試時序圖［11］Fig.3 The test sequence［11］

FCM、ACE 連接的外部接口特性，包括總線信號 IMB、ADB、A664、A429、離散信號、交流信號、供電特性等，保持與機上高度一致的電氣特征，同時仿真出內外部交聯信號的接口協議。

載荷仿真功能：對FCM、ACE 連接的真實負載接口以及輸入輸出特性進行仿真，每個仿真負載都與真實負載有著一樣的接口、功耗以及EMI保護電路。

實時監控功能：數據采集系統完成FCM、ACE 接口數據的實時采集與顯示，并根據合格性判據對當前接收到的數據進行合格性判斷。

數據處理功能：主要包括數據記錄功能，能夠實時記錄所有采集到的數據，并形成數據記錄文件，數據后處理功能是指測試結束后對記錄文件依據判據逐條進行判斷，形成測試報告，為試驗人員提供評估被測產品功能和性能的依據。

3.3 測試時序

C919 鑒定試驗環境對以上測試時序進行分析，抽取關鍵特征，共分解出5 個操作動作，3 個關聯動作，如圖4 所示。

圖4 C919 測試時序Fig.4 The test sequence of C919

（1）5 個操作動作，分別為開始仿真/停止仿真，切換地面/空中狀態，清除錯誤，開始測試/停止測試，退出試驗。

在C919 鑒定試驗環境中將這5 個操作動作在數據采集系統UI 界面中體現，支持試驗人員通過簡單的按鈕操作整個試驗流程，最大化簡化操作人員工作負擔。

（2）3 個關聯動作，在試驗環境中自動注入，分別為開始記錄數據，開始學習，停止數據記錄。

試驗環境中將這3 個動作定義為關聯動作，自動注入在開始仿真、清除故障、停止仿真之后，操作人員無需多余動作。

3.4 監控邏輯

在鑒定試驗過程中最重要的一項指標就是判定在外部條件發生變化時，被測產品是否會受到干擾，即被測產品在被激勵（干擾）過程中是否完好或者是否如預期狀態一致，這是就需要根據被測產品的輸出信號來一一判斷，在C919 中根據FCM 和ACE 輸出數據類型來進行判斷，共有Thold 類、Activity 類、Calculate 類三類，Thold 為帶監控門限的信號，Activity 為與故障次數相關的信號，Calculate 為判斷數據包有效性的信號。

（1）Thold 類型

包括 BNR、COD、INT、UINT、float、DISCRETE、bool 等，其監控邏輯如圖 5 所示。

圖5 Thold 類型數據合格性判斷邏輯Fig.5 Thold data eligibility judgment logic

在該類型數據判斷邏輯中，“監控信號”為FCM 和ACE 試驗過程中實時輸出的信號，“學習值（期望值）”是監控信號通過學習值（期望值）產生的方法得到的預期值，如圖6 所示。

圖6 學習值（期望值）產生的方法Fig.6 The method of expected value generation

實時采集信號與正式試驗前的學習值，根據Thold 類型數據合格性對邏輯算法進行判斷（如圖5 所示），實現實時監控。在算法中約定了每個監控信號合格的上升門限UpCnt、下降門限DnCnt、允許最大誤差TholdToCnt、允許合格最大門限MaxCnt、允許合格最小門限MinCnt、故障門限TripTHold 等邏輯運算值，不同信號邏輯運算門限值不同，這些域門限會在判據文件中預先給出，試驗環境數據采集系統需要在正式試驗開始（Start Test）后，從判據文件中讀取這些域門限值，并按照以上的算法進行邏輯判斷。

“學習值（期望值）”是在仿真試驗開始（Start Simulation）后，正式試驗開始（Start Test）前，基于一定的采樣區間，在C919 項目中采用的是100 個點，計算基于整個樣本的標準偏差，具體方法如圖6 所示。

（2）Activity 類型

該類型信號需要判斷上下兩拍數據時間間隔，根據時間間隔來給出信號是否合格的結論。MaxWait 為預置門限，同樣域門限會在判據文件中預先給出，試驗環境數據采集系統需要在正式試驗開始（Start Test）后，從判據文件中讀取域門限值，然后根據MaxWait 值實時判斷不同信號是否合格。判斷邏輯如圖7 所示。

圖7 Activity 數據合格性判斷邏輯Fig.7 Activity data eligibility judgment logic

（3）Calculate 類型

對數據包內數據進行CRC 計算，與數據包內的CRC 進行比對，如圖8 所示。

圖8 Calculate 數據合格性判斷邏輯Fig.8 Calculate data conformity judgment logic

3.5 民用飛機飛控系統鑒定試驗過程文件

在C919 鑒定試驗過中會存在兩類三種文件，一類是試驗判據文件，一類是試驗輸出文件。

（1）試驗判據文件

試驗判據屬于鑒定試驗程序的內容，其定義了飛控系統、產品的容差能力以及性能，其中囊括了系統監控、限制以及持續性試驗等要求。如Thold 類型數據邏輯運算過程中用到的門限值如UpCnt、DnCnt、TholdToCnt 等都在該文件中定義，這些域門限值是機載設備（被測產品）與安全性相關的重要指標，也是產品性能設計的重要體現，是被測產品在鑒定試驗中能否順利通過的判斷依據。因此在正式開始試驗前，操作人員必須首先加載試驗判據，只有當試驗判據成功加載，整個試驗才能開始，試驗判據的名稱和版本會記錄在試驗報告中，作為適航證局留存。試驗判據文件如圖9 所示。