民用飛機測試體系的討論

梁志國，尹肖，孫浩琳，張大治

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京 100095)

0 引言

測試是對給定的產(chǎn)品、材料、設(shè)備、生物體、物理現(xiàn)象、過程或服務(wù)按規(guī)定的程序確定一種或多種特性的技術(shù)操作，也可將其理解為測量和試驗的綜合。測試性是產(chǎn)品能及時、準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。

民用飛機測試是一個龐大而復(fù)雜的概念，其內(nèi)容眾多而龐雜，任務(wù)大小不一，階段各個不同，主體單位眾多[1-10]。雖然我國民用飛機測試發(fā)展了多年，但對于是否形成一個體系，一直存在爭議。

測試一直處于任務(wù)驅(qū)動模式，本行業(yè)的實際行為多數(shù)處在學(xué)習(xí)和模仿先進國家的階段[11-15]。實質(zhì)上處于無行為主體、無行業(yè)監(jiān)管、無準入門檻、無從業(yè)資質(zhì)要求的狀態(tài)。其構(gòu)成體系的核心和構(gòu)成要素不明晰。

目前，我國測試行業(yè)處于應(yīng)急滅火狀態(tài)，當出現(xiàn)故障或事故迫究責任時，才想起用測試手段診斷以解決問題。我國測試行業(yè)從整體上缺乏全面布局、規(guī)劃發(fā)展的思想。例如：測試行業(yè)缺乏對被測試對象的主體功能和性能的測試和關(guān)注。測試人員缺乏對測試體系內(nèi)涵的了解，民用飛機測試行業(yè)與整個測試行業(yè)的現(xiàn)狀大體一致。

民用飛機測試行業(yè)與測試有關(guān)的工作均是以試驗任務(wù)來驅(qū)動，其對測試的理解是：試驗中的測量。從本質(zhì)上說明測試僅僅是依附于試驗的輔助事宜。本文后續(xù)內(nèi)容，主要針對民機測試體系的內(nèi)涵、構(gòu)建等進行闡述與討論，并試圖給構(gòu)建民機測試體系的人們提供一種思路和參考。

1 測試的任務(wù)

關(guān)于測試本身的任務(wù)，在航空行業(yè)一直存在共識[16]，主要包括：①故障診斷；②極限特性的探求和獲?。虎厶卣鲄⒘孔兓秶暮蓑炁c確認；④功能正常性的檢查核驗與確認；⑤多變量狀態(tài)的同步與時序核驗確認。它們存在于民用飛機從設(shè)計研制、試飛、定型、生產(chǎn)、使用維護、修理的各個階段。在不同階段，承擔的測試任務(wù)不同，實施測試的主體不同，想要達到的測試目標也截然不同。

例如，研制階段的飛機整機結(jié)構(gòu)強度的靜力試驗[17]，其任務(wù)就是在3～6個月的時間里，確定飛機能夠安全承載的最大靜力量值是多少；耐久性疲勞強度試驗，其任務(wù)則是在8～10年里，確定飛機安全飛行的疲勞壽命是多少。

研制階段的各種離散源沖擊試驗，也是確認各種情況下的飛機安全性能的試驗。例如：鳥撞試驗，以不同速度狀態(tài)的仿真鳥，用空氣炮水平射擊飛機頭部以核驗飛機頭部損傷程度，來確認是否符合要求；水平冰擊試驗，采用不同顆粒與不同硬度的冰粒，以不同速度水平擊打飛機頭部，來核驗飛機頭部損傷程度，以確認是否符合要求；假人水平?jīng)_擊試驗，對安置在飛行座椅上且安裝了各種傳感器的仿真人，使用水平空氣炮發(fā)射1～20 g范圍內(nèi)的水平加速度沖擊激勵(半正弦或三角波等波形)，通過對假人腰椎、頸椎等承載的力、力矩、加速度、位移等量的測量，核驗飛機抗擊水平?jīng)_擊的水平，確認是否符合要求；擺錘擊胸、擊頭試驗，則是通過使用擺錘，對安置在飛行座椅上且安裝了各種傳感器的仿真人，進行錘擊胸部和錘擊頭部試驗，通過對假人腰椎、頸椎等承載的力、力矩、加速度、位移等量的測量，核驗飛機抗擊擺錘沖擊水平，確認是否符合要求。起落架落震試驗，通過將安裝在試驗工裝上的飛機起落架提升幾十厘米至2 m高，在機輪不同轉(zhuǎn)速下自由落體著陸，判斷造成的損傷，核驗飛機抗擊跌落沖擊水平，確認是否符合要求;起落架擺振試驗，通過將安裝在試驗工裝上的飛機起落架提升幾十厘米至2 m高，以不同角度自由落體至高速運動的地表，通過產(chǎn)生的側(cè)向扭轉(zhuǎn)的回復(fù)周期，判斷起落架抗擊擺振的性能水平，確認是否符合要求;全機落震試驗[14]，則通過將飛機全機提升幾十厘米至2 m高，自由落體著陸，以此判斷造成的損傷，核驗飛機抗擊跌落沖擊水平，確認是否符合要求。

著名的十大試驗臺[6]，主要針對飛機地面試驗的系統(tǒng)：①飛行控制系統(tǒng)試驗臺；②飛行品質(zhì)模擬試驗臺；③燃油系統(tǒng)模擬試驗臺；④電網(wǎng)模擬試驗臺；⑤環(huán)控系統(tǒng)模擬試驗臺；⑥液壓系統(tǒng)模擬試驗臺；⑦進氣道調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬試驗臺；⑧航空電子綜合模擬試驗臺；⑨座艙蓋模擬試驗臺；⑩座艙照明模擬試驗臺。另外，各種航空發(fā)動機試驗臺、試車臺，各類風(fēng)洞等也屬此類。

以飛機機載設(shè)備為例，有以下幾大類典型的系統(tǒng)需要進行測試驗證與確認[7]。①飛控系統(tǒng)：包括遠控電傳(或液壓)操縱系統(tǒng)，自動駕駛系統(tǒng),組合導(dǎo)航設(shè)備(雷達導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航計算機系統(tǒng)、航向信息系統(tǒng)、無線電羅盤、高度信息系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)計算機和進場的儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)等)，以及防冰、防撞系統(tǒng)等；②綜合座艙顯示系統(tǒng)；③機載自動監(jiān)控系統(tǒng)：包括飛行參數(shù)記錄裝置，機載檢測和告警系統(tǒng)等；④綜合通訊系統(tǒng)：包括超短波電臺、短波電臺、機內(nèi)通話器、語音報警器、計算機等；⑤機載電源系統(tǒng)；⑥環(huán)控系統(tǒng)；⑦氣象雷達系統(tǒng)。

特別重要的飛行性能的試飛任務(wù)，則有更多的試驗需要測試來驗證完成。

另外，有關(guān)民機適航性要求的眾多規(guī)定，內(nèi)容要求貫穿于設(shè)計、試驗、試飛、制造、使用維護等各個階段[18-19]。盡管規(guī)定得很籠統(tǒng)，也是建立在測試試驗的基礎(chǔ)上的驗證和確認過程。

從本質(zhì)上說，這些均是民機測試相關(guān)的任務(wù)對象，為民機測試的主戰(zhàn)場。

實際上，對于民用飛機，適航規(guī)章和標準可看做一個體系，其主要是安全有關(guān)的標準，規(guī)定了民用飛機若想通過適航認證，必須滿足的一系列要求，包括設(shè)計和制造階段的初始適航性，及使用和維護階段的持續(xù)適航性。其中，一部分要求直接與測試有關(guān)，另外的部分，很多只是技術(shù)要求。標準的不同條目之間，從表面看并沒有明確的邏輯關(guān)系，實質(zhì)上，每一條標準的后面，都隱含著一系列適航事故造就的血的教訓(xùn)。因而，從適航標準有關(guān)的測試系列要求，僅僅可以抽象出安全體系的內(nèi)涵與框架，難以抽象出民機測試體系的內(nèi)涵與框架。

2 測試體系的概念

“測試歷來無體系，測試工作不成體系?！边@樣的結(jié)論有些武斷和絕對，但也不無道理。這主要是因為測試雖然滲透到幾乎每一項實際工作之中，但在多數(shù)情況下都處于從屬地位，另外，測試分類偏雜，其任務(wù)也偏雜，且無定數(shù)，總在變化過程之中。我國航空工業(yè)在自主研發(fā)方面的能力比較薄弱，自主探求極限特性和特征為主的主動測試行為較少，使得故障診斷、符合性驗證類的被動測量行為占據(jù)主導(dǎo)地位，而測試或為輔助地位，僅僅作為一種工程手段。總體而言，有三種典型的測試活動：

1)性能測試，就單參量的量值而言，實質(zhì)上是被測參量極限區(qū)間的邊界確認，也可以是過程特征值的邊界確認，或過程變化規(guī)律的符合性確認；對于多參量量值，還可能包括它們之間的同步、時序、因果關(guān)系等的驗證與確認。校準過程類似于性能測試，屬于計量性能的符合性驗證確認行為。

2)功能測試，實質(zhì)上是其功能符合性的驗證與確認。

3)故障診斷，針對功能達不到預(yù)期要求，或性能達不到預(yù)期要求情況，以測試為手段進行故障定位、故障分離、故障判斷等。為故障排除提供技術(shù)依據(jù)，通常多數(shù)屬于功能測試，但也可從屬于性能測試。

無論哪一種測試，都包含“人”、“機”、“料”、“法”、“環(huán)”五個主要要素。“人”為實施測試的主體，可以是技術(shù)機構(gòu)、生產(chǎn)試驗單位、部門，最終落實到實施者，以及相應(yīng)的管理者；“機”是測試所用的儀器、設(shè)備、標準器具、裝置、設(shè)施等，是測試得以實現(xiàn)的物質(zhì)條件；“料”是被測對象及測試需求，可以是單項或多項，可以是功能或性能；為測試的基本要求；“法”是測試所依據(jù)的方法、標準、規(guī)范，以及測試結(jié)果的處理與呈現(xiàn)；“環(huán)”是測試所需要的環(huán)境條件。

圍繞測試對象的測試目標，各項測試要素的集合，構(gòu)成被測對象的測試體系，包括以下幾方面體系：

①人才體系，即測試人力資源體系，測試任務(wù)的實施者，構(gòu)成測試人才隊伍體系，又可分為測試管理隊伍體系和測試工程技術(shù)隊伍體系。

②資源體系，即測試設(shè)備資源體系，是測試實踐中的標準儀器和設(shè)施集合。

③任務(wù)體系，由各種不同的測試需求的總集合構(gòu)成測試任務(wù)體系。

④方法體系，由測試方法、標準、規(guī)范、法規(guī)等集合構(gòu)成測試原理、方法、法規(guī)體系。

⑤環(huán)境體系，由特殊的多種不同要求的、成體系的環(huán)境條件與設(shè)施構(gòu)成環(huán)境條件體系。

⑥民用飛機測試體系，是圍繞民用飛機測試任務(wù)及目標構(gòu)建的全局性的工作與發(fā)展體系，有明確的目的、基本的任務(wù)需求、規(guī)范的技術(shù)要求、可用的技術(shù)結(jié)論、良好的發(fā)展態(tài)勢。

3 民用飛機測試體系的構(gòu)建

當明確測試體系所包含的要素之后，便可以主動規(guī)劃和構(gòu)建適用于不同對象的測試體系，并不斷完善和發(fā)展。天然形成的測試資源和測試力量，靠的是利益驅(qū)動和需求牽引而產(chǎn)生，往往不完備、不系統(tǒng)。

任何一個工業(yè)產(chǎn)品，若想達到安全性、可靠性、維修性、測試性、計量性五個方面的基本要求，并在使用維護中順利實施，需要在設(shè)計階段就予以考慮。若設(shè)計時考慮不全面，后期將難以補救。因此，若非主動構(gòu)建測試體系，僅靠利益驅(qū)動和需求牽引，很多測試任務(wù)是無法在實際工作中順利完成的。因為設(shè)計方和測試方并非同一主體，產(chǎn)品使用方對設(shè)計方的技術(shù)要求并不能做到如此完備而具體，而對于不屬于自身必須要求的技術(shù)特性，設(shè)計方往往選擇忽略，從而導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏測試性特征。

主動構(gòu)建測試體系的情況則不然，它是建立在詳細的測試需求分析基礎(chǔ)上，經(jīng)過利害分析、目標分析、技術(shù)要求分析、技術(shù)任務(wù)分解、實施方式的驗證與確認，經(jīng)主動構(gòu)建和持續(xù)運營與完善。它包含測試管理體系、測試技術(shù)體系、測試監(jiān)督體系，從產(chǎn)品概念提出和技術(shù)設(shè)計階段就予以考慮測試性問題，以及包括測試順利實現(xiàn)的“人”、“機”、“料”、“法”、“環(huán)”的全部測試要素。在系統(tǒng)內(nèi)達成共識，系統(tǒng)外獲得認可。以飛機為例，可構(gòu)建如下圖1所示的測試體系框架。

由圖1可見，若將民用飛機全壽命周期分為設(shè)計研制、地面試驗、試飛定型、工程制造、使用維護5個階段，每一階段都可分析整理出若干測試任務(wù)，而每一個測試任務(wù)又都擁有若干個測試目標。針對每一個具體的測試任務(wù)的若干個測試目標，設(shè)計構(gòu)建相應(yīng)的測試系統(tǒng)，按照標準化的測試方法與流程，獲得測試結(jié)果，最終處理獲得明確的測試結(jié)論，從而完成測試任務(wù)。

圖2所示為民用飛機測試體系的量值溯源框架，其中可見，民用飛機各個測試系統(tǒng)所涉及的量值，均需通過各種校準方法溯源到上級計量標準，從而確保測試所獲得的結(jié)論的準確無誤，沒有進行量值溯源的測試數(shù)據(jù)所獲得的結(jié)論不具備可信性。關(guān)于這一點，測試校準實驗室認可準則中已明確表述，不再贅述。

圖1 民用飛機測試體系框架

圖2 民用飛機測試體系量值溯源框架

從這里可知，民用飛機測試體系構(gòu)建包括：①梳理出各個階段的全部測試任務(wù)，將其變成標準化測試任務(wù)體系；②針對每一項測試任務(wù)，制定完善的測試目標系統(tǒng)，并以此構(gòu)建相應(yīng)的測試系統(tǒng)，全部測試任務(wù)的各個測試系統(tǒng)，構(gòu)成民機測試系統(tǒng)體系；③全部測試所依賴的理論、方法，構(gòu)成測試的理論方法體系，應(yīng)以手冊、標準、規(guī)范、規(guī)程、條例、大綱等各種形式，將其規(guī)范化、系統(tǒng)化和標準化，構(gòu)筑民機測試理論方法及法規(guī)體系；④針對全部測試任務(wù)所涉及的物理量值，構(gòu)建完備的如圖2所示的量值溯源鏈，將它們有效溯源到上級計量標準；也可將其稱之為編織完善的量值溯源鏈，構(gòu)筑完整的量值溯源體系；⑤整合各個階段、不同單位和部門的測試管理人員與測試技術(shù)人員，構(gòu)建民機測試人才隊伍體系；該隊伍的從業(yè)單位與部門，應(yīng)該通過相應(yīng)測試實驗室認可準則的認可[20]，作為測試行業(yè)的最低入門要求。

4 討論

從上述過程可見，民機測試體系實際上包含了任務(wù)體系、硬件能力體系、理論方法體系、技術(shù)法規(guī)體系、量值溯源體系、人才隊伍體系等方面的內(nèi)涵。若想讓其完整有效，需要進行頂層設(shè)計與行業(yè)管理。在飛機設(shè)計階段，同步分析其測試任務(wù)體系，同時考慮其測試體系構(gòu)建問題，并按照安全性、可靠性、維修性、測試性、計量性五個方面的基本要求，進行測試體系的設(shè)計構(gòu)建，并將其標準化、文件化和制度化[21]。

特別是測試系統(tǒng)的計量溯源問題，在許多以故障診斷和定位為目標的測試活動中，并未給予應(yīng)有的重視，從而也影響了以性能獲取為目標的測試活動的量值溯源理念。若不在設(shè)計建造階段同時進行計量性設(shè)計，會導(dǎo)致測試系統(tǒng)的許多量值，在實際工作中無法進行有效溯源[8-9]，因而給依賴定量量值給出測試結(jié)論的測試工作帶來巨大隱患，這也是很多復(fù)雜測試系統(tǒng)的典型缺陷，幾乎每一個飛機制造廠，都有一些無法完整溯源的測試設(shè)施與系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

通過討論民用飛機測試系統(tǒng)的內(nèi)涵，分析測試體系框架如何構(gòu)建。民機測試體系技術(shù)框架其分為5個不同階段，以測試任務(wù)為驅(qū)動進行全面考慮，并從任務(wù)體系、硬件能力體系、法規(guī)體系、溯源體系、人才隊伍五個方面，系統(tǒng)闡述了民用飛機測試體系的內(nèi)涵。