民用飞机整机低温试验中断处理方法研究

杨欣磊，吴敬涛，唐扬刚，王群伟

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.中国飞机强度研究所，西安 710065）

随着航空工业制造技术的日益发展，以及民航运输运营体系的不断成熟，越来越多的订购方或使用者都对民用飞机的通用质量特性提出了更高要求。由于民用飞机在使用过程中经历的气候环境复杂，且易对整机机械结构及关键子系统部附件造成显著劣化影响，因此对民用飞机耐受严酷气候环境适应性的评价考核是整机开展通用质量特性工作过程中的重要环节[1-7]。

冬季航路上过低的气候环境常常威胁飞行安全，并对飞机造成永久性的劣化和损伤，对民用飞机开展符合其寿命或运营剖面的气候类环境试验（最常见的即为低温试验）是对环境适应性开展定性与定量评估的重要有效手段[8-12]。与单独对民用飞机某个系统或者LRU开展低温试验相比，整机级低温试验在试验设备资源、试验程序、检测科目、操作规程等方面都更加繁杂，试验中任何细微的错误都将影响试验的有效性，且对人力、经济、资源等成本造成直接影响，因此该类大型的低温试验也面临着严酷度更高的试验中断风险。

1 研究需求

目前国内环境工程领域实验室均有试验操作规程和作业指导书，其中对试验中断的处理方式及流程进行了具体规划，但这些单位基本不具备开展民用飞机整机级低温环境试验的软硬件能力，因此无法按照飞机整机级试验规模进行试验中断情况分析及处理方法研究。由于整机实施低温试验具有持续周期长、检测项目多、试验部署实施工作繁琐等特点，因此试验过程中可能出现导致试验中断无法按计划进行的各种因素。这些因素可能致使试验条件不符合大纲既定要求，可能导致整机结构或功能发生故障，试验结果失真和无效，甚至可能对实验室或试验人员产生安全性伤害。这些情况的出现对飞行器研制单位、试验承试单位将带来不可预估的资源浪费与经济损害。因此，需要根据民用飞机整机低温试验的试验条件、试验流程、检测项目，结合实验室现场实际工作开展情况和作业规程，在试验设计规划阶段研究分析试验中可能出现的试验中断情况，以及针对特定中断情况继续开展后续试验的处理方法。

2 基于GJB 150A的中断情况研究

通过对国内外现有航空装备产品的环境试验标准进行调研梳理可知，当前提及“试验中断”及阐释其处理方式的标准不多，常见标准是GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》。该标准于2009年5月由中国人民解放军总装备部发布，2009年8月开始全面施行，具有试验项目全面、试验方法剪裁灵活、试验条件明确、试验程序可实施性强等特点，已经成为国内环境工程领域的重要试验标准[13-15]。

GJB 150A标准对于试验中断要求相关的内容主要分布于第一部分的通用要求和其他各环境试验项目的具体章节中。该标准将试验中发生的中断分为试验条件参数偏移造成的中断，以及试验过程中发生故障导致的中断。其中试验条件偏移造成的中断细化为过试验中断和欠试验中断，试验过程故障导致的中断细化为责任故障中断和非责任故障中断[16-18]。标准常见的中断情况归纳见表1。

表1 实验室中断情况归纳 Tab.1 Summary of laboratory interruptions

通过对上述4种主要试验中断情况的分析归纳，可为后续以某型民用飞机为对象的整机级低温试验中断情况分析及处理方法研究建立理论定义上的基础。

3 某型民用飞机实验室低温试验中断情况分析

本试验项目依托航空工业强度所某民机课题，以某型民用飞机作为试验对象，根据该课题项目开展的整机级实验室低温试验进程，研究分析上述4种中断情况对受试对象、试验设备、试验结果造成的影响。根据试验大纲和任务规划，编制出低温试验剖面如图1所示。

图1 某型民用飞机整机级低温试验剖面 Fig.1 Low-temperature test profile of a complete civil aircraft

通过对试验进程的跟踪与调研，现将某型民用飞机整机开展低温试验过程中已知的中断情况进行归纳分析。

3.1 由于试验条件控制参数发生偏移导致的中断

试验项目所需要的设备控制精度要求高，且由于环境场地较大，整个试验环境平台的搭建都具有不确定度，因此很可能在试验条件控制参数方面出现偏移导致中断情况发生。

1）过试验中断：由于整机低温试验的试验环境控制参数主要为实验室温度，且对温度的允差数值进行了规定，因此一旦试验过程中实测温度低于设定温度3 ℃以上，则满足过试验中断的基本要素，实验室相关人员应采取相应措施中断试验。

2）欠试验中断：与过试验中断的要素相同，当实验室环境温度无法达到规定温度数值，且差值比3 ℃的允差值还要大时，即满足欠试验中断的条件。为了避免无效时间累积造成资源浪费，实验室相关人员应采取相应措施中断试验。

3.2 由于试验过程发生故障导致的中断

某型民用飞机低温试验的温度环境应力与外场低温环境气候相比严酷度等级相当，有可能直接造成飞机整机外部结构的故障，如机械活动部件材料的脆化或膨胀、蒙皮材料的硬化等现象。加之飞机系统架构庞大，内部线路繁多，不同低温台阶应力还有可能引发密封失效、机内流体流动性降低、风挡玻璃及机舱透明表面产生静疲劳、燃油燃烧效率降低等故障模式或退化表征，从而导致飞机各项主要功能性能的失效或劣化。此外，在试验过程中有诸多检测科目，需要实验室配备大量的地面保障维护与测试设备，这些设备可能由于自身出现的故障或失效使得相关试验检测科目无法进行。将可能导致责任故障中断和非责任故障中断的试验情况归纳如下：

1）责任故障导致的中断。当某型民用飞机进行低温试验时，无论任何阶段，一旦相应功能、性能检测出现“既定的功能不能实现或超出允差范围的偏移”、“既定的性能指标不能满足试验大纲合格判据的要求”情况，或者地面专用配套设备（如压力加油车、电源供电车、发动机启动辅助气源等）在低温环境下丧失或偏移工作能力，且这些故障现象是由于严酷低温环境应力作用于整机或地面设备本体，则满足责任故障的发生条件。试验中具体检测要求以相关单位的试验大纲为准，如责任故障发生后，试验方、研制方和使用部门会根据排故流程对试验进行中断处理并开展故障分析归零流程。

2）非责任故障导致的中断。当开展整机级低温试验时，实验室环境状态和受试飞机技术状态也需要温湿度传感器、秒表、测力计、扭力扳手等仪器仪表工具进行维持。除此之外，试验人员的操作规程必须符合实验室规章制度。上述环节如果出现偏差或失误，就可能引起非责任故障发生。试验中典型非责任故障见表2。

表2 整机级低温试验中典型非责任故障模式 Tab.2 Typical non-responsible fault mode of low-temperature test of complete civil aircraft

4 某型民用飞机实验室低温试验中断影响分析

对上述各项具体中断情况进行分析，结合实验室作业操作规程文件以及整机所属各系统的故障模式及影响分析（FMECA）文件，可以得出不同中断场景对飞机、试验设备、试验人员等造成的影响。对中断影响进行等级划分，以便后续制定相关处理程序及措施[19-20]。中断影响等级划分见表3。根据中断影响等级的划分，将归纳的各类中断影响分析列举于表4。

表3 中断影响等级划分 Tab.3 Classification of interruption impact levels

表4 整机级低温试验典型中断影响分析 Tab. 4 Typical interruption impact analysis of low-temperature test of the complete civil aircraft

5 民用飞机整机级低温试验中断处理方法研究

如果试验过程中出现中断情况，为了尽可能减少试验损失，则应该按照既定步骤对中断情况进行处理。针对上述列举的4种不同中断类型及影响后果， 应该采取不同实验室中断处理方法流程。

5.1 过试验中断处理方法

当中断导致受试飞机或系统处于一个更严酷的低温环境时，在停止施加温度试验应力后，首先应对飞机主要外观材料、机械结构和相应系统功能性能进行大致的检查，按照受试飞机或系统的状态来进行相 应的处理措施。

1）若受试飞机或系统检测无异常状况，应确定当前状态下已完成的试验时间，该部分试验时间由于是在更为严酷的试验状态下进行，所以应当被归纳为有效试验时间。当试验条件控制参数即温度恢复到试验正常数值后，再进行后续试验的计时，并依照试验大纲完成后续系统各科目的测试。

2）若受试飞机或系统检测当前无异常状况，但后续继续进行试验时可能暴露出由于过试验导致的故障现象，则上一段“已经被归纳为有效试验时间”的结论将无效，应对相关部位进行故障定位与分析，并终止试验。在上报试验组成员后，对故障进行修复。排除故障后，在试验组允许后，重新进行整机级的低温试验，直至完成。

3）若受试飞机或系统检测时就出现了故障现象，则说明过试验应力已经对被试品产生了劣化影响，在对相关工作组进行情况说明后，开展故障定位与分析工作，并立即停止试验。对故障进行修复，并排除故障，在试验组允许后，重新进行整机级的低温试验直至完成。

其流程体系框架如图2所示。

5.2 欠试验中断处理方法

中断发生时，整机和各系统未经历相应量级的环境应力作用，整个试验均应被判定为无效的。在停止施加温度应力后，首先应对飞机主要外观材料、机械结构和相应系统功能性能进行大致的检查，并判断后续相应开展的处理措施。

图2 过试验中断处理方法流程 Fig. 2 Interruption treatment method process of over test

1）若受试飞机或系统在欠试验的环境下检测出故障现象，则说明相应的功能性能并未达到被试品自身技术协议规定要求，此时应停止试验，并开展故障定位与分析工作。经过归零流程后，再择机重新开展试验。

2）若对受试飞机的检测未出现任何异常情况，这是通常应有的表现结果，此时应将试验环境恢复到应有的低温环境状态，并观察试验设备的温度（或湿度）应力监测数值记录图表，找到偏离允差值进入欠试验状态的时间点，该时间点之前的试验时间均可判为有效时间。当试验环境重新达到低温试验环境要求后，从此新的时间点开始继续低温试验，直至总试验时间达到要求。该处理方法应基于“不满足既定试验条件下的试验时间及中断时间均不作为有效试验时间”这一原则开展。

其流程体系框架如图3所示。

图3 欠试验中断处理方法流程 Fig.3 Interruption treatment method process of under test

5.3 责任故障中断处理方法

责任故障导致的中断发生后，应该按照试验大纲的要求，对责任故障发生时的相关信息进行记录，包括故障发生时间、实时的环境应力数值、受试飞机的工作状态、电应力大小、相关流体流量大小等。随后将低温试验环境恢复至常温并保持稳定，同时注意清理因温度变化而导致的过重湿气和水渍，对受试飞机或系统进行故障定位与原因分析，对排故现场进行记录并上报故障情况。

对于能够现场定位解决的故障，应在试验工作组各方人员的现场目击下进行故障分析与修复工作；对于现场无法解决的故障，经参试各方共同分析判断，确认故障不会对后续试验产生影响的情况下，在做好相应记录后，转场完成故障分析与修复工作，并确认故障前的有效试验时间。最后按照故障归零流程开展故障归零工作，并上报试验工作组择时重新开展整机低温试验或从中断前的有效试验时间点开始继续试验。

其流程框架如图4所示。

图4 责任故障中断处理方法流程 Fig.4 Interruption treatment method process of responsible fault

5.4 非责任故障中断处理方法

非责任中断情况发生时，应及时明确故障来源，断开故障源与被试品之间的交联，并避免该非责任故障对被试飞机及各系统产生任何影响。随即应将实验室低温环境恢复到常温，并保持稳定，同时注意清理因温度变化而导致的过重湿气和水渍，并对故障仪器仪表进行维修或直接更换。如非责任故障时由于人员操作不当引起，则应加强对试验人员的培训与宣贯力度。如受试飞机或系统自身未出现异常，则中断时间点之间的试验时间可算作有效试验时间，后续再将未完成试验部分进行补全。

当出现影响等级严酷的中断情况时，要首先保证实验人员及场所的安全。如通油管路泄漏时应立即切断所有通电设备和供油设施并停止试验，所有人员应转移至安全区域，确认试验现场无安全隐患后再对现场进行修复处理。当人员不慎受到严酷环境伤害时，应立即将人员转移撤出实验室并进行相关救治，避免出现安全性事故。

其流程框架如图5所示。

结合上述民用飞机整机级低温环境试验流程框架，结合实验室实际工作流程规范，即可充分应对试验过程中的各种中断现象，为试验的合理性有效性建立保障支撑。

6 结语

文中开展了以某型民用飞机为研究对象的整机级低温环境试验中断情况分析及中断处理方法研究。基于军用产品环境试验标准GJB 150A对试验中断的定义，研究了低温试验中断的4种基本情况并加以概述。根据某型民用飞机开展整机低温环境试验的环境剖面，分析研究了实验室试验过程中4种中断类型发生时的具体情况及原因，分别列举了研究中断对试验人员、设备、被试品造成的影响。针对中断基本信息给出了相应的实验室处理方法，并结合试验过程，构建了整机实验室低温试验中断处理方法流程框架，使得试验设计与操作人员能够根据流程框架内相关条目开展相应处理实施工作。

图5 非责任故障中断处理流程 Fig.5 Interruption treatment method process of non-responsible fault