國(guó)外民機(jī)研制試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系概述

劉立豐+徐真+張勇+張玉宏

【摘 要】民用飛機(jī)研制過(guò)程中的試驗(yàn)驗(yàn)證工作貫穿于型號(hào)研制的全過(guò)程，是產(chǎn)品定義、概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研制、產(chǎn)品安全持續(xù)運(yùn)營(yíng)等階段必不可少的證明方法。開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證的首要前提是建立完整的試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系。本文介紹了國(guó)外主要航空企業(yè)現(xiàn)存的試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系，包括試驗(yàn)驗(yàn)證的各個(gè)階段以及在各階段需完成的試驗(yàn)種類(lèi)等，為國(guó)內(nèi)民機(jī)制造商試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系的建立提供參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；研制階段；試驗(yàn)需求；試驗(yàn)驗(yàn)證體系

0 引言

民用飛機(jī)研制工作已有上百年的歷史，是一項(xiàng)成熟的工業(yè)體系過(guò)程，但研制過(guò)程的技術(shù)含量高、系統(tǒng)復(fù)雜、研制周期長(zhǎng)，對(duì)研制管理工作要求極高。試驗(yàn)驗(yàn)證是飛機(jī)主制造商的核心能力之一，在型號(hào)研制過(guò)程中具有非常重要的作用。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。[1]

1）試驗(yàn)驗(yàn)證是確保型號(hào)任務(wù)“一次”成功的關(guān)鍵因素之一；

2）試驗(yàn)驗(yàn)證是向適航表明型號(hào)符合性的重要方法之一；

3）試驗(yàn)驗(yàn)證是持續(xù)獲得新技術(shù)、新材料和新工藝的主要方法之一。

波音、空客均有自己的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)體系指南，各個(gè)型號(hào)研制在其基礎(chǔ)上開(kāi)展適用性裁剪或擴(kuò)展，達(dá)到指導(dǎo)型號(hào)研制的目的。國(guó)產(chǎn)民機(jī)要想與技術(shù)、集成與系統(tǒng)成熟的波音、空客競(jìng)爭(zhēng)，很重要的一方面就是必須加大力度開(kāi)展基礎(chǔ)試驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)研究，加速試驗(yàn)技術(shù)積累，彌補(bǔ)自身薄弱環(huán)節(jié)。[2]

本文介紹國(guó)外航空企業(yè)現(xiàn)存的試驗(yàn)框架體系，為國(guó)內(nèi)民機(jī)制造商試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系的建立提供參考。

1 波音試驗(yàn)框架體系

波音公司的試驗(yàn)驗(yàn)證隸屬于波音公司的DT&E部門(mén)。根據(jù)波音2006年版本的WBS & Dictionary文件[3]，試驗(yàn)和驗(yàn)證主要包括以下10個(gè)方面，如圖1所示：

1.1 試驗(yàn)規(guī)劃、管控與集成

該部分職能主要是開(kāi)展試驗(yàn)統(tǒng)籌規(guī)劃，試驗(yàn)的控制管理，過(guò)程控制，以及試驗(yàn)的集成驗(yàn)證。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

該部分職能主要是開(kāi)展各種風(fēng)洞試驗(yàn)：包括低速風(fēng)洞試驗(yàn)、高速風(fēng)洞試驗(yàn)、跨音速風(fēng)洞試驗(yàn)、超音速風(fēng)洞試驗(yàn)等，以支持方案設(shè)計(jì)及確認(rèn)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)室研發(fā)試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)

該部分職能主要包括各種在試驗(yàn)室做的研發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)。是民機(jī)研制階段的最重要的和比重最大的試驗(yàn)組成部分。又可細(xì)分為下面幾個(gè)部分：結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)、空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、重量試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、飛控試驗(yàn)、客戶(hù)支持類(lèi)相關(guān)試驗(yàn)等。

1.4 集成地面試驗(yàn)

完成上述各個(gè)系統(tǒng)的單獨(dú)試驗(yàn)室測(cè)試后，接下來(lái)就是集成地面試驗(yàn)。這部分基本上也是按照結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷、重量、噪聲等類(lèi)別來(lái)分類(lèi)的。包括結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)、重量試驗(yàn)和聲學(xué)噪聲試驗(yàn)等。

1.5 試飛試驗(yàn)

試飛試驗(yàn)是民機(jī)研制階段試驗(yàn)圖譜中必不可少的一環(huán)。它也是一個(gè)飛機(jī)型號(hào)能否取得型號(hào)合格證的關(guān)鍵試驗(yàn)階段。波音的試飛試驗(yàn)主要包括基礎(chǔ)適航試驗(yàn)、后續(xù)試飛試驗(yàn)、產(chǎn)品出廠測(cè)試、研發(fā)試飛試驗(yàn)。其中研發(fā)試飛試驗(yàn)是最多的一類(lèi)。主要的飛行開(kāi)發(fā)試驗(yàn)都在這個(gè)階段進(jìn)行。其包括試飛結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、試飛系統(tǒng)試驗(yàn)、試飛推力系統(tǒng)試驗(yàn)、試飛載荷試驗(yàn)、試飛飛控試驗(yàn)、試飛空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、試飛噪聲試驗(yàn)、試飛重量試驗(yàn)、以及在試飛過(guò)程必須完成的客戶(hù)要求的或者銷(xiāo)售合同規(guī)定的試飛試驗(yàn)。

1.6 主靜力試驗(yàn)

在波音公司，靜力試驗(yàn)主要分為下面三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行：

1）試驗(yàn)硬件準(zhǔn)備：包括測(cè)試儀器儀表等；

2）靜力準(zhǔn)備試驗(yàn)：包括試驗(yàn)硬件標(biāo)定、試驗(yàn)執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集和分析等；

3）靜力試驗(yàn)設(shè)置、設(shè)計(jì)和裝配：主要包括靜力試驗(yàn)設(shè)置、設(shè)計(jì)以及整體裝配等；

1.7 主疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)一樣也可分為三個(gè)步驟進(jìn)行：

1）試驗(yàn)硬件準(zhǔn)備：包括測(cè)試儀器儀表等；

2）疲勞準(zhǔn)備試驗(yàn)：包括試驗(yàn)硬件標(biāo)定、試驗(yàn)執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)分析、數(shù)據(jù)分析和存檔等；

3）疲勞試驗(yàn)設(shè)置、設(shè)計(jì)和裝配：主要包括疲勞試驗(yàn)設(shè)置、設(shè)計(jì)以及整體裝配等；

1.8 樣機(jī)（實(shí)物模型）/數(shù)字預(yù)裝配模型

一般在民機(jī)研制過(guò)程中，實(shí)物模型或者樣機(jī)也是必須的一步。在波音內(nèi)部，樣機(jī)實(shí)物模型分為四級(jí)：一級(jí)實(shí)物模型樣機(jī)、二級(jí)實(shí)物模型樣機(jī)、三級(jí)實(shí)物模型樣機(jī)和特殊實(shí)物模型樣機(jī)。其中前三級(jí)實(shí)物模型樣機(jī)每后面一個(gè)實(shí)物樣機(jī)都比上一個(gè)實(shí)物樣機(jī)更接近真機(jī)和增加了更多的功能。而且這三級(jí)實(shí)物模型樣機(jī)對(duì)應(yīng)著不同的研制階段。特殊實(shí)物模型樣機(jī)是針對(duì)某種特殊機(jī)型而設(shè)計(jì)的。

1.9 新材料試驗(yàn)

最近幾年來(lái)新型材料尤其是新型復(fù)合材料在民用飛機(jī)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。由于新材料的特殊性，波音把與新材料有關(guān)的試驗(yàn)單獨(dú)分類(lèi)出來(lái)研究。所有與某種新材料有關(guān)的試驗(yàn)都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)后才可能應(yīng)用于型號(hào)。具體與新材料相關(guān)的試驗(yàn)包括如下：

1）與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的新材料試驗(yàn)

2）與重量相關(guān)的新材料試驗(yàn)

3）與ETOPS相關(guān)的新材料試驗(yàn)

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關(guān)的新材料試驗(yàn)

5）與噪聲相關(guān)的新材料試驗(yàn)

6）與結(jié)構(gòu)相關(guān)的新材料試驗(yàn)

7）與系統(tǒng)相關(guān)的新材料試驗(yàn)

8）與推力系統(tǒng)相關(guān)的新材料試驗(yàn)

9）與載荷相關(guān)的新材料試驗(yàn)

10）與商業(yè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)相關(guān)的新材料試驗(yàn)

1.10 運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

民用飛機(jī)研制的最終目的是進(jìn)入運(yùn)營(yíng)為客戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。波音單獨(dú)把與運(yùn)營(yíng)有關(guān)的試驗(yàn)作為一類(lèi)來(lái)研究。主要包括下面的幾類(lèi)：

1）與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

2）與重量相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)endprint

3）與ETOPS相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

4）與適航，可靠性，可維修性，和安全性相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

5）與噪聲相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

6）與結(jié)構(gòu)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

7）與系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

8）與載荷相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

9）與商業(yè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

2 空客試驗(yàn)框架體系

空客公司是歐洲一家多國(guó)聯(lián)合的民用飛機(jī)制造、研發(fā)公司。在試驗(yàn)室布局方面，由于多國(guó)聯(lián)盟的原因，它的試驗(yàn)室分別分布在不同的國(guó)家，以系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室為例，起落架、燃油實(shí)驗(yàn)臺(tái)座落于英國(guó)， 高升力、貨艙實(shí)驗(yàn)臺(tái)座落于德國(guó)，駕駛艙和航電集成坐落于法國(guó)，APU 電力坐落于西班牙。

在試驗(yàn)方面空客公司同樣重視地面模擬試驗(yàn)，并取得了顯著的實(shí)際效果。以空客A350為例，空客公司為該型號(hào)建立了綜合系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室綜合了飛機(jī)的多個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，可以開(kāi)展飛機(jī)級(jí)的系統(tǒng)集成驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)充分的地面模擬試驗(yàn)，A350飛機(jī)首飛飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)零5分鐘，并且在10，000， 15，000和25，000ft的高空時(shí)艙內(nèi)加壓。空客在首飛當(dāng)日進(jìn)行了兩次試飛，并于兩天后在巴黎航展上進(jìn)行了第三次飛行。這一系列的飛行活動(dòng)充分顯示了空客和適航（EASA）當(dāng)局對(duì)于該型號(hào)前期地面驗(yàn)證工作的肯定，顯示了對(duì)于型號(hào)安全性、可靠性的信心。

2.1 主制造商與供應(yīng)商

空客集團(tuán)經(jīng)過(guò)近50多年的高速發(fā)展，在試驗(yàn)驗(yàn)證體系方面已經(jīng)非常成熟。

關(guān)于如何分配主制造商和供應(yīng)商之間的試驗(yàn)分工，其主要考慮以下的因素：

1）經(jīng)濟(jì)因素考慮：誰(shuí)來(lái)做某個(gè)具體試驗(yàn)更有成本優(yōu)勢(shì)？公司現(xiàn)有的人員和設(shè)備狀況，以及主制造商和供應(yīng)商之間的風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)因素考慮等。

2）技術(shù)因素考慮：全新技術(shù)相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證一般有空客自己來(lái)做。成熟的試驗(yàn)一般分配給供應(yīng)商來(lái)做。

3）由于空客是比較成熟的主制造商，一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證以及在設(shè)備和元器件方面的試驗(yàn)都外包給供應(yīng)商來(lái)做。供應(yīng)商承擔(dān)了越來(lái)越大的責(zé)任；而空客自己主要專(zhuān)注于飛機(jī)級(jí)的需求確認(rèn)與驗(yàn)證工作，包括多系統(tǒng)集成試驗(yàn)，特別是功能集成測(cè)試，因?yàn)楣δ芗蓽y(cè)試代表了飛機(jī)的綜合表現(xiàn)，覆蓋了更多的系統(tǒng)接口需求。

值得注意的是，由于目前國(guó)內(nèi)民機(jī)制造商還不夠成熟，對(duì)于空客的這種分工方式未必適合，因此國(guó)內(nèi)民機(jī)制造商需要根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)決定和供應(yīng)商的試驗(yàn)分工。

2.2 系統(tǒng)集成試驗(yàn)臺(tái)和功能集成試驗(yàn)臺(tái)

空客集團(tuán)公司提出了系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)和功能集成測(cè)試平臺(tái)的理念。

1）系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)：主要是集成和驗(yàn)證具體某一個(gè)系統(tǒng)和其子設(shè)備以及它們之間的仿真接口驗(yàn)證等。這個(gè)工作一般由供應(yīng)商負(fù)責(zé)。

2）功能集成測(cè)試平臺(tái)：主要是集成和驗(yàn)證多個(gè)功能以及它們之間的功能接口。這個(gè)工作一般由空客來(lái)完成。

2.3 0架機(jī)與0架機(jī)試驗(yàn)

空客公司在最新的A350 XWB上首次引入了“0架機(jī)”的概念及方法。空客集成階段的關(guān)鍵部分是一系列“0”試驗(yàn)臺(tái)。這些試驗(yàn)臺(tái)完全模擬了飛機(jī)上的真實(shí)系統(tǒng)。由于這些平臺(tái)與首架機(jī)MSN001非常逼近，因此將這些平臺(tái)集成后作為“0架機(jī)”。

“0架機(jī)”作為功能集成平臺(tái)，主要由如下5大平臺(tái)組成：駕駛艙“0”試驗(yàn)臺(tái)（位于法國(guó)圖盧茲），鐵鳥(niǎo)臺(tái)（位于法國(guó)圖盧茲），機(jī)艙“0”試驗(yàn)臺(tái)（位于德國(guó)漢堡），高升力“0”試驗(yàn)臺(tái)（位于德國(guó)不萊梅），起落架“0”試驗(yàn)臺(tái)（位于 英國(guó)菲爾頓）。

駕駛艙“0”試驗(yàn)臺(tái)和鐵鳥(niǎo)臺(tái)作為集成仿真器，對(duì)飛機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的模擬最為關(guān)鍵，因此這兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)均位于圖盧茲，以盡可能減少聯(lián)網(wǎng)造成的系統(tǒng)時(shí)間延遲。與常規(guī)訓(xùn)練仿真器最大的不同是，駕駛艙“0”試驗(yàn)臺(tái)和鐵鳥(niǎo)臺(tái)均安裝了機(jī)載計(jì)算機(jī)真件而非仿真件。

集成仿真器用于兩大類(lèi)試驗(yàn)：第一類(lèi)主要聚焦于給定系統(tǒng)與其周邊系統(tǒng)的集成試驗(yàn)，第二類(lèi)試驗(yàn)主要是操作試驗(yàn)，由飛行員操作仿真器，模擬飛行中可能出現(xiàn)的場(chǎng)景。在這些試驗(yàn)中，整個(gè)飛機(jī)的所有性能均被分析檢查。2013年2月，集成仿真器具備了首飛構(gòu)型后，開(kāi)始為期約3個(gè)月的虛擬首飛。在此期間，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)針對(duì)首飛期間可能出現(xiàn)的所有場(chǎng)景（包括100%的潛在故障情形，如電力喪失（應(yīng)急電力構(gòu)型）或發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的喪失情形）進(jìn)行了仿真，并對(duì)飛機(jī)行為進(jìn)行分析，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

在首架機(jī)MSN001首飛前，通過(guò)“0架機(jī)”已完成上千小時(shí)的測(cè)試驗(yàn)證，將首飛中所有可能的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。通過(guò)一系列試驗(yàn)，在首飛前，飛行機(jī)組和設(shè)計(jì)人員已經(jīng)對(duì)飛機(jī)及系統(tǒng)比較熟悉。當(dāng)然，試飛總會(huì)出現(xiàn)一些意外，但大多數(shù)情形已經(jīng)在首飛前被預(yù)測(cè)并改善。

通過(guò)在“0架機(jī)”上所進(jìn)行的大量高效的地面試驗(yàn)，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地進(jìn)行飛機(jī)級(jí)功能驗(yàn)證及故障診斷排查等，確保了飛機(jī)構(gòu)型及狀態(tài)在絕大部分時(shí)間就位，從而顯著縮短了試飛周期，尤其是研發(fā)試飛周期，從而使得A350飛機(jī)首飛后僅用13個(gè)月即取得了EASA頒發(fā)的TC證。

3 小結(jié)

試驗(yàn)驗(yàn)證是形成、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、確認(rèn)產(chǎn)品定義和保證產(chǎn)品持續(xù)處于安全、可用狀態(tài)必不可少的手段。因此，試驗(yàn)驗(yàn)證工作貫穿于型號(hào)研制的全過(guò)程，是各階段中必不可少的重要的證明方法。

本文介紹了國(guó)外主要的民機(jī)制造商在研制階段的試驗(yàn)驗(yàn)證框架體系，其完善的試驗(yàn)驗(yàn)證體系值得國(guó)內(nèi)民機(jī)主制造商深入研究，同時(shí)其先進(jìn)的大規(guī)模集成驗(yàn)證試驗(yàn)體系值得學(xué)習(xí)和借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]Boeing Standard Work Breakdown Structure （WBS） and Dictionary， Rev E， January 2006.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint