民用飛機整機低溫試驗中斷處理方法研究

楊欣磊，吳敬濤，唐揚剛，王群偉

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.中國飛機強度研究所，西安 710065）

隨著航空工業(yè)制造技術(shù)的日益發(fā)展，以及民航運輸運營體系的不斷成熟，越來越多的訂購方或使用者都對民用飛機的通用質(zhì)量特性提出了更高要求。由于民用飛機在使用過程中經(jīng)歷的氣候環(huán)境復(fù)雜，且易對整機機械結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵子系統(tǒng)部附件造成顯著劣化影響，因此對民用飛機耐受嚴酷氣候環(huán)境適應(yīng)性的評價考核是整機開展通用質(zhì)量特性工作過程中的重要環(huán)節(jié)[1-7]。

冬季航路上過低的氣候環(huán)境常常威脅飛行安全，并對飛機造成永久性的劣化和損傷，對民用飛機開展符合其壽命或運營剖面的氣候類環(huán)境試驗（最常見的即為低溫試驗）是對環(huán)境適應(yīng)性開展定性與定量評估的重要有效手段[8-12]。與單獨對民用飛機某個系統(tǒng)或者LRU開展低溫試驗相比，整機級低溫試驗在試驗設(shè)備資源、試驗程序、檢測科目、操作規(guī)程等方面都更加繁雜，試驗中任何細微的錯誤都將影響試驗的有效性，且對人力、經(jīng)濟、資源等成本造成直接影響，因此該類大型的低溫試驗也面臨著嚴酷度更高的試驗中斷風(fēng)險。

1 研究需求

目前國內(nèi)環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)嶒炇揖性囼灢僮饕?guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書，其中對試驗中斷的處理方式及流程進行了具體規(guī)劃，但這些單位基本不具備開展民用飛機整機級低溫環(huán)境試驗的軟硬件能力，因此無法按照飛機整機級試驗規(guī)模進行試驗中斷情況分析及處理方法研究。由于整機實施低溫試驗具有持續(xù)周期長、檢測項目多、試驗部署實施工作繁瑣等特點，因此試驗過程中可能出現(xiàn)導(dǎo)致試驗中斷無法按計劃進行的各種因素。這些因素可能致使試驗條件不符合大綱既定要求，可能導(dǎo)致整機結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生故障，試驗結(jié)果失真和無效，甚至可能對實驗室或試驗人員產(chǎn)生安全性傷害。這些情況的出現(xiàn)對飛行器研制單位、試驗承試單位將帶來不可預(yù)估的資源浪費與經(jīng)濟損害。因此，需要根據(jù)民用飛機整機低溫試驗的試驗條件、試驗流程、檢測項目，結(jié)合實驗室現(xiàn)場實際工作開展情況和作業(yè)規(guī)程，在試驗設(shè)計規(guī)劃階段研究分析試驗中可能出現(xiàn)的試驗中斷情況，以及針對特定中斷情況繼續(xù)開展后續(xù)試驗的處理方法。

2 基于GJB 150A的中斷情況研究

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有航空裝備產(chǎn)品的環(huán)境試驗標準進行調(diào)研梳理可知，當前提及“試驗中斷”及闡釋其處理方式的標準不多，常見標準是GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》。該標準于2009年5月由中國人民解放軍總裝備部發(fā)布，2009年8月開始全面施行，具有試驗項目全面、試驗方法剪裁靈活、試驗條件明確、試驗程序可實施性強等特點，已經(jīng)成為國內(nèi)環(huán)境工程領(lǐng)域的重要試驗標準[13-15]。

GJB 150A標準對于試驗中斷要求相關(guān)的內(nèi)容主要分布于第一部分的通用要求和其他各環(huán)境試驗項目的具體章節(jié)中。該標準將試驗中發(fā)生的中斷分為試驗條件參數(shù)偏移造成的中斷，以及試驗過程中發(fā)生故障導(dǎo)致的中斷。其中試驗條件偏移造成的中斷細化為過試驗中斷和欠試驗中斷，試驗過程故障導(dǎo)致的中斷細化為責(zé)任故障中斷和非責(zé)任故障中斷[16-18]。標準常見的中斷情況歸納見表1。

表1 實驗室中斷情況歸納 Tab.1 Summary of laboratory interruptions

通過對上述4種主要試驗中斷情況的分析歸納，可為后續(xù)以某型民用飛機為對象的整機級低溫試驗中斷情況分析及處理方法研究建立理論定義上的基礎(chǔ)。

3 某型民用飛機實驗室低溫試驗中斷情況分析

本試驗項目依托航空工業(yè)強度所某民機課題，以某型民用飛機作為試驗對象，根據(jù)該課題項目開展的整機級實驗室低溫試驗進程，研究分析上述4種中斷情況對受試對象、試驗設(shè)備、試驗結(jié)果造成的影響。根據(jù)試驗大綱和任務(wù)規(guī)劃，編制出低溫試驗剖面如圖1所示。

圖1 某型民用飛機整機級低溫試驗剖面 Fig.1 Low-temperature test profile of a complete civil aircraft

通過對試驗進程的跟蹤與調(diào)研，現(xiàn)將某型民用飛機整機開展低溫試驗過程中已知的中斷情況進行歸納分析。

3.1 由于試驗條件控制參數(shù)發(fā)生偏移導(dǎo)致的中斷

試驗項目所需要的設(shè)備控制精度要求高，且由于環(huán)境場地較大，整個試驗環(huán)境平臺的搭建都具有不確定度，因此很可能在試驗條件控制參數(shù)方面出現(xiàn)偏移導(dǎo)致中斷情況發(fā)生。

1）過試驗中斷：由于整機低溫試驗的試驗環(huán)境控制參數(shù)主要為實驗室溫度，且對溫度的允差數(shù)值進行了規(guī)定，因此一旦試驗過程中實測溫度低于設(shè)定溫度3 ℃以上，則滿足過試驗中斷的基本要素，實驗室相關(guān)人員應(yīng)采取相應(yīng)措施中斷試驗。

2）欠試驗中斷：與過試驗中斷的要素相同，當實驗室環(huán)境溫度無法達到規(guī)定溫度數(shù)值，且差值比3 ℃的允差值還要大時，即滿足欠試驗中斷的條件。為了避免無效時間累積造成資源浪費，實驗室相關(guān)人員應(yīng)采取相應(yīng)措施中斷試驗。

3.2 由于試驗過程發(fā)生故障導(dǎo)致的中斷

某型民用飛機低溫試驗的溫度環(huán)境應(yīng)力與外場低溫環(huán)境氣候相比嚴酷度等級相當，有可能直接造成飛機整機外部結(jié)構(gòu)的故障，如機械活動部件材料的脆化或膨脹、蒙皮材料的硬化等現(xiàn)象。加之飛機系統(tǒng)架構(gòu)龐大，內(nèi)部線路繁多，不同低溫臺階應(yīng)力還有可能引發(fā)密封失效、機內(nèi)流體流動性降低、風(fēng)擋玻璃及機艙透明表面產(chǎn)生靜疲勞、燃油燃燒效率降低等故障模式或退化表征，從而導(dǎo)致飛機各項主要功能性能的失效或劣化。此外，在試驗過程中有諸多檢測科目，需要實驗室配備大量的地面保障維護與測試設(shè)備，這些設(shè)備可能由于自身出現(xiàn)的故障或失效使得相關(guān)試驗檢測科目無法進行。將可能導(dǎo)致責(zé)任故障中斷和非責(zé)任故障中斷的試驗情況歸納如下：

1）責(zé)任故障導(dǎo)致的中斷。當某型民用飛機進行低溫試驗時，無論任何階段，一旦相應(yīng)功能、性能檢測出現(xiàn)“既定的功能不能實現(xiàn)或超出允差范圍的偏移”、“既定的性能指標不能滿足試驗大綱合格判據(jù)的要求”情況，或者地面專用配套設(shè)備（如壓力加油車、電源供電車、發(fā)動機啟動輔助氣源等）在低溫環(huán)境下喪失或偏移工作能力，且這些故障現(xiàn)象是由于嚴酷低溫環(huán)境應(yīng)力作用于整機或地面設(shè)備本體，則滿足責(zé)任故障的發(fā)生條件。試驗中具體檢測要求以相關(guān)單位的試驗大綱為準，如責(zé)任故障發(fā)生后，試驗方、研制方和使用部門會根據(jù)排故流程對試驗進行中斷處理并開展故障分析歸零流程。

2）非責(zé)任故障導(dǎo)致的中斷。當開展整機級低溫試驗時，實驗室環(huán)境狀態(tài)和受試飛機技術(shù)狀態(tài)也需要溫濕度傳感器、秒表、測力計、扭力扳手等儀器儀表工具進行維持。除此之外，試驗人員的操作規(guī)程必須符合實驗室規(guī)章制度。上述環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)偏差或失誤，就可能引起非責(zé)任故障發(fā)生。試驗中典型非責(zé)任故障見表2。

表2 整機級低溫試驗中典型非責(zé)任故障模式 Tab.2 Typical non-responsible fault mode of low-temperature test of complete civil aircraft

4 某型民用飛機實驗室低溫試驗中斷影響分析

對上述各項具體中斷情況進行分析，結(jié)合實驗室作業(yè)操作規(guī)程文件以及整機所屬各系統(tǒng)的故障模式及影響分析（FMECA）文件，可以得出不同中斷場景對飛機、試驗設(shè)備、試驗人員等造成的影響。對中斷影響進行等級劃分，以便后續(xù)制定相關(guān)處理程序及措施[19-20]。中斷影響等級劃分見表3。根據(jù)中斷影響等級的劃分，將歸納的各類中斷影響分析列舉于表4。

表3 中斷影響等級劃分 Tab.3 Classification of interruption impact levels

表4 整機級低溫試驗典型中斷影響分析 Tab. 4 Typical interruption impact analysis of low-temperature test of the complete civil aircraft

5 民用飛機整機級低溫試驗中斷處理方法研究

如果試驗過程中出現(xiàn)中斷情況，為了盡可能減少試驗損失，則應(yīng)該按照既定步驟對中斷情況進行處理。針對上述列舉的4種不同中斷類型及影響后果， 應(yīng)該采取不同實驗室中斷處理方法流程。

5.1 過試驗中斷處理方法

當中斷導(dǎo)致受試飛機或系統(tǒng)處于一個更嚴酷的低溫環(huán)境時，在停止施加溫度試驗應(yīng)力后，首先應(yīng)對飛機主要外觀材料、機械結(jié)構(gòu)和相應(yīng)系統(tǒng)功能性能進行大致的檢查，按照受試飛機或系統(tǒng)的狀態(tài)來進行相 應(yīng)的處理措施。

1）若受試飛機或系統(tǒng)檢測無異常狀況，應(yīng)確定當前狀態(tài)下已完成的試驗時間，該部分試驗時間由于是在更為嚴酷的試驗狀態(tài)下進行，所以應(yīng)當被歸納為有效試驗時間。當試驗條件控制參數(shù)即溫度恢復(fù)到試驗正常數(shù)值后，再進行后續(xù)試驗的計時，并依照試驗大綱完成后續(xù)系統(tǒng)各科目的測試。

2）若受試飛機或系統(tǒng)檢測當前無異常狀況，但后續(xù)繼續(xù)進行試驗時可能暴露出由于過試驗導(dǎo)致的故障現(xiàn)象，則上一段“已經(jīng)被歸納為有效試驗時間”的結(jié)論將無效，應(yīng)對相關(guān)部位進行故障定位與分析，并終止試驗。在上報試驗組成員后，對故障進行修復(fù)。排除故障后，在試驗組允許后，重新進行整機級的低溫試驗，直至完成。

3）若受試飛機或系統(tǒng)檢測時就出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，則說明過試驗應(yīng)力已經(jīng)對被試品產(chǎn)生了劣化影響，在對相關(guān)工作組進行情況說明后，開展故障定位與分析工作，并立即停止試驗。對故障進行修復(fù)，并排除故障，在試驗組允許后，重新進行整機級的低溫試驗直至完成。

其流程體系框架如圖2所示。

5.2 欠試驗中斷處理方法

中斷發(fā)生時，整機和各系統(tǒng)未經(jīng)歷相應(yīng)量級的環(huán)境應(yīng)力作用，整個試驗均應(yīng)被判定為無效的。在停止施加溫度應(yīng)力后，首先應(yīng)對飛機主要外觀材料、機械結(jié)構(gòu)和相應(yīng)系統(tǒng)功能性能進行大致的檢查，并判斷后續(xù)相應(yīng)開展的處理措施。

圖2 過試驗中斷處理方法流程 Fig. 2 Interruption treatment method process of over test

1）若受試飛機或系統(tǒng)在欠試驗的環(huán)境下檢測出故障現(xiàn)象，則說明相應(yīng)的功能性能并未達到被試品自身技術(shù)協(xié)議規(guī)定要求，此時應(yīng)停止試驗，并開展故障定位與分析工作。經(jīng)過歸零流程后，再擇機重新開展試驗。

2）若對受試飛機的檢測未出現(xiàn)任何異常情況，這是通常應(yīng)有的表現(xiàn)結(jié)果，此時應(yīng)將試驗環(huán)境恢復(fù)到應(yīng)有的低溫環(huán)境狀態(tài)，并觀察試驗設(shè)備的溫度（或濕度）應(yīng)力監(jiān)測數(shù)值記錄圖表，找到偏離允差值進入欠試驗狀態(tài)的時間點，該時間點之前的試驗時間均可判為有效時間。當試驗環(huán)境重新達到低溫試驗環(huán)境要求后，從此新的時間點開始繼續(xù)低溫試驗，直至總試驗時間達到要求。該處理方法應(yīng)基于“不滿足既定試驗條件下的試驗時間及中斷時間均不作為有效試驗時間”這一原則開展。

其流程體系框架如圖3所示。

圖3 欠試驗中斷處理方法流程 Fig.3 Interruption treatment method process of under test

5.3 責(zé)任故障中斷處理方法

責(zé)任故障導(dǎo)致的中斷發(fā)生后，應(yīng)該按照試驗大綱的要求，對責(zé)任故障發(fā)生時的相關(guān)信息進行記錄，包括故障發(fā)生時間、實時的環(huán)境應(yīng)力數(shù)值、受試飛機的工作狀態(tài)、電應(yīng)力大小、相關(guān)流體流量大小等。隨后將低溫試驗環(huán)境恢復(fù)至常溫并保持穩(wěn)定，同時注意清理因溫度變化而導(dǎo)致的過重濕氣和水漬，對受試飛機或系統(tǒng)進行故障定位與原因分析，對排故現(xiàn)場進行記錄并上報故障情況。

對于能夠現(xiàn)場定位解決的故障，應(yīng)在試驗工作組各方人員的現(xiàn)場目擊下進行故障分析與修復(fù)工作；對于現(xiàn)場無法解決的故障，經(jīng)參試各方共同分析判斷，確認故障不會對后續(xù)試驗產(chǎn)生影響的情況下，在做好相應(yīng)記錄后，轉(zhuǎn)場完成故障分析與修復(fù)工作，并確認故障前的有效試驗時間。最后按照故障歸零流程開展故障歸零工作，并上報試驗工作組擇時重新開展整機低溫試驗或從中斷前的有效試驗時間點開始繼續(xù)試驗。

其流程框架如圖4所示。

圖4 責(zé)任故障中斷處理方法流程 Fig.4 Interruption treatment method process of responsible fault

5.4 非責(zé)任故障中斷處理方法

非責(zé)任中斷情況發(fā)生時，應(yīng)及時明確故障來源，斷開故障源與被試品之間的交聯(lián)，并避免該非責(zé)任故障對被試飛機及各系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。隨即應(yīng)將實驗室低溫環(huán)境恢復(fù)到常溫，并保持穩(wěn)定，同時注意清理因溫度變化而導(dǎo)致的過重濕氣和水漬，并對故障儀器儀表進行維修或直接更換。如非責(zé)任故障時由于人員操作不當引起，則應(yīng)加強對試驗人員的培訓(xùn)與宣貫力度。如受試飛機或系統(tǒng)自身未出現(xiàn)異常，則中斷時間點之間的試驗時間可算作有效試驗時間，后續(xù)再將未完成試驗部分進行補全。

當出現(xiàn)影響等級嚴酷的中斷情況時，要首先保證實驗人員及場所的安全。如通油管路泄漏時應(yīng)立即切斷所有通電設(shè)備和供油設(shè)施并停止試驗，所有人員應(yīng)轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域，確認試驗現(xiàn)場無安全隱患后再對現(xiàn)場進行修復(fù)處理。當人員不慎受到嚴酷環(huán)境傷害時，應(yīng)立即將人員轉(zhuǎn)移撤出實驗室并進行相關(guān)救治，避免出現(xiàn)安全性事故。

其流程框架如圖5所示。

結(jié)合上述民用飛機整機級低溫環(huán)境試驗流程框架，結(jié)合實驗室實際工作流程規(guī)范，即可充分應(yīng)對試驗過程中的各種中斷現(xiàn)象，為試驗的合理性有效性建立保障支撐。

6 結(jié)語

文中開展了以某型民用飛機為研究對象的整機級低溫環(huán)境試驗中斷情況分析及中斷處理方法研究?；谲娪卯a(chǎn)品環(huán)境試驗標準GJB 150A對試驗中斷的定義，研究了低溫試驗中斷的4種基本情況并加以概述。根據(jù)某型民用飛機開展整機低溫環(huán)境試驗的環(huán)境剖面，分析研究了實驗室試驗過程中4種中斷類型發(fā)生時的具體情況及原因，分別列舉了研究中斷對試驗人員、設(shè)備、被試品造成的影響。針對中斷基本信息給出了相應(yīng)的實驗室處理方法，并結(jié)合試驗過程，構(gòu)建了整機實驗室低溫試驗中斷處理方法流程框架，使得試驗設(shè)計與操作人員能夠根據(jù)流程框架內(nèi)相關(guān)條目開展相應(yīng)處理實施工作。

圖5 非責(zé)任故障中斷處理流程 Fig.5 Interruption treatment method process of non-responsible fault