面向適航要求的機載電子設備結構設計分析

常向廷 董 偉 楊雨薇

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

伴隨著民用航空技術的進一步發展以及低空城市空中交通場景的逐步到來，適航性對于我國的民航事業變得越來越重要。通過前一階段的積累，我國對航空器產品的適航取證有了一定的經驗，并且對機載電子設備適航的相關研究也逐漸展開[1]。隨著民用航空發展戰略的持續推進，需要進一步在機載電子設備適航領域形成適合自身發展情況的理論方法，并開展相關的實踐活動，以提升機載電子設備的研制和適航取證技術水平。

結構設計是機載電子設備研制的重要組成部分，其內容主要包括外形設計、熱設計、強度設計、電磁兼容設計和防護設計等。由于當前的復雜電子設備在飛行關鍵系統中承擔著越來越多的功能，且隨著產品應用場景的逐漸豐富和小型化、輕量化的不斷推進，機載電子設備結構設計正面臨越來越大的挑戰。為了提高設備的可靠性和安全性，降低后期出錯的概率和維護成本，需要在設備設計過程中引入一些滿足適航標準的開發要求，以期在早期消除或減少設計錯誤[2]。而且，基于適航要求開展機載電子設備結構設計對于推動相關產品的系列化和標準化，提升產品質量和市場競爭力均具有重要的意義。

因此，本文主要針對當前機載電子設備發展的實際情況，結合適航相關的規程、標準和指南，對機載電子設備結構設計的標準化流程和適航符合性驗證進行了詳細剖析，旨在為相關設備產品的研發和適航取證工作提供借鑒。

1 機載電子設備研發生命周期

早期的機載電子設備結構和功能相對簡單，一般通過最終的產品測試可以發現并消除設計錯誤。然而，由于當前的機載電子設備結構和功能變得越來越復雜，一方面，導致設計過程中引入設計錯誤的可能性大大增加，另一方面，通過后期簡單的狀態測試難以發現所有設計缺陷，這就要求研發人員在產品測試之外，還要采用標準化的研制流程來提高設備的安全性和可靠性。除了減少設計錯誤，采用標準化研制流程還有一個好處，就是在需求、設計和驗證測試之間建立可追溯性，良好的可追溯性能為產品的安全使用和后期維護提供了有力保障。

2002年，RTCA（航空無線電委員會）和EUROCAE（歐洲民用航空設備組織）共同制定并發布了DO-254標準《機載電子硬件設計保證指南》[3]，DO-254為機載電子硬件提供了標準化的設計保證指南，于2005年被FAA（美國聯邦航空局）頒布的咨詢公告AC 20-152正式認可。本文也通過DO-254來說明機載電子設備的研制流程。

根據DO-254，機載電子設備的研發生命周期可以大體分為前期過程、設計過程、支持過程和后期過程四部分（圖1）。前期過程主要包括對設備的安全性評估過程和制定總體研制計劃的過程；設計過程是設備研制的主體部分，包括需求分析、概要設計、詳細設計、實現和生產轉換等過程；支持過程包括確認與驗證、構型管理、過程保證和適航聯絡，它們共同為設備的設計過程提供保障，以確保各項適航要求和技術目標得以滿足；后期過程主要指對設計生產的產品進行最終的驗收測試，并推動產品的系列化。

圖1 機載電子設備的研發生命周期

結構設計作為機載電子設備研制的一個重要組成部分，其相關活動同樣應該按照圖1所示的流程開展。值得注意的是，圖1所列的研制流程只代表了大體上的順序，各個過程本質上是不斷循環和迭代的。在整個機載電子設備結構設計周期中，工作的重點和難點主要有安全性評估、需求分析、確認與驗證和適航符合性驗證（適航聯絡）等幾個部分，下文將一一進行說明。

2 適航條款解讀和安全性評估

在CCAR-23-R3和CCAR-25-R4中，沒有專門針對機載電子設備結構的條款，與其有關聯的適航條款主要為D章（設計與構造）和F章（設備）。D章針對民航產品的材料、制造方法、緊固件、結構保護、可達性措施、材料強度性能和設計值以及裝配相關的系數等給出了安全性要求，這些要求對于作為民航產品其中一部分的機載電子設備同樣適用。在實際工作中，這些條款需要與機載電子設備的工藝、安裝鎖緊、三防、更換維護和強度等結構設計方面的工作相匹配，并通過技術指南或規范，將這些要求融合到具體的設計過程中。除上述專用條款之外，CCAR-23-R3的F章總則中的23.1301和23.1309條款分別對機載設備的功能、安裝以及安全性提出了通用的要求。這是兩條特殊的適航條款，尤其是23.1309條款，不僅對設備的安全性提出了綱領性的要求，明確了需要控制的各類安全風險，同時也規定了為表明設備滿足安全性要求而采用的驗證方法。所有的機載設備除滿足其本身特定功能相關的適航條款外，還都必須滿足23.1301和23.1309條款的要求。所以這兩條條款需要在設備結構設計和符合性驗證過程中重點關注。對于這兩條條款，文獻[4]進行了詳細的分析解讀。

安全性評估工作是在對適航條款深入解讀的基礎上完成的，用來證明民用飛機與系統符合審定要求和制造商內部安全標準。對于系統來說，安全性評估的內容主要包括功能危險性評估（FHA）、初步系統安全性評估（PSSA）、系統安全性評估（SSA）和共因分析（CA）。通過多個階段系統層級PSSA的進行，在最低層級，可以確定與硬件安全性有關的設計要求。

對于具體的機載電子硬件而言，其安全性評估是與SSA過程一起進行的，并用于支持SSA過程。SSA過程將安全性目標轉換為設備的安全性要求，這些要求包括基本安全性目標和關于設備功能與結構的安全屬性。通過這一過程，來證明硬件設備已經滿足適用的飛機鑒定要求的安全性需求。通過硬件的安全性評估，可以得到每種結構相關的硬件失效狀態及其研制保證等級，而后者作為初始輸入將開啟設備的設計過程。

整體的安全性評估是在具體設計工作開展之前完成的。不過，在整個研發生命周期中，安全性評估工作是始終存在并不斷推進的，直到最終的設計滿足相應的安全性標準。對于機載電子設備結構相關安全性評估工作的具體開展，需要結構設計人員、適航聯絡人員和局方不斷溝通交流，確定具體的方案，以確保所有相關的適航要求能在機載電子設備結構層級被落實。

3 需求分析

機載電子設備研制生命周期的頂層包括這些設備功能的識別和與這些功能相關的需求以及其他方面的需求。按照來源不同分類，機載電子設備的需求分為安全性需求、功能性需求、補充的合格審定需求和衍生需求（表1），其中安全性需求來源于安全性評估過程。對機載電子設備結構專業來說，需求分析著重指安全性需求和功能性需求。安全性和功能性方面的部分需求是直接由主機或其他客戶基于自身的使用場景提出的，主要是重量、機械接口、散熱、強度、表面防護或電磁兼容等方面的需求。另外一部分需求是結構設計專業本身基于產品安全使用、安裝和維護等提出的通用設計要求。

表1 機載電子設備的需求分類

與安全性評估類似，需求分析過程也是貫穿于整個設備研發生命周期。在研制初始階段，基于對問題的初步理解，形成初始的需求分析結果，隨著研制過程的進行，對問題的理解更加深入，識別的需求可能發生變更。所以，設備研制部門應該明確需求分析流程，建立完整的需求管理制度。在設備開發周期中，需求分析和管理要與研制工作協調進行，確保每一條需求在設計和制造的產品中得以滿足。

4 確認與驗證

確認與驗證是支持過程中的核心內容之一，它們既是保證電子設備研發過程符合規章要求的方法，也是設備合格審定的關鍵。確認的目的是評估產品需求是否正確和完整，各種需求是否適合產品的研發過程。驗證的目的是評估實現的產品是否符合預定的需求，產品研發的每個階段是否符合需求所確定的程序和標準。確認的目標是各類需求，驗證的目標是產品質量。

確認的方法包括可追溯性、分析、建模、仿真、試驗、相似性（經驗）、工程評審等，驗證的方法包括檢查或評審、分析、建模、試驗或演示等。ARP-4754和RTCA/DO-254對這些方法進行了描述，但并未說明這些方法如何選擇和使用。對于某一具體的電子設備產品，其伴隨產品結構設計的確認和驗證模型如圖2所示。

圖2 產品研制過程中的確認和驗證活動

需求確認是在設計過程中不斷進行的，而驗證活動需要針對不同的產品層級和研制階段逐步進行。例如，對于產品的概要設計，可以通過分析、評審等方法對概要設計方案進行初步的驗證。對于詳細設計得到的產品方案和實物，需要通過分析、仿真、試驗和評審方法等進行詳細的驗證。通過這種分層級和分階段的確認和驗證過程，以確保各類需求是正確的，并在產品中得到了具體滿足。對于機載電子設備結構設計部門而言，要努力發展散熱、強度、電磁兼容等方面的分析、仿真、試驗方法，同時建立產品可追溯性和各項評審機制，提升確認和驗證能力。對于不同的產品，要根據其具體需求和產品特點，選擇合適的方法，并經過長期的實踐和經驗積累，不斷完善需求確認和產品驗證的方法及選用準則。

5 適航審定和符合性驗證

民機產品機載設備的適航批準方式主要有三種：技術標準規定項目批準（CTSOA）、零部件制造人批準（PMA）和隨機批準[5]，它們適用于不同的產品類型。早期和現階段的機載設備絕大部分是采用隨機批準的方式進行的，這種方式雖然成本低，流程簡單，但得到的批準沒有適航證書，對應的電子設備產品不具有通用性。隨著機載電子設備復雜性和重要性的日益凸顯，CTSOA和PMA批準將會越來越受重視，且在民航器零部件批準中的占比也必將大幅度提升。

中國民用航空局（CAAC）在2020年發布的AP-21-AA-2020-12 和AP-21-AA-2020-13 中分別規定了CTSOA和PMA取證方式的合格審定流程。總體而言，二者的審定流程均包括申請、受理、審查、頒證和證后管理等五個環節。具體來說，申請和受理的目的是確定審定基礎，審查的目的是驗證符合性。這幾個方面也是整個適航審定工作的重點。圖3是由AP-21-AA-2020-12給出的CTSOA取證流程圖[6]。

圖3 CTSOA合格審定流程

在整個審查流程中，對于機載電子設備結構來說，工作的重點和難點是符合性方法的選用和符合性驗證的實施。為了統一審查雙方的認識，便于信息交流，AP-21-AA-2011-03-R4匯總了局方認可的適用于民航器及其零部件的符合性驗證方法，并以代碼MC0-MC9表示[7]。在這其中，適用于機載電子設備產品的方法主要有MC0（符合性聲明）、MC1（說明性文件）、MC2（分析/計算）、MC3（安全評估）、MC4（試驗室試驗）和MC6（飛行試驗）等。表2從機載電子設備結構設計角度給出了這些方法的使用說明。具體實施中，應針對不同的設備特點和需要驗證的內容，選用不同的符合性驗證方法。例如，對于產品結構所用材料，可通過建立并提供穩定、成熟的材料規范（MC1）和工藝規范（MC1）進行符合性驗證。對于服役環境對設備結構的影響，可以采用高低溫試驗、振動試驗、沖擊試驗等環境試驗（MC4）進行符合性驗證。需要注意的是，符合性驗證方法選用的基本原則是既要保證產品設計各項指標滿足符合性驗證基礎的要求，也要盡可能地降低適航符合性驗證成本，縮短驗證時間。對于符合性驗證，設備研制部門應通過相關的實踐活動，積累驗證方法選用的經驗，全方位提升驗證能力。

表2 機載電子設備的符合性方法和使用說明

6 結束語

本文基于DO-254對機載電子設備的標準化研制流程進行了研究，對其中的適航條款解讀和安全性評估、需求分析、確認與驗證、適航符合性驗證等重難點工作進行了深入剖析，并就如何應對這些問題從機載電子設備結構設計的專業角度給出了建議性的應對措施。推動面向適航要求的機載電子設備結構設計有助于機載電子設備適航體系的建設，進而提升民機電子設備的產品競爭力，對于推進我國民用航空發展具有重要意義。