民用飛機機電系統試驗測試技術

王 紅， 楊冬健， 楊占才， 陳洪全

(航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111)

隨著民用飛機機電系統不斷發展，其設計和研制越來越依賴于先進的試驗測試手段，機電系統試驗測試技術涵蓋了機電系統、子系統及關鍵部件研制試驗驗證過程中所需的測試技術。在機電系統功能性能試驗測試過程中，如何滿足試驗需求、完整地采集試驗數據、保證測試系統穩定可靠運行、準確無誤地進行數據處理和分析，是機電系統測試技術發展及測試裝備研制急需解決的問題。

在民用飛機機電系統試驗測試過程中，合理有效的試驗方法是實現機電系統功能性能驗證的根本，準確完備的測試需求是測試設備研制的前提和基礎，性能穩定且精度符合要求的測試設備是確保機電系統驗證測試活動正常進行的重要保障[1]。由于目前我國并沒有全面且系統地了解和掌握民用飛機機電系統試驗測試技術，對一些關鍵瓶頸測試技術缺乏有效梳理，且民用飛機機電系統試驗測試技術研究工作比較分散，難以形成合力，這些嚴重阻礙了我國民用飛機機電系統試驗測試技術的發展。鑒于以上實際情況，本文從民用飛機機電系統試驗方法和測試需求分析出發，在深入調研分析國外發展趨勢、國內發展現狀及存在的實際問題基礎上，提出提升我國民用飛機機電系統試驗測試技術能力的幾點建議，希望能夠為我國民用飛機機電系統試驗測試技術的科學發展和體系化建設提供清晰的解決途徑。

1 機電系統試驗技術

1.1 機電系統主要試驗

機電系統作為飛機飛行保障系統，在民用飛機中所占的比例越來越大，其技術水平的高低直接影響到飛機的整體性能[2]。機電系統試驗主要包括系統綜合試驗以及電氣系統、液壓系統、燃油系統、防火系統、環境控制系統、起落架系統、旋翼系統、傳動系統、照明系統和設備/裝飾等各類子系統的試驗。

① 系統綜合試驗。機電管理系統通過采用數據總線和微處理機技術將飛機上各個機電子系統進行整合，進而實現對各個機電子系統的綜合監測、控制和管理。機電系統綜合試驗主要有成品與機電管理系統交聯試驗、總線通信試驗和飛機實際工作邏輯模擬試驗等。

② 電氣系統試驗。電氣系統所需的試驗主要有地面模擬試驗、飛行試驗等。其中，地面模擬試驗的試驗科目主要有穩態試驗、瞬態試驗、過載試驗、并聯試驗、保護功能試驗和匹配試驗等。飛行試驗科目主要有交流電源系統飛行試驗、直流電源系統飛行試驗等。

③ 液壓系統試驗。按照液壓系統設計特征和基本數據等相關規范要求，液壓系統必須完成有關研制性試驗和合格鑒定試驗，主要試驗有原理試驗、模擬試驗、機上地面試驗、飛行試驗等。液壓系統測試參數主要包括動力元件參數、控制元件參數、執行元件參數和輔助元件參數等。

④ 燃油系統試驗。燃油系統主要試驗項目包括燃油箱抗墜毀試驗、燃油系統地面全模擬試驗、燃油系統飛行試驗等。其中，燃油系統地面全模擬試驗包括供油系統模擬試驗、燃油測量系統試驗、地面重力加油/放油模擬試驗和傳輸系統模擬試驗等。燃油系統飛行試驗包括熱油飛行試驗、燃油箱通氣飛行試驗和可用油量飛行試驗等。燃油系統測試參數由泵類參數、測量與控制參數、油箱參數及附件(閥類)參數組成。

⑤ 防火系統試驗。防火系統所需的試驗主要有地面模擬試驗、飛行試驗等。防火系統試驗科目主要包括防火系統供電試驗、防火系統控制試驗、指示和告警等模擬試驗、防火系統邏輯動作試驗、煙霧探測試驗、滅火劑濃度測試試驗、滅火效果評估試驗等。

⑥ 環境控制系統試驗。環控系統試驗主要包括空調系統試驗和防/除冰系統試驗。空調系統所需的試驗主要有試驗室試驗、地面試驗、飛行試驗。空調系統試驗科目主要有座艙溫度調節系統試驗、座艙濕度調節系統試驗、環境防護系統試驗、發動機引氣系統試驗、設備艙環境控制系統試驗等。防/除冰系統所需的試驗主要有地面試驗和空中試驗。防/除冰系統試驗科目主要有地面干冷空氣環境試驗、地面旋翼防/除冰試驗、懸停干冷空氣環境試驗、懸停旋翼防/除冰試驗、駕駛艙電加溫玻璃防冰試驗和發動機進氣結冰試驗等。

⑦ 起落架系統試驗。起落架系統所需進行的驗證試驗科目包括起落架靜強度試驗、起落架落震試驗、起落架緩沖支柱(器)和輪胎動力特性試驗、前/尾起落架擺振試驗、起落架疲勞試驗等。其中，起落架落震試驗包括設計著陸試驗、充填參數容差試驗、儲備能量試驗、耐墜毀落震試驗等，其測試參數由緩沖支柱裝置測試參數、前起轉彎操縱裝置測試參數、前起減擺裝置測試參數、收放裝置測試及系統級測試參數、整體靜壓試驗測試參數等組成。

⑧ 旋翼系統試驗。旋翼系統主要試驗包括設計與工藝符合性試驗、結構件疲勞試驗、尾槳試驗臺試驗、旋翼塔試驗、科研試飛、載荷實測飛行和取證試飛等。旋翼系統測試內容涵蓋研制性試驗、工程鑒定試驗等階段測試內容，其中研制性試驗包括新型材料的機械性能、疲勞斷裂特性的測定，尤其是新型復合材料的全面性能測試與鑒定等；工程鑒定試驗階段主要包括部件鑒定試驗、系統鑒定試驗等。

⑨ 傳動系統試驗。傳動系統主要試驗包括主減速器超運轉試驗、中/尾減速器部件(機匣、齒輪軸、尾槳軸)靜力試驗、中/尾減速器超扭試驗、中/尾減速器超轉試驗、旋翼剎車裝置測溫試驗、旋翼傳動系統和操縱機構耐久性試驗(含超轉、超扭)、傳動系統靜態試驗、動平衡試驗、飛行試驗等。

⑩ 照明系統試驗。照明系統試驗主要包括機內照明系統試驗和機外照明系統試驗等。照明系統測試參數包括駕駛艙內照明測試參數和艙外照明測試參數。駕駛艙內照明測試參數包括照度、亮度、光強和顏色，艙外照明測試參數主要是顏色。

1.2 機電系統主要試驗測試需求

機電系統主要測試需求如下。

① 測試參數。機電系統試驗所需測試參數主要包括轉速、振動、溫度、濕度、電壓、電流、壓力、壓差、流量(氣體、液體)、流速、液位、油液污染度、油液品質、燃油濁度、燃油密度、濃度(滅火劑、氧氣)、應變、位置、位移、傾角、載荷、扭矩、冰型、金屬屑末和煙霧等類型。

② 測試傳感器。機電系統試驗過程中使用傳感器主要用于電氣、液壓、起落架、燃油、防火、環控、旋翼和傳動等子系統功能性能測試。機電系統試驗過程中使用的傳感器種類如表1所示。

表1 機電系統試驗過程中使用的傳感器種類

③ 測試儀器。機電系統試驗過程中需要使用的測試儀器主要包括通用測試儀器及各個子系統所需的專用測試儀器等。其中，通用測試儀器主要包括動態信號分析、函數信號發生器、示波器、信號源、數字萬用表、鉗形電流表、多功能總線監控設備等。機電系統試驗過程中使用的專用測試儀器種類如表2所示。

表2 機電系統試驗過程中使用的專用測試儀器種類

2 機電系統試驗測試體系

通過對民用飛機機電系統主要試驗及測試需求進行分析，并對國外民用飛機機電系統試驗測試技術進行深入調研，結合國內相關技術發展情況，總結出民用飛機機電系統試驗測試體系包括機電系統試驗測試技術譜系、機電系統試驗測試產品譜系和機電系統試驗測試標準譜系三大部分。機電系統試驗測試技術譜系包括基礎測試技術、專業測試技術和前沿測試技術3個部分。機電系統試驗過程中使用的基礎測試技術包括傳感器技術、信號激勵技術、信號采集技術、接口適配技術、數據交換技術、測試數據應用技術、測試儀器技術、通用測試軟件技術、虛擬測試技術、集成測試技術、功能安全驗證測試技術、智能測試技術和診斷測試技術等方面。機電系統試驗過程中使用的專業測試技術包括系統綜合試驗測試技術、電氣系統試驗測試技術、液壓系統試驗測試技術、燃油系統試驗測試技術、防火系統試驗測試技術、環控系統試驗測試技術、起落架系統試驗測試技術、旋翼系統試驗測試技術、傳動系統試驗測試技術、照明系統試驗測試技術及設備/裝飾試驗測試技術等方面。機電系統試驗過程中使用的前沿測試技術包括機載燃油流量在線檢測技術、機載旋翼軌跡在線檢測技術、旋翼槳葉三維變形測試技術、機載旋翼噪聲在線測量技術等方面。機電系統試驗測試產品條目和標準條目與專業測試技術分類相似。機電系統試驗測試產品研發需求主要指型號急需研制及前沿測試技術物化的相關產品或設備，例如機載燃油流量在線檢測系統、滑油碎屑在線檢測系統、小型化專用滅火器濃度測量設備、機載供氧系統中氧氣監控器、高寒環境翼型積冰高準確度預測系統、結冰綜合探測與預警系統、旋翼氣動噪聲測量與預測系統、基于自發電技術的旋翼變矩拉桿測量系統等產品。機電系統試驗測試標準研發需求主要指型號急需研制及前沿測試技術相關標準，例如機電綜合地面試驗測試、超聲波流量檢測、旋翼綜合參數激光多普勒輪廓測量、旋翼全姿態旋轉軌跡高精度測量、基于光纖光柵的飛機管路振動監測、傳動系統滑油碎屑定量檢測及槳葉變形、槳軸拉力實時精確測量等標準。

民用飛機機電系統試驗測試體系如圖1所示。

圖1 民用飛機機電系統試驗測試體系

3 國外機電系統試驗測試技術發展趨勢

從國外航空機電系統技術發展來看，機電系統在綜合化方面已經取得了明顯進展，從多電飛機到能量優化飛機，國外實現了機電系統能量、功能、物理和控制方面的綜合，機電系統的綜合意味著各個系統不再是獨立運行的，而是交叉關聯的，復雜程度極高，是從量變到質變的轉換[2]。機電系統綜合化發展已經成為發達國家發展下一代機型的重要技術領域。在此形勢下，發達國家對機電系統的綜合試驗相當重視，專門開發了整體綜合試驗設施，以及各個機電子系統甚至零部件的核心試驗設備，能進行模擬試驗、地面試驗和飛行試驗等全部試驗科目。

從整體上看，國外機電系統試驗測試技術逐步向自動化、綜合化、虛擬化、智能化、非接觸式等方向發展。通過對國外機電系統測試技術發展進行調研和分析，主要結論包括以下8個方面：① 高功率、高可靠性、不中斷發電電氣系統試驗測試技術不斷成熟，已經實現工程化；② 不斷發展非接觸測試、多線程并行測試、無線臺測試的液壓系統試驗測試技術；③ 燃油系統的污染油液測量技術、燃油流量精確測量技術、極限環境試驗測試技術、虛擬試驗測試與驗證技術、自動稱重測試技術、分布式壓力/流量測試技術和非接觸式感知測試技術等方面不斷熟化；④ 防火系統的滅火劑濃度探測、煙霧探測、高低溫環境模擬、防火系統高精度探測及快速響應等先進測量技術已實現工程化應用；⑤ 照明系統的智能功效試驗測試分析及處理技術將是未來重要發展方向；⑥ 旋翼錐體試驗測試向光學、非接觸、輕巧易安裝的方向發展；⑦ 旋翼系統動平衡試驗向實時監測和全自動智能動平衡調整方向發展；⑧ 傳動系統測試逐步集成到機載實時檢測，并隨著傳感器無線通信技術的發展，向遠程監控的方向發展。

國外機電系統試驗測試產品方面，國外MOOG、GE、Bauer和TEST-FUCHS GmbH等公司都研制出了相應的機電綜合試驗測試設備，并在B787、A380等先進飛機機電系統綜合試驗中得到應用。德國HBM公司研制的飛機電氣系統試驗測試設備也在大型民機上得到應用。此外，國外在油液污染顆粒在線檢測、機翼活動面作動器測試、液壓管路流量超聲波非接觸測量等技術領域處于領先地位。

國外機電系統試驗測試標準方面，SAE、ASTM、ISO、ANSI等機構和協會頒布了大量試驗測試方面的標準，涵蓋了飛機各個子系統，尤其是電氣系統、燃油系統和液壓系統標準規范最為全面和詳細，為國外民用飛機機電系統試驗驗證提供了重要支撐。例如SAE ARP 6200(商用飛機液壓系統的測試要求和方法)、SAE ARP 1532(飛機氧氣系統管路裝配、測試和安裝方法)、SAE ARP 4103(商用飛機駕駛艙照明設計中的影響因素和驗證測試方法)、SAE ARP 1185C(液壓油管接頭和配件的彎曲測試方法)、SAE ARP 1383C(液壓元件的沖擊試驗測試方法)、SAE ARP 5945A(I型飛機除冰/防冰液的耐久時間測試程序)、SAE ARP 5485B(II/III/IV型飛機除冰/防結冰液的耐久時間測試程序)等，都是國外近期頒布的與試驗測試相關的標準。

國外未來重點發展的機電系統前沿測試技術主要包括機載燃油流量的超聲波在線測量技術[3-5]、小型光學機載旋翼軌跡在線傳感器技術[6]、高溫高壓氣缸內壓力和溫度測試技術、基于立體視覺的旋翼槳葉三維動態變形測量技術[7-9]、旋翼槳軸拉力在線實時精確測量技術、復雜環境下機載旋翼噪聲在線測試及噪聲源分離測試技術[10]以及傳動系統智能感知技術[11-12]等。

4 國內機電系統試驗測試技術發展現狀

通過對國內機電系統測試技術實際情況進行調研和分析，主要結論包括8個方面：① 機電綜合測試標準化、集成化程度與國外相比有一定差距，測試數據管理手段在智能化方面相對不足；② 地面性能測試在自動化、數字化和集成化方面與世界先進測試技術相比仍有一定欠缺；③ 測試設備方面主要為自行設計或與供應商開展合作，在測試核心資源、關鍵測試模塊方面大多依賴進口，存在技術風險，國產相關資源和模塊可靠性、穩定性有待提高；④ 故障診斷大多依賴人工經驗判讀，故障定位難度大，某些測試手段和準確性受環境限制，有些只能在外場進行，且耗時較長，極其消耗人力；⑤ 總裝地面功能測試仍以單系統手動測試為主，測試周期長，效率低下，系統化、網絡化控制手段不足；⑥ 直升機旋翼系統試驗測試精度有待提高，測試工具與手段尚需進一步改進和提高；⑦ 我國飛機機電系統非接觸測試技術和關鍵測試儀器基本靠進口，大量的先進儀器靠引進，國產化水平低，這種局面嚴重制約了我國民機機電系統的技術進步；⑧ 國內機電試驗測試設備供應商很多，技術水平不一，標準不統一，大多只依據需求進行集成，嚴重影響了測試數據交換、數據共享、數據挖掘等能力的進一步提升。

國內機電系統試驗測試標準方面，大多以國軍標、行標、企業標準的形式存在，與機電系統試驗測試技術直接相關的標準規范較少，一般是在一些通用規范、試驗要求等標準中涉及一些測試方面的內容。國內機電系統試驗測試標準存在體系不完善、標準不健全、標準貫徹不到位等實際問題[13]。上海飛機設計研究院根據環控系統試驗測試需求，編制企業級規范《民用飛機環控系統試驗室試驗信號測量與采集規范》和《地面模擬試驗環境中環控管路流量測試規范》等，為環境系統試驗測試的規范化提供了重要保障，但仍舊無法在測試標準的全面性、專業性、系統性等方面縮小與國外的差距。

在直升機旋翼試驗測試領域，對高精度旋翼軌跡/流場測試技術、旋翼噪聲機理與控制技術、失速特性(層流、分離或湍流)測試技術、槳葉動態模態試驗測試技術、槳葉形變試驗測試新方法和新構型旋翼系統(包括無軸承旋翼、剛性共軸式旋翼和萬向鉸式旋翼)關重件疲勞載荷監測等原理性、機理性和新方法研究不足，還沒有形成完整的旋翼氣動和動力學綜合分析軟件，難以開展虛擬試驗技術研究，與國外相比，還有一定差距。

5 機電系統試驗測試技術發展建議

結合民用飛機機電系統實際需求和國內相關技術發展現狀，國內必須從提升適航驗證能力、突破核心關鍵測試技術、研制地面試驗集成化測試平臺、推動試驗測試標準化工作等方面成體系開展工作，為未來我國民用飛機機電系統試驗測試技術發展提供重要支撐。

① 繼續深入剖析適航驗證對機電系統試驗的測試需求，提升機電系統適航驗證能力。國內需要進一步深入剖析CCAR25、CCAR29等適航標準對機電系統試驗的需求，明確對測試方法、測試流程和測試設備的需求，尤其應重點剖析特殊復雜環境下測試技術、極限參數測試技術及其適航驗證方法，梳理出國內不足之處，并對現有試驗臺進行改造或重新研制適航驗證試驗臺，為新一代民用飛機研制提供技術保障。

② 突破一批地面試驗測試核心關鍵技術，提升機電系統地面研制試驗測試保障能力。通過對國內民用飛機機電系統深入調研分析，未來國內還需重點突破旋轉部件測試及信號高速傳輸、氣缸內壓力和溫度測試、槳葉軌跡/變形及槳軸拉力精確測量、旋翼綜合參數激光多普勒輪廓測量、旋翼系統非接觸式測量、旋翼噪聲測試及噪聲源分離測試、傳動系統滑油碎屑定量檢測、基于光纖光柵的飛機管路振動監測、高寒環境翼型積冰高準確度預測、油氣路系統狀態監測、機載氧氣實時狀態監控、滅火器高精度濃度測量等核心關鍵技術，不斷拓展數字孿生、大數據、云計算和物聯網新興技術在機電系統試驗測試領域中的應用[14-17]，重點研制新一代大型客機和民用直升機等裝備急需的機電系統試驗測試設備，以提升機電系統研制試驗測試保障能力。

③ 深入挖掘新的機電系統結構形式對試驗測試技術的新需求，掌握未來機電系統試驗測試技術發展方向。民用飛機機電系統目前正向綜合化、多電化和智能化方向發展，目標是實現功能、能量、控制和物理4個方面的全綜合。隨著飛機性能的不斷提高，機電系統所承擔的飛行保障任務越來越重，國外波音B787、空客A380、空客A350等先進機型已逐漸采用航空機電系統綜合技術，使傳統機電系統從各自獨立發展快速向機電綜合方向發展，機電系統綜合技術已成為未來航空的重點發展方向。隨著多電/全電飛機的不斷發展，采用高壓直流電源、電動作動器、電動燃油泵、磁懸浮軸承等新型機載產品及電剎車、電結冰防護、電動環境控制、光通信架構等新結構形式的機載系統不斷涌現，必將給機電系統試驗測試技術發展帶來新的挑戰。

④ 研制地面試驗集成化測試平臺，提升地面試驗測試設備通用化、智能化、信息化水平和數據共享能力。國內民用飛機機電系統地面試驗階段的測試設備種類繁多，由于生產商技術能力參差不齊、標準不統一，大多采用專用測試設備，接口定義沒有規范約束，造成各種測試設備架構不統一、接口不兼容、實現數據共享難度大，而且難以解決全壽命周期測試數據互聯、互通的要求。隨著我國民用飛機機電系統功能和性能的不斷提升，為提高我國民用飛機機電系統研發能力，迫切需要遵循統一的方法、一致的架構、相同的標準來研制機電系統地面試驗集成化測試平臺，為提升地面試驗測試設備通用化、智能化、信息化水平和數據共享能力提供重要保障。

⑤ 重視試驗測試標準工作，提升試驗測試標準化和規范化水平。隨著國內新一代大型客機及民用直升機研制的不斷開展，國內民機標準制定工作嚴重滯后，特別是有關機電系統試驗測試與驗證方法的標準尤其落后，國內應該在現有機型機電系統研制經驗基礎上，盡快完善相關標準并發布，為新型民機研制提供標準化支撐。

6 結束語

本文系統闡述了民用飛機機電系統主要試驗類型、測試參數需求、測試傳感器需求和測試儀器需求，明確了綜合化、虛擬化、智能化、非接觸測試的發展趨勢，分析了國內目前還存在核心關鍵測試資源依賴進口、直升機旋翼系統精確測量技術有待提高、試驗驗證標準化程度不高、測試數據共享難度大等主要問題。為了提升國內民用飛機機電系統試驗測試技術能力和水平，提出了國內必須從提升適航驗證能力、突破核心關鍵測試技術、研制地面試驗集成化測試平臺、推動試驗測試標準化工作等方面開展工作的建議，希望能夠為我國民用飛機機電系統試驗測試技術發展起到一定的借鑒和指導作用。