飛行控制系統(tǒng)鐵鳥試驗的幾點思考

劉詩超，余云鵬，徐燕

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

以電傳操縱技術(shù)為核心的現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng)，是現(xiàn)代飛機體現(xiàn)其電子化、信息化與機械化深度融合的典型標志。在飛機設(shè)計開發(fā)過程中，飛行控制系統(tǒng)的硬件和軟件產(chǎn)品經(jīng)過設(shè)計、加工、調(diào)試之后，需在地面試驗臺架上進行綜合測試，以確保飛行控制系統(tǒng)安全可靠、功能性能滿足使用要求。地面試驗臺架可根據(jù)試驗項目的需要確定，最具針對性的臺架被稱為鐵鳥，它復(fù)制了飛機本身的飛行控制系統(tǒng)及所有的交聯(lián)設(shè)備。

根據(jù)GJB 2878-1997 《有人駕駛飛機電傳飛行控制系統(tǒng)通用規(guī)范》的要求，通過鐵鳥試驗對飛行控制系統(tǒng)進行全面考核，驗證飛行控制系統(tǒng)功能和性能，并對試驗中暴露的問題進行改進，通過反復(fù)迭代使飛行控制系統(tǒng)不斷完善。飛行控制系統(tǒng)鐵鳥試驗是一項技術(shù)性很強的工程實踐，是系統(tǒng)研制工作的主要環(huán)節(jié)之一，在飛行控制系統(tǒng)的研制周期內(nèi)具有十分重要的地位。

1 鐵鳥試驗驗證

1.1 概述

飛行控制系統(tǒng)組成復(fù)雜，部件涉及機械、電子、液壓等學(xué)科，一般由作為人機接口部件的控制與顯示裝置、感知飛機狀態(tài)的傳感器、實施數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制功能的計算機及操縱舵面運動的伺服作動系統(tǒng)等組成。同時，飛行控制系統(tǒng)與機上其他系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜，包含綜合航電系統(tǒng)的核心處理機、平顯、多功能顯示器、正前方控制板等；大氣系統(tǒng)的攻角傳感器、動靜壓傳感器；機電系統(tǒng)的參數(shù)采集器、減速板傳感器、起落架收放到位裝置；能源系統(tǒng)的液壓、供電等設(shè)備。

1.2 試驗內(nèi)容

為充分驗證飛行控制系統(tǒng)的接口設(shè)計、控制律設(shè)計、余度管理設(shè)計、自檢測設(shè)計等要求，鐵鳥試驗需要進行全面充分的驗證，主要需進行以下試驗：

1）進行部件試驗，檢查部件的設(shè)計、加工、裝調(diào)的正確性；

2）進行接口試驗，檢查飛行控制系統(tǒng)內(nèi)部接口與外部接口的正確性；

3）進行系統(tǒng)自檢測測試，檢查自檢測聯(lián)鎖條件和故障情況下自檢申報情況；

4）進行余度管理試驗，檢查系統(tǒng)故障監(jiān)控、隔離、表決及申報情況；

5）進行極性傳動比試驗，檢查控制律各條支路極性、傳動比是否正確；

6）進行系統(tǒng)閉環(huán)試驗，檢查系統(tǒng)在時域響應(yīng)和頻域響應(yīng)是否滿足要求；

7）進行飛行員在環(huán)飛行試驗，由飛行員綜合評定系統(tǒng)功能及飛行品質(zhì)。

1.3 試驗方法

在系統(tǒng)研制過程中，鐵鳥試驗可以分為開環(huán)綜合測試和閉環(huán)綜合測試兩個階段進行。總的來說，應(yīng)根據(jù)飛行控制系統(tǒng)的實際組成與功能特點，分清主次，安排合理的先后順序，以累進、有序的綜合方式，完成全系統(tǒng)的調(diào)試和試驗。遵循工程準則，先進行部件和組件的試驗，后進行分系統(tǒng)和全系統(tǒng)試驗；先進行一般科目試驗，后進行風(fēng)險科目試驗；先進行功能性能試驗，后進行在環(huán)飛行試驗；先進行開環(huán)綜合與測試，后進行閉環(huán)綜合與測試。

1.4 試驗環(huán)境

由于飛行控制系統(tǒng)鐵鳥試驗的驗證內(nèi)容較多，其交聯(lián)系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致鐵鳥試驗環(huán)境搭建相對復(fù)雜。鐵鳥試驗環(huán)境一般由系統(tǒng)試驗器、飛行仿真系統(tǒng)、艙體結(jié)構(gòu)、圖像生成系統(tǒng)、視景顯示系統(tǒng)、試驗臺架、鐵鳥試驗環(huán)境輔助分系統(tǒng)、航電模擬系統(tǒng)、慣性傳感器試驗臺、大氣數(shù)據(jù)傳感器試驗臺、液壓泵站、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、實時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)單軸轉(zhuǎn)臺、頻響分析儀等子系統(tǒng)組成。

圖1 是鐵鳥試驗環(huán)境的原理圖，可以看到該套試驗環(huán)境提供了較高的靈活性，既可以進行部件試驗，也可以進行全系統(tǒng)綜合試驗。即使對于飛行員在環(huán)試驗，既可以進行純數(shù)字仿真（座艙連接到仿真計算機運行整個飛控系統(tǒng)和氣動模型），也可以進行半實物仿真（全部真實飛控系統(tǒng)設(shè)備與只實現(xiàn)空氣動力學(xué)的仿真計算機進行閉環(huán)）。

圖1 鐵鳥試驗環(huán)境原理圖

2 鐵鳥試驗技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)各型飛機均配有相應(yīng)的鐵鳥試驗臺。2013年12 月，C919 大型客機鐵鳥試驗臺投入使用，其綜合程度非常高，全稱為“飛控液壓系統(tǒng)綜合試驗臺架”，承擔(dān)著飛機系統(tǒng)級研發(fā)和驗證、飛機級多系統(tǒng)綜合驗證，以及飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)的試航驗證等試驗任務(wù)。2021 年10 月，AG600 飛機鐵鳥綜合試驗臺投入使用，其實現(xiàn)了航電、飛控、液壓“三鳥”合一，具備實現(xiàn)飛機飛控液壓、航電、電氣系統(tǒng)的交聯(lián)試驗的能力，是目前國內(nèi)非常先進的鐵鳥試驗臺。

國外很早借助鐵鳥系統(tǒng)對飛機飛控、液壓、電源等系統(tǒng)進行綜合試驗。2016 年，灣流G600 借助“鐵鳥”完成了“首飛”，工程師在地面試驗室對飛行控制、起落架、剎車及液壓等系統(tǒng)進行測試。在30 分鐘的“飛行”中，G600“鐵鳥”模擬了滑行、起飛和著陸過程。G600 負責(zé)人表示：“鐵鳥”能夠在試驗環(huán)境中確認部件的特性，提高綜合成熟度，有利于后續(xù)試飛，提高了安全性并簡化了測試過程。

2.2 發(fā)展趨勢

鐵鳥試驗技術(shù)向著綜合化、自動化、智能化的方向發(fā)展。為更有效進行飛機級綜合試驗，需要將飛控、液壓、航電、電氣、起落架、發(fā)動機等系統(tǒng)綜合在一起進行試驗，因此原有的鐵鳥臺難以滿足要求，還需合并“銅鳥”、“電鳥”等試驗臺進行綜合聯(lián)試。同時隨著飛控系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，試驗數(shù)據(jù)處理量逐漸增多，需要試驗設(shè)備和試驗軟件更加自動化和智能化，能夠按照設(shè)定程序自動進行試驗，并自動分析結(jié)果是否正確，從而提高試驗效率。

3 對鐵鳥試驗的幾點思考

3.1 試驗準備

飛行控制系統(tǒng)鐵鳥試驗是一項大型綜合試驗，牽涉被試件、參試件、試驗人員、試驗環(huán)境等各方面條件，只有各項條件具備后才能開展試驗。

首先被試件和參試件狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計狀態(tài)相符，部件質(zhì)量證明文件齊全，試驗件要有履歷本；所有試驗設(shè)備及計量儀器均應(yīng)有定期校驗的記錄，具有合格證，并在有效期內(nèi)；參加試驗的人員應(yīng)按試驗人員培訓(xùn)程序的要求完成資格培訓(xùn)，未經(jīng)培訓(xùn)取得資格的人員，不得擅自進行試驗。

在試驗前要對試驗環(huán)境進行驗證，尤其要重視仿真模型驗證和校核，包括飛機幾何數(shù)據(jù)、氣動力數(shù)學(xué)模型、質(zhì)量特性、飛機方程、起落架仿真、油門特性仿真、剎車特性仿真及前輪轉(zhuǎn)彎特性仿真等。對模型的任何修改，都必須慎重且需重新進行校核。

3.2 試驗策劃

開展鐵鳥試驗前，應(yīng)進行試驗策劃，要有試驗項目和試驗方法的策劃，同時對試驗人員和組織管理進行策劃。在必要時，可成立試驗小組，負責(zé)試驗過程的組織安排及技術(shù)協(xié)調(diào)、質(zhì)量控制、處理試驗過程中出現(xiàn)的各種問題并對試驗結(jié)果負責(zé)。在原有經(jīng)驗基礎(chǔ)上對試驗方法進行完善和創(chuàng)新非常重要，如大氣系統(tǒng)試驗方法為對四余度大氣傳感器同時供氣，檢查四余度大氣信號的準確性和一致性。某型號對試驗方法進行了創(chuàng)新，分別對單余度/兩余度/三余度/四余度大氣傳感器供氣，盡可能模擬大氣系統(tǒng)各種故障模式，這種試驗方法發(fā)現(xiàn)了大氣系統(tǒng)軟件中信號互傳處理邏輯的數(shù)個錯誤，降低了設(shè)計錯誤帶來的風(fēng)險。

對于新研型號的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計尤其要注意極性問題，初期設(shè)計時極性容易被搞錯，而極性問題是飛行控制系統(tǒng)最基本，也是最重要的問題之一。由于極性牽涉到部件的機上安裝方式，電纜接口接線定義，計算機硬件解調(diào)，系統(tǒng)軟件處理等相關(guān)環(huán)節(jié)，在試驗過程中，越早進行極性測試越能盡快發(fā)現(xiàn)問題。

試驗需策劃盡可能多的故障模式，尤其在閉環(huán)狀態(tài)下進行各信號或各部件全故障試驗，檢驗系統(tǒng)的工作能力與相應(yīng)特性的偏離；同時策劃大氣系統(tǒng)、重量中心等拉偏試驗，以模擬評估大氣信號測量不準及氣動數(shù)據(jù)輸入偏差等導(dǎo)致的品質(zhì)影響。

試驗還需重視飛行員參與前期設(shè)計的作用，盡可能請飛行員參與飛行員在環(huán)試驗，以幫助評定座艙布局、人機顯示接口、操縱特性、飛行品質(zhì)等，同時讓飛行員積累對新設(shè)計飛行控制系統(tǒng)的模擬飛行經(jīng)驗。某型號在飛控控制律研制過程中，邀請了近20 名不同單位的飛行員進行地面飛行模擬試驗，參與完善飛控控制律設(shè)計與評估，有效推進了飛控系統(tǒng)的研制。

3.3 試驗管理

鐵鳥試驗要按研制程序?qū)嵤┕芾恚囼炄蝿?wù)書和試驗大綱要進行評審，以確保試驗內(nèi)容完整，試驗方法正確。由于飛控系統(tǒng)軟件屬于關(guān)鍵重要軟件，某型號飛控系統(tǒng)軟件優(yōu)化升級后，均發(fā)布了相應(yīng)的任務(wù)書和大綱，并對每個版本的任務(wù)書和大綱進行了評審。評審應(yīng)盡可能多地請其他單位專家參加評審，提出寶貴意見。試驗開始后需嚴格按照已簽署批復(fù)的試驗大綱進行試驗。

試驗過程中應(yīng)做好試驗記錄，包括試驗時間、試驗地點、試驗人員、試驗項目，如果出現(xiàn)問題應(yīng)有必要的文字說明，確保每項試驗具有明顯的可追溯性。

試驗過程必須考慮試驗安全問題，并確保鐵鳥試驗環(huán)境安全可靠。由于鐵鳥試驗牽涉液壓泵站、供電系統(tǒng)、運動舵面等風(fēng)險源，試驗臺架周邊要具有安全防護措施，配備安全員，做好試驗設(shè)備接地處理，確保試驗人員和試驗設(shè)備安全。

試驗過程中出現(xiàn)問題時，要對照試驗條件復(fù)現(xiàn)，以確認問題原因是試驗環(huán)境問題、試驗人員問題、試驗方法問題或產(chǎn)品設(shè)計問題。不可放過每一個問題，因為問題的出現(xiàn)都是有原因的，出現(xiàn)一次就會出現(xiàn)第二次。若確認是產(chǎn)品設(shè)計問題，則要嚴格按照FRACAS程序，填寫問題措施歸零表，確保產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化更改到位。

試驗結(jié)束后，全部試驗文件（包括試驗任務(wù)書、試驗大綱、試驗評審文件、試驗報告、故障分析報告、試驗分析報告等）應(yīng)歸檔保存。

4 結(jié)語

鐵鳥試驗是驗證設(shè)計、完善設(shè)計的重要手段，也是改進設(shè)計的重要依據(jù)。通過周密的試驗準備，合理的試驗策劃，嚴格的試驗管理，能夠為科學(xué)嚴謹安全地完成鐵鳥試驗提供保障。