民用飞机机载设备振动试验要求和应用分析（二）

祝耀昌，李韻，徐俊，王星皓

（1.中航工业综合所 北京 100028；2.西测环境试验中心，西安 710119）

环境试验与评价

民用飞机机载设备振动试验要求和应用分析（二）

DO 160F/G民用固定翼飞机机载设备振动试验要求

祝耀昌1，李韻2，徐俊1，王星皓1

（1.中航工业综合所 北京 100028；2.西测环境试验中心，西安 710119）

阐述了民用飞机机载设备振动环境的特点和振动试验分类，归纳和汇总了DO 160 F/G 中的各类民用飞机机载设备的振动试验要求，包括振动谱、振动量值和试验持续时间等，并进行了分析和说明，以便于查阅和使用。最后对民用飞机机载设备振动试验方法的应用进行了概括，介绍了民用固定翼飞机的机载设备振动试验要求，按设备在机上的区域不同进行分类，详细地对比说明各个位置上设备的振动试验要求；介绍了民用直升机的机载设备振动试验要求。

民用飞机；机载设备；振动试验

近年来，我国民用飞机制造业发展迅速，支线客机ARJ21基本通过适航取证，大客机C919也将于明年下线投入试飞[1—3]。目前这些飞机所用的发动机和机载设备主要还是依靠国外供应商，这表明航空发动机和主要机载设备仍然是制约我国民用飞机制造业大规模发展的瓶颈[4]。按规定无论是飞机和发动机，还是飞机和发动机上的机载设备，在其投入使用前，都应通过适航取证，以确保能正常运行和飞行安全。适航取证过程的重要环节是经历一系列的规定试验[5—6]。对于机载设备来说，则应通过一系列的环境试验，以证明其在民用飞机运行中遇到的各种环境因素的作用下，其机载设备均能满足最低性能标准的要求。

目前民用飞机机载设备适航取证使用的环境试验标准主要是美国航空无线电技术委员会（RTCA）制定的RTCA DO 160系列的标准。该标准的编号最初为DO 138，后来改为DO 160[7]，DO 160经历7次修订，目前已发展为DO 160 G。其包含的试验项目越来越完整，各试验项目中的试验程序越来越科学合理。必须指出DO 160系列标准主要适用于电子设备，不是民用飞机机载设备适航取证用的唯一环境试验标准，大多数机械、液压设备则使用其TSO（技术标准规定）指定或直接规定的环境试验方法[8]。

1　振动谱和振动量值

1.1 已知频率

民用直升机上机载设备遇到的是宽带随机上叠加正弦振动环境[9—10]，振动谱型如图1所示。

该谱型中的宽带随机部分的频率范围为10～2000 Hz，性能试验量值为0.01 g2/Hz，其加速度均方根为2.75g，功能试验量值为性能试验量值的2倍，即0.02 g2/Hz，其加速度均方根值为3.89g。所有区域设备振动谱的随机部分都是一样的。

图1 直升机正弦叠加随机振动试验曲线Fig.1 The sinusoidal superposition random vibration test curve of helicopter

正弦峰值的频率和峰值量值则取决于主旋翼M桨叶通过频率（f1）、尾桨T桨叶通过频率（f2）、发动机E旋转频率（f3）和主减速箱G旋转频率（f4）。主旋翼和尾桨的一阶通过频率均为其旋转频率与桨叶数（N）的乘积。图1中各频率上的正弦峰值根据确定的频率所属范围按表1计算或直接查阅该频率处振动性能试验和振动功能试验量值[11]。从表1中40～200 Hz频率范围给定的性能和耐久试验量值来看，其耐久试验量值与性能试验量值相比，其放大倍数不是一常数，随频率范围和设备在机上的位置而有一些变化。表2给出了直升机各区域设备应用的正弦峰值的曲线及其峰值频率。正弦峰值根据给定的f1，f2，f3，f4所属频率范围按表1计算或直接采用其给定的峰值[12—13]。

表1 各曲线的功能和耐久试验量级Table 1 The magnitude of function and endurance test for each curve

表2 各设备位置应用的曲线Table 2 The curve of each equipment section

直升机没有固定机翼和起落架，因此没有相应这两个区的设备及相应振动曲线。直升机没有涡轮发动机，因此直升机上的设备不会遇到涡轮叶片损坏造成的高量值瞬态正弦振动[14]。

1.2 未知频率

当不知道直升机的频率时，有两种试验程序：使用正弦加随机试验的程序（DO 160 F中称为U类）；完全采用随机试验的程序（DO 160 F/G中称为U1类），用U1类代替U类进行试验。这两个程序仅适用于机身和仪表板、控制台和机架区的设备[15]。

1）U类使用的振动谱如图1所示，随机振动性能和振动功能试验的频率范围和量值与已知频率类相同。正弦峰值则根据标准中规定的三组频率按表1计算或直接使用其提供的量值。标准中要求进行三次试验，这三次试验可以用1个产品，2个产品或3个产品进行[16—17]。但振动驻留试验只需要在其中一个产品上进行，三组峰值频率见表 3。根据表4 给定的频率，按其所在频率范围和按表2确定曲线类型，从表1计算出相应峰值或查出的量值作为相应的正弦振动峰值。由于标准中规定此试验仅适用于机身和仪表板、控制台和设备机架两个区的设备，只考虑使用G曲线。

2）U1类用简单的随机振动曲线，代替U类的试验，曲线如图2所示。该曲线中明确性能试验量值（w0）为0.05 g2/Hz，耐久试验量值（w1）为性能试验量值的2倍，即0.10 g2/Hz。两类试验振动谱中40 Hz和300 Hz拐点量值分别为w0的0.126倍和0.199倍，见表5。

表3 DO 160 F规定的三组峰值频率Table 3 Three frequency peak defined by DO 160 F

表4 按标准给定的三组频率对应的正弦峰值（G曲线）Table 4 The sine peak of three frequency according to the standard (curve G)

图2 直升机机身、仪表板和尾梁的随机振动试验曲线Fig.2 Random vibration test curve of helicopter fuselage, dash board and tail beam

表5 随机振动谱的频率拐点和量值Table 5 The break frequency and magnitude of random vibration spectra ( g2/Hz)

1.3 振动试验的持续时间

民用直升机机载设备的振动试验的持续时间取决于其在载机上的位置[18—22]，是正弦加随机振动还是正弦振动，是标准振动试验还是强化振动试验，具体见表6。

2　应用说明

1）民用飞机机载设备适航取证用的环境条件和试验方法标准除了美国航空无线电技术委员会制定的DO 160系列外，还有美国汽车工程师协会(SAE)，材料工程师协会(ASTM)等其他一些机构的制定的标准[23]。RTCA160系列标准是其中最为常用的试验方法标准。通常适航最低性能标准(美国的TSO或中国的CTSO，即产品规范标准)采用哪个机构制订的标准，则环境试验方法会尽量采用其自己制订的相应的环境试验方法标准，例如若采用RTCA制订的电子产品标准规范，则该规范中优先采用DO 160系列标准[24]。

2） RTCA DO 160系列标准至今已有A，B，C，D，E，F，G七个版本，每个版本都是有效版本，应用哪个版本由TSO或CTSO标准决定[25—27]。TSO或 CTSO标准中采用 DO 160系列版本的新旧与TSO标准申请时已有的产品规范标准密切相关，产品规范中引用的环境条件与试验方法标准是制订产品规范时已有的标准。因此只要TSO或CTSO标准有效，则其产品性能最低要求和其引用的环境条件和试验方法标准同样有效[28]。这就是目前美国 150多项TSO标准中引用的DO 160系列标准遍及各个版本而不是最新版本的原因。一旦某机载设备TSO标准修改重新申请时，会尽量使用最新版本的产品规范标准和环境试验条件和试验方法标准[29—31]。

3） RTCA DO 160系列标准是不可剪裁的标准，标准中明确规定了各种环境试验要求。具体的环境试验要求（如振动试验要求），只能根据机载设备载机的类型和在机上的位置等从标准中选取或按标准中给定的方法计算得出。为了便于读者理解和选用，将DO 160 F中的振动试验要求图表化，达到易查、易选的目的。

4）DO 160系列等环境条件和试验方法标准的应用完全取决于产品性能规范制定者，因为这是产品性能规范中质量一致性检验要求的组成部分。产品性能规范是TSO标准的基础，其差别是获得适航当局批准后才能成为TSO标准。

3　结语

1）民用飞机机载设备的振动环境比军用飞机机载设备的振动环境温和。由于民用飞机的飞行任务剖面比较单一和固定，因而其振动试验的振动谱的谱型和振动量值可以事先确定。DO 160 F标准中给各种固定翼飞机和直升机规定了振动谱、振动量值或振动量值的计算方法。可以根据机载设备载机的类型、机载设备在机上的位置，确定其性能试验和功能试验所用的振动谱和振动曲线（振动量值）。

2） 直升机机载设备的振动没有标准振动而只有强化振动，其振动谱的特点是宽带随机上叠加正弦振动。DO 160 F标准中对随机振动和正弦峰值均给出性能试验和耐久试验的量值或量值计算方法。宽带随机谱的性能和耐久试验量值是固定的，分别为0.01 g2/Hz和0.02 g2/Hz，正弦峰值则根据峰值频率和应用的试验曲线确定，试验频率f1和f2均采用主旋翼一阶和二阶通过频率，而f3和f4则应根据设备在载机上的位置使用尾桨一阶、二阶通过频率或发动机旋转频率和主减速向旋转频率。直升机的强化振动也要考虑振动驻留试验，但频率必须在正弦试验频率±升机带宽的范围内，最多选择 4个频率进行30 min的振动驻留试验，耐久试验量级上的振动最多3 h，如果发现超过2个共振点，则可减少耐久试验量值上的振动时间。

3）未知频率直升机上设备的振动试验（U）可以采用已知频率直升机上设备的宽带随机叠加正弦的振动谱，其宽带随机谱与在已知频率直升机上设备是一样的，DO 160 F标准中给出三组频率用于计算正弦峰值的量值，并进行三次试验，或许能够覆盖实际振动环境。由于标准中明确规定只适用于机身（1a区）和仪表板、控制台和设备机架（2区）的设备，从标准中的表8-2a可查出，这两个区均使用G曲线，因此表3直接给出了标准中给定的三组峰值频率对应的性能和耐久试验用的峰值量值。

4）DO 160 F标准中规定未知频率直升机上的设备的试验（U）可以用随机振动来代替，此时的试验大大简化，可直接按标准中给定的随机振动谱和给出的频率拐点和量值，按随机振动强化试验程序进行强化试验，即每个轴向进行3 h的耐久试验，在3 h耐久试验前、后各进行至少10 min的性能试验。

5）DO 160 F中不管是正弦振动还是随机振动，振动开始前和结束后均安排正弦扫频，以确定受试设备共振频率和振动后此共振频率是否变化，这是很有必要的，因此军标中对此没有作任何规定。

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Vibration Test Requirements and Application Analysis of Civil Aircraft Equipment (Ⅱ) Vibration Test Requirements of Civil Fixed-wing Aircraft Equipment in DO 160F/G

ZHU Yao-chang1, LI Yun2, XU Jun1, WANG Xing-hao1
(1.AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China; 2.Environmental Testing Center of XCET, Xi'an 710119, China)

The paper set forth the characteristics of the vibration environment of civil aircraft equipment and the classification of vibration tests. The vibration test requirements of various civil aircraft equipment in DO 160 F/G were concluded and summarized, including vibration spectrum, magnitude and duration, and then were analyzed and explained accordingly, so as to facilitate the reference and application thereof. At last, the application of vibration test method for civil aircraft equipment was generalized. Vibration test requirements of civil fixed-wing aircraft equipment was described and classified according to the different sections of the equipment in the aircraft. The vibration test requirements of the equipment at each position were described in details by contrast; and the vibration test requirements of the airborne equipment of civil helicopters was presented.

civil aircraft; airborne equipment; vibration test

2016-03-28；Revised：2016-04-21

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.020

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)05-0122-06

2016-03-28；

2016-04-21

祝耀昌（1942—），男，研究员，主要从事产品环境工程，实验室环境试验和可靠性试验技术研究及其相关标准的制订工作。

Biography：ZHU Yao-chang（1942—）， Male， Researcher， Research focus: product environmental engineering， laboratory environmental testing，reliability testing technology and formulation of relevant standards.