張翰 謝殿煌

摘 要：我國民用航空工業(yè)起步較晚，全機級系統(tǒng)綜合集成驗證試驗?zāi)芰εc試驗設(shè)施尚不健全，沒有達到工程實用、全飛行剖面模擬飛行的目標。在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻及開展原理性試驗的基礎(chǔ)上，充分分析飛機在環(huán)試驗原理及方法，明確了飛機在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，包括信號抽引、信號注入、仿真模型及試驗設(shè)備等，并提出開放測試口的方法，以提升飛機在環(huán)集成驗證技術(shù)成熟度到5級以上，為后續(xù)開展全機系統(tǒng)機上試驗打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：民機;飛機在環(huán)AIL;信號抽引;仿真模型;試驗設(shè)備

0 引言

由于現(xiàn)代民用飛機越來越多地采用高度復(fù)雜且綜合的機載系統(tǒng)，民用飛機系統(tǒng)綜合驗證是大型民用飛機設(shè)計集成驗證的重點工作，直接影響飛機機型研制進程[1-2]。機載系統(tǒng)涉及面很廣，彼此之間的需求和功能相互耦合，信號多級交聯(lián)，增加了機載系統(tǒng)綜合驗證的難度與復(fù)雜性，因此民機制造商迫切需要找到一種更高效的系統(tǒng)綜合驗證方案?！帮w機在環(huán)”即選擇“地面飛機”為驗證環(huán)境，攻克了信號注入、仿真模型、信號抽引和試驗設(shè)備等核心關(guān)鍵技術(shù)，提高了民機系統(tǒng)的綜合集成驗證能力，為后續(xù)開展全機系統(tǒng)機上地面試驗打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)[3-4]。

國外飛機制造商波音、空客通過多年實踐，不僅積累了豐富的系統(tǒng)綜合驗證經(jīng)驗，而且結(jié)合自身特點，不斷發(fā)展自己獨特的系統(tǒng)綜合驗證方式，從而提高系統(tǒng)綜合驗證能力，縮短驗證時間并降低系統(tǒng)驗證成本[5-9]。如波音公司在777飛機上成功實施了全機系統(tǒng)集成驗證試驗，創(chuàng)造了飛機在環(huán)AIL概念[10-13]（Aircraft-In-the-Loop，簡稱AIL）;之后在787飛機上開發(fā)了模塊化研發(fā)試驗臺，并且利用系統(tǒng)試驗件測試注入口與信號抽引口，進一步完善了飛機在環(huán)AIL的系統(tǒng)綜合驗證方式[14-15]。

我國民用航空工業(yè)起步較晚，雖然已在某型號飛機集成驗證試驗中建立了鐵鳥試驗臺、航電綜合試驗臺和電源試驗臺，并且進行了兩鳥聯(lián)試和三鳥聯(lián)試，但受已有條件限制，尚沒有實現(xiàn)基于飛行剖面模擬飛行的全機系統(tǒng)綜合試驗，也未達到飛機級功能需求驗證水平[16-18]。我國民機系統(tǒng)試驗驗證能力與國外全機系統(tǒng)地面綜合驗證能力尚存在較大差距，對飛機在環(huán)這種更逼近真實飛機與真實運營場景的前沿領(lǐng)域研究幾乎為空白，因此本課題可供參考的文獻與技術(shù)資料非常有限，這也對本文的深入研究造成了一定困難。

飛機在環(huán)是對民機集成驗證手段的變革，代表了目前最先進的集成驗證水平。本文結(jié)合某大型民機研制過程，充分分析飛機在環(huán)試驗原理及方法，明確飛機在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，包括信號抽引、信號注入、仿真模型和試驗設(shè)備等的相關(guān)要求，并提出開放測試口的方法，可為真實的飛機在環(huán)綜合驗證試驗提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 飛機在環(huán)（AIL）技術(shù)難點分析

開展飛機在環(huán)AIL試驗，需要從全機系統(tǒng)試驗驗證需求出發(fā)，提出合理的技術(shù)方案，重點解決機載信號抽引、信號注入、仿真模型與試驗設(shè)備等問題，設(shè)計一套正確、有效、可工程實施的飛機在環(huán)AIL方案，包括完備、詳細的試驗設(shè)備技術(shù)、信號注入及信號抽取技術(shù)方案和要求，并評估飛機在環(huán)AIL相應(yīng)的工程更改，其基本框架見圖1。

2 飛機在環(huán)AIL關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)一——飛機在環(huán)AIL信號抽引

機載系統(tǒng)信號是飛機仿真模型的計算輸入，數(shù)據(jù)能否抽引提取或抽引方法將直接影響飛機在環(huán)大閉環(huán)仿真試驗。同時，系統(tǒng)實時性也直接關(guān)系到飛行品質(zhì)評判，通過飛機系統(tǒng)試驗件抽引口進行數(shù)據(jù)抽引，對實時性也有很高要求。

根據(jù)公開資料顯示，對于大氣數(shù)據(jù)計算機、慣導計算機等飛機在環(huán)試驗的關(guān)鍵LRU設(shè)備，國外主制造商通常專門提出信號注入與抽引接口及試驗方法。如波音全機系統(tǒng)綜合試驗臺具備試驗測試口，灣流鐵鳥綜合試驗臺、龐巴迪鐵鳥綜合試驗臺也均開放類似測試口。同時，大部分系統(tǒng)供應(yīng)商利用LRU的信號注入口進行數(shù)據(jù)注入與抽引，從而對LRU單元進行自動化測試。

如圖2所示，信號注入與抽引是保證不破壞原有飛機真實電纜，實現(xiàn)飛機在環(huán)AIL全飛行剖面場景試驗的關(guān)鍵，需要在飛機早期階段提出開放信號注入與抽引口需求。由于不同系統(tǒng)試驗件供應(yīng)商的測試口概念不同，其接口形式也有很大區(qū)別，有以太網(wǎng)口、485口或232口，必然提高了信號注入的復(fù)雜性和難度。結(jié)合飛機在環(huán)AIL試驗需求，如何讓系統(tǒng)供應(yīng)商開放測試口，并針對此研發(fā)相應(yīng)試驗設(shè)備，將直接影響飛機在環(huán)試驗進程。

根據(jù)已有國外型號LRU信號注入口的經(jīng)驗，慣導系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電導航系統(tǒng)、綜合監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)具備信號抽引與注入功能，同時需重點加強與國內(nèi)系統(tǒng)供應(yīng)商的工作協(xié)調(diào)，提出相應(yīng)的飛機在環(huán)AIL試驗需求，保證機載系統(tǒng)信號能夠具備高實時性閉環(huán)條件，使試驗順利進行。對于一些供應(yīng)商不提供的信號抽引口可以綜合內(nèi)部知識體系自行解決，對信號進行調(diào)制解調(diào)等，從而滿足信號傳輸要求，進一步健全飛機在環(huán)AIL信號抽引。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)二——飛機在環(huán)AIL信號注入

信號注入是保證飛機電纜完整性的關(guān)鍵步驟與基本原則，是保證不破壞原有飛機電纜，實現(xiàn)飛機在環(huán)AIL全飛行剖面場景試驗的關(guān)鍵。如果破壞了飛機電纜，等于破壞了飛機在環(huán)試驗基礎(chǔ)。

開放信號注入口是飛機頂層設(shè)計JCDP提出的，目前已進入全面試制階段，若在后期提出必然會增加設(shè)計成本與改裝成本，而且部分系統(tǒng)試驗件也存在根本沒有測試口的問題。需要確定C919飛機在環(huán)AIL信號注入方法在動力、飛控及航電等機載系統(tǒng)試驗件上能夠進行工程實施，并在此基礎(chǔ)上保證不破壞原有連接電纜及飛機在環(huán)AIL驗證的順利進行。

通過收集與查找相關(guān)文獻了解國外最新的信號注入技術(shù)。經(jīng)公開資料顯示，國外制造商通常將信號注入技術(shù)落實到SOW中，大部分系統(tǒng)供應(yīng)商利用電子LRU的信號注入口對LRU單元進行自動化測試，比如波音公司的全機系統(tǒng)綜合試驗臺、灣流的鐵鳥綜合試驗臺以及龐巴迪的鐵鳥綜合試驗臺都具有開放測試口功能。因此，在吸收國外現(xiàn)有測試口基礎(chǔ)上，開發(fā)靜壓總壓信號注入口、飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)注入口、大氣穩(wěn)定信息注入口、高度信息注入口、發(fā)動機相關(guān)信息注入口等，擬注入信號如表1所示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)三——飛機在環(huán)AIL仿真模型開發(fā)

仿真模型是飛機在環(huán)AIL的核心，也是全飛行剖面場景試驗的基礎(chǔ)。此外，仿真模型也是飛機系統(tǒng)供應(yīng)商的核心，尤其是發(fā)動機仿真模型，給飛機在環(huán)AIL帶來了極大挑戰(zhàn)。

仿真模型是產(chǎn)生飛機傳感器數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，但由于仿真模型是企業(yè)的核心機密，國內(nèi)外相關(guān)資料有限，特別是發(fā)動機本體模型，國外更是完全封鎖信息，因此仿真模型的搭建完全依靠摸索前進。由于缺少經(jīng)驗積累，導致現(xiàn)階段仿真模型的置信度較差。同時，建立仿真模型與功能邏輯模型，用于仿真與試驗一體化對比驗證，可以加快研發(fā)試驗進度。

如何構(gòu)建發(fā)動機模型一直是行業(yè)內(nèi)的難點，國內(nèi)現(xiàn)有物理仿真平臺相對較為完善，能夠建立完整的燃油系統(tǒng)模型，也具備充分的理論基礎(chǔ)與完備的技術(shù)設(shè)備，可以為發(fā)動機建模提供技術(shù)支撐。其中全球地景色、配平模型、起落架、剎車模型可由國內(nèi)外供應(yīng)商提供，飛機的大氣環(huán)境模型、氣動模型、地效模型及風模型可直接采用現(xiàn)有模型。

在飛機在環(huán)設(shè)計初期，需要與發(fā)動機供應(yīng)商進行工作協(xié)調(diào)，提出飛機在環(huán)AIL試驗仿真模型需求，獲得封裝的發(fā)動機本體模型與接口匹配方案，并完善仿真模型開發(fā)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)四——飛機在環(huán)AIL試驗設(shè)備研制

試驗設(shè)備是飛機在環(huán)AIL試驗的重要組成部分，也是飛機機載系統(tǒng)完成閉環(huán)試驗的樞紐?？梢苿邮揭暰跋到y(tǒng)直接影響模擬飛行效果，通過將可移動式方艙直接與地面飛機交聯(lián)，實現(xiàn)信號注入與信號抽引，進而實現(xiàn)飛機仿真模型的實時運行，直接控制激勵設(shè)備[19-21]。此外，試驗設(shè)備是實施信號抽引、信號注入與實時仿真計算的載體，直接影響大閉環(huán)試驗的有效性。現(xiàn)階段比較通用的20路以太網(wǎng)與RS-485通信，難以保證實時性，高速率仿真模型實時運行也面臨接口匹配問題。飛機在環(huán)試驗要全面結(jié)合地面飛機，設(shè)計出合理、工程可實施的試驗設(shè)備，同時也必須保證試驗之后二者能夠緊密匹配，以備后續(xù)使用。

根據(jù)公開資料顯示，波音公司已經(jīng)設(shè)計了可移動試驗平臺與可移動式視景系統(tǒng)，以完成飛機在環(huán)AIL試驗任務(wù)，試驗設(shè)備如表2所示。

可移動式視景系統(tǒng)為飛行員提供三維實景，同時模擬飛機飛行環(huán)境，直接影響模擬飛行效果。同時，需綜合考慮可移動視景系統(tǒng)設(shè)備的電氣與機械接口，在保證系統(tǒng)高處理能力和高實時性基礎(chǔ)上，避免對飛機本體的物理損傷。

可移動式方艙直接與飛機本體接口對接，實現(xiàn)機載系統(tǒng)信號注入與信號抽引，繼而達到飛機閉環(huán)狀態(tài)。同時，方艙保證仿真模型的實時運行，且直接控制激勵設(shè)備，可移動方艙與視景系統(tǒng)設(shè)備實時連接，并將模型運算結(jié)果進行實時三維顯示。

主要試驗設(shè)備要求如下：

（1）信號抽引功能。實時抽引油門桿位置信號、飛機系統(tǒng)信號等，為飛行仿真提供輸入。

（2）數(shù)據(jù)采集功能。實時采集飛機舵面位置信號、飛機系統(tǒng)信號等，為試驗分析提供數(shù)據(jù)支持。

（3）實時飛行仿真功能。實時計算飛機六自由度參數(shù)和空速，通過發(fā)動機Mini-Rig實時計算發(fā)動機推力。

（4）飛行視景模擬功能。研制可移動式視景系統(tǒng)，為飛行員提供三維實景，由飛行仿真系統(tǒng)發(fā)出飛行姿態(tài)信號驅(qū)動，并從全球地形數(shù)據(jù)庫里讀取高度信號，以模擬真實飛行視景。

（5）信號注入功能?？梢苿臃脚摳鶕?jù)飛機閉環(huán)飛行狀態(tài)，發(fā)出空速、馬赫數(shù)、攻角等信號，注入真實的大氣數(shù)據(jù)計算機，以實時模擬飛機飛行狀態(tài)。同時，可移動方艙發(fā)出飛機姿態(tài)、速率、加速度等飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)，實時注入慣導系統(tǒng)計算機，以模擬飛機姿態(tài)。

（6）機載導航系統(tǒng)激勵?？梢苿臃脚摪l(fā)出高度等信號注入無線電高度接收機、測距機（DME）、伏爾VOR等，完成模擬導航飛行任務(wù)。

（7）機載傳感器激勵功能。通過轉(zhuǎn)臺、總靜壓模擬器等物理激勵設(shè)備，以及AOAS、ADM等機載傳感器，測試在真實傳感器激勵狀態(tài)下的飛機性能。

（8）起落架剎車系統(tǒng)仿真功能?？梢苿臃脚摪l(fā)出輪載等信號注入起落架系統(tǒng)計算機（LGCU），以模擬起落架的收起和放下狀態(tài)。同時，可移動方艙發(fā)出輪速信號注入剎車系統(tǒng)計算機（BCU），以驅(qū)動剎車模型模擬剎車狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文從飛機級驗證需求出發(fā)，通過查閱各種資料，并借鑒波音公司的飛機在環(huán)理念，對飛機在環(huán)AIL面臨的關(guān)鍵技術(shù)進行全面論證，綜合考慮與各個機載系統(tǒng)供應(yīng)商協(xié)調(diào)仿真模型、測試口和注入口，與試飛中心協(xié)調(diào)設(shè)計、更改地面設(shè)備及部分研發(fā)試驗科目等各種情況。經(jīng)過分析與論證，完成了信號抽引技術(shù)方案與替換方案、信號測試注入口技術(shù)要求與替代方案、仿真模型封裝要求與仿真模型接口要求，以及合理的、工程可實施的試驗設(shè)備技術(shù)方案，從而保證后期飛機在環(huán)AIL能夠順利進行。

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