大型民机飞机在环AIL集成验证技术研究

张翰 谢殿煌

摘要：目前国内民机试验验证水平相对较低，铁鸟和航电等集成试验台投资大、研制周期长，且试验室集成无法安装试飞的试验设备，迫使现有飞机主制造商寻找新的集成验证手段降低成本。从飞机在环（AIL）定义和设计原则出发，借鉴国外飞机级集成验证试验经验，梳理出飞机在环综合验证技术路线和关键技术，提出一套飞机在环试验方案。该方案缩小了试验室试验与试飞试验之间的差距，为推进民机型号的研制进程以及开展全面、有效的全机系统机上地面试验提供理论支持与技术支撑，在国内具有开创意义。

关键词：民机系统;飞机在环AIL;飞机级集成验证;视景系统

DOI：10.11907/rjdk.191268

中图分类号：TP319 文献标识碼：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0159-05

0引言

大型民用飞机为数众多的机载系统，彼此需求纵横、功能耦合、信号交联，实现飞机级分配的功能和共同实现飞机级功能，给机载系统综合验证增加了验证难点和复杂性。为充分验证系统级和飞机级需求，民机主制造商建立了航电集成试验台、铁鸟集成试验台、电气集成试验台、环控集成试验台等和全机系统集成试验台等集成验证平台，但这些综合试验台建设周期长、资金投入大、人力投人多、占用场地大，且无法安装试飞试验设备，如应急撤离、失速伞、尾椎等，拉大了试验室试验与试飞试验距离，迫使飞机主制造商寻找新的验证手段以降低集成验证成本，提高效率。

波音公司在20世纪90年代就策划了飞机在环试验，如图1所示。

飞机在环试验以真实飞机为试验对象，将地面仿真车与飞机的各系统计算机或控制器相连接，根据试验项目要求选择关注的测试点，对飞机各系统施加电子或物理激励，模拟飞机在飞行过程中的各类情况，记录飞机各系统信号反馈和物理动作，通过测试系统将飞机的实际反馈与预期反馈进行对比，从而验证飞机的各项功能和性能，主要监控发动机控制、飞控、电源、通信、驾驶舱显示、惯导、大气数据、攻角等系统工作情况。波音747-8型号的飞机在环试验如图2所示。

波音B787研制过程中，借助B777场景试验仿真平台，设计了场景测试用例，对飞机级需求、架构进行了确认和评估。为了提高全机系统综合集成试验台性能，B787采用了“模块化”试验台和787飞机在环AIL，在环AIL采用实像视景系统。如图3所示，在首飞之前开展18小时飞行模型试验，从正常飞行到系统失效进行大量场景试验。试飞团队和运行团队通过飞机在环试验紧密结合在一起。

我国民用航空工业起步较晚，虽然在ARJ21和C919飞机集成验证试验建立了铁鸟试验台、航电综合试验台和电源试验台，并且进行了两鸟联试和三鸟联试，但由于条件限制，最后未达到基于飞行剖面模拟飞行的全机系统综合试验，也达不到飞机级需求验证和飞机级功能需求验证水平。我国民机系统试验验证能力与国外全机系统地面综合验证Aircraft_o尚存在较大差距，更不用说飞机在环AIL。

飞机在环AIL是民机集成验证手段的变革，代表新一代的集成验证水平。本文结合某大型民机，定义了飞机在环AIL，详细研究了设计原则、试验方案和关键技术点，为真实的飞机在环AIL综合验证试验提供技术基础。

1飞机在环（AIL）定义

以真实飞机作为试验对象，地面外场和无气动力条件下，开展驾驶员在环模拟飞行试验，实时监控飞机系统参数，验证各种工况下飞机系统控制和响应是否满足设计要求，如图4所示。

2飞机在环（AIL）集成验证设计原则

飞机在环AIL集成验证设计原则：①真实的飞机机载环境：真实机载系统、真实座舱环境、真实电磁环境、真实结构环境（结构非线性因素）、真实地面外场环境和真实试飞测试设备;②所有电子LRU是真实的和真实连接的;③提供给飞行员真实模拟飞行试验环境;④发动机真实开车状态。

3飞机在环（AIL）集成技术方案

3.1集成技术方案

根据飞机在环集成验证设计原则，结合某大型民机，飞机在环AIL技术方案如图5所示，由真实飞机、可移动视景系统、飞行仿真系统、地面无线电车、机载数据采集系统以及配套产品组成。

（1）可移动视景系统：计算机图形生成系统和可移动式虚像显示系统，能够给驾驶员提供虚拟飞行外部环境。

（2）飞行仿真系统：能够实时计算飞机运动方程、大气环境、起落架仿真模块、刹车系统仿真模块、发动机仿真模块、环控仿真模块等，同时能够激励大气数据传感器、惯导系统、无线电导航系统、通信系统等。

（3）机载采集系统：能够实时采集和监控机载系统，能够实时仿真和进行模型比较，快速监控诊断。

（4）地面无线电车：能够提供无线电通信信号和交互。

3.2飞机在环AIL综合试验信号架构

飞机在环AIL综合试验信号架构如图6所示。

可移动方舱从航电系统抽引油门杆位置信号，飞控系统抽取舵面位置信号，实时计算六自由度方程和发动机方程。

可移动方舱通过以太网发出飞行姿态信号驱动可移动式视景系统，并从全球地形数据库里读取高度信号。

可移动方舱通过以太网发出空速、马赫数、攻角等信号，注入大气数据计算机。

可移动方舱通过以太网发出飞机姿态、速率、加速度信号，注入惯导系统计算机。

可移动方舱通过以太网发出高度等信号，注人无线电高度接收机、测距机（DME）、伏尔VOR等。

可移动方舱通过以太网发出轮载等信号，注人到起落架系统计算机（LGCU）中。

可移动方舱通过以太网发出轮速信号，注入到刹车系统计算机（BCU）中。

可移动方舱通过以太网发出结冰信号，注入到结冰探测系统计算机中。

机载仿真测试系统抽取航电系统、飞控系统和电源系统数据，进行实时监控。

3.3飞机在环AIL主要研究内容

飞机在环AIL技术实施路线如图7所示，分为以下8个方面：

（1）飞机在环AIL顶层技术注入研究。从飞机级验证需求出发，查找各种相关文献，进行工程咨询，研究飞机在环AIL集成验证需求，研究飞机在环AIL技术方案、实施基本原则和安全，梳理其技术难点，并编制飞机在环AIL试验任务书。

（2）飞机在环AIL信号注人研究。具体研究内容包含：对飞机在环AIL初步技术方案与动力系统、航电系统、飞控系统等机载系统工程进行协调，确定信号注入方案是否可以进行以及相关工程费用。

（3）飞机在环AIL试验设备研究。研究可移动式视景系统技术方案和技术要求，研究可移动式方舱技术方案和技术要求，研究轮速激励设备和轮载激励设备等相关试验设备，最终形成一套飞机在环试验设备技术方案和技术要求。

（4）飞机在环AIL仿真模型研究。与发动机供应商协调，研究发动机仿真模型要求;研究燃油系统仿真模型和实时性方案;研究地面运动方程和刹车模型实时性方案以及技术要求。

（5）飞机在环AIL信号抽引研究。研究如何有效抽取舵面位置信号、刹车压力传感器信号和前轮转弯信号。

（6）飞机在环AIL改装评估。开展机械改装评估，包括燃油系统柔性接头改装、起落架轮载信号机械改装和轮速传感器激励改装，大气数据传感器激励改装。开展电缆改装评估，包括信号注入电缆改装和信号抽取电缆改装。试验现场布置是否合理，以保证安全有效进行飞机在环试验。

（7）飞机在环AIL可行性研发试验。利用已有铁鸟台或航电试验台进行信号注入试验、实时仿真试验和信号抽引试验。

（8）飞机在环AIL工程实施技术方案、技术要求发放和工程计划编制。包括编制飞机在环AIL工程费用估计和飞机在环实施计划。

4飞机在环AIL综合试验实施关键点

4.1关键点之一——信号注入口和抽引口

信号注人口和抽引口是飞机在环AIL的关键技术点。为了缩短研发进度，系统供应商通常利用电子LRU的信号注入口和抽引口，对LRU单元进行自动化测试。飞机在环（AIL）可以利用信号注人口和抽引口满足飞机在环综合验证试验理念——所有电子LRU都是真实的和真实连接的。

大气数据系统、惯导系统、无线电导航、综合监视系统、起落架系统、刹车系统、结冰探测系统等信号注入口和航电核心处理系统、电源系统和飞控系统的抽引口，在联合设计阶段（Joint Design Phase）落实工作分工SOW（srate-ment ofWork）。

4.2关键点之二——仿真模型

起落架机械部分仿真模型、刹车系统机械仿真模型是完成起落架功能、刹车功能的关键。国外主制造商通常专门提出仿真模型要求，并落实到SOW中;同时，建立一套仿真模型和功能逻辑模型，用于仿真与试验一体化对比验证，提供仿真模型给供应商，加快研发试验进度。可通过与GE开展工作协调，获得封装的发动机本体模型和接口匹配方案;另外，对燃油系统仿真和刹车系统仿真建模，开展接口匹配方案，定义通用的仿真模型接口，從而完成仿真模型的封装要求。

4.3关键点之三——可移动式视景系统

由于飞机离地较高，采用传统的离轴虚像显示系统会有安装设计问题，因而采用可移动式视景系统技术方案，如图8所示。

采用左右电控升降梯从飞机左右进入，电控定位，并保证视景系统重心安全。左右实像显示系统按照相对位置定位，依靠左右封闭罩进行封闭。

5结语

本文主要介绍了飞机在环AIL综合试验的试验验证理念、技术方案、信号架构和关键技术，最终完成了一套飞机在环试验方案和详细技术路线，在国内具有开创意义。本文研究成果有助于提高我国民机系统综合集成验证能力和验证水平;有助于推动民机型号发展，提前发现系统综合问题和内部缺陷，保证飞行安全，从而提高飞机系统集成成熟度，节省试飞研制成本，为推进民机型号的研制进程以及开展全面、有效的全机系统机上地面试验提供理论支持和技术支撑。