C919 民用飞机飞控系统鉴定试验环境设计

2021-12-23刘艳陈经纬

航空工程进展 2021年6期

刘艳，陈经纬

（航空工业西安飞行自动控制研究所飞控部民用飞机总体室，西安710065）

0 引言

近年来MA700 客机、AG600 通用飞机的研发工作逐渐进行到关键时期，随着C919 大型客机顺利首飞，适航取证工作正在逐步进行，我国客机的中长期发展规划已经逐渐落实。国产客机要投产并步入运营，需要进行相关的适航检查工作，获得适航合格审定资料。适航合格审定资料是飞机满足适航要求的证据，包括提交的资料和需要保留的资料，由适航当局确定符合性资料的充分性。通过大量的试验数据来确保并证明机载设备满足设计中的技术指标规定以及符合适航条款要求。目前我国军用飞机设备鉴定试验已经积累了一定的基础与经验，但是民用飞机领域仍然处于起步阶段，相比于国外，我国在这方面的基础设施略微薄弱，试验体系还不够完善。鉴定试验是指为确定产品与环境适应性要求的一致性和符合性，以代表性产品为被测对象，使用批准的试验室方法实施测试分析，评估被测产品在具有代表性的环境应力条件下的性能特征。通过验证机载设备在一定条件下的功能和性能，确保其装机后的安全和可靠。鉴定结果将作为批准定型以及适航取证的依据。

对于民用飞机飞控系统来讲，设备鉴定试验需要遵循SAE《民用飞机与系统研制指南》的要求，依据 DO-160G 要求开展，涉及的试验科目主要有电源输入、电压尖峰、射频试验、雷电试验等。由于技术封锁，国外在该方面的技术方法和工程经验无法查阅。目前国内民用飞机鉴定试验尚无成熟的工程案例。在民用航空产品研制过程中，鉴定试验用于验证航空产品在一定的环境条件下能否满足产品功能和性能需求，一般包括电源特性试验、环境鉴定试验和电磁兼容性试验等。鉴定试验通过对产品的相关特性进行考核，为航空产品的定型提供依据。C919 主飞控电子鉴定试验也是依据DO-160G 中的规定开展的，主要包括电源特性试验、环境试验以及电磁兼容试验。

本文以C919 主飞控电子鉴定试验内容为牵引展开试验环境的研究，对C919 飞控系统鉴定试验环境进行设计，并对设计结果进行评定。

1 民用飞机飞控系统鉴定试验的目的

民用飞机飞控系统鉴定试验是保障民用飞机的飞控系统、安全性以及可靠性的关键试验手段，也是适航取证的必要过程。

合格性鉴定试验的目的有以下两点。

（1）民用飞机适航取证要求

民用飞机必须通过一定的取证，并严格按照适航规章要求才能投入运营，而取证过程中需要完成一定量的验证任务，民用飞机飞控系统鉴定试验就是有效实施这些验证任务，落实验证要求的重要手段，是贯彻适航规章要求，确保民用飞机的高安全性、高可靠性和可维修性的重要保证。

（2）环境适应性要求

环境适应性是飞机产品的一个尤为重要的质量特性，适应性的好坏将会直接影响飞机的正常运营。环境适应性能否满足相关规范的要求需要通过环境鉴定试验来验证。

ARJ21 的飞控系统采用的是Honeywell 公司的产品，由 Honeywell 公司负责鉴定试验。C919 的电传飞控系统同样属于Honeywell 公司研发，但与ARJ21 并不相同，C919 电传飞控系统的鉴定试验是由国内负责开展。MA700、通用飞机AG600 如今已经开始验证，它们的电传飞控系统是我国自主研发，国内供应商将自主进行鉴定试验。

因此掌握民用飞机飞控系统鉴定试验方法，构建完整的民用飞机飞控系统鉴定试验环境是一项重要的研究内容。

2 民用飞机飞控系统鉴定试验

飞机制造商会根据CCAR/FAR 第25 部适航标准规定，通过“飞机设备鉴定需求”的形式提出对机载设备（含飞控系统）的鉴定要求。根据机载设备研制保障等级（DAL）分类，以及DO-160G 的要求，规定该机载设备鉴定试验的科目，机载设备承研单位通过试验证明设备对各项试验条件的符合性。依据 C919 适航取证要求以及主机规定的试验科目，开展主飞控电子鉴定试验，进行符合性评估，确定机载设备/系统在工作期间可能遇到的典型环境条件下的实际工作特性。

对于C919 民用飞机主飞控电子鉴定试验，采用以下方式：首飞阶段进行的是LRU 级环境首飞试验、飞控电子电磁兼容和电源输入试验，用于确保首飞级LRU 的安全可靠；合格鉴定试验是在首飞结束后进行的部件取证试验，主要包括LRU 级环境鉴定试验以及飞控电子电磁兼容和电源输入鉴定试验，该阶段各试验科目必须严格按照DO-160G 的要求进行设计和规划，在该阶段适航检查工作就要介入，因此每项试验科目都要留存足够的数据作为适航证据；综合系统试验是最后一阶段的试验，为飞控电子和辅助设备的集成系统HIRF/Lightning 试验。鉴定试验分级如图1所示。

图1 鉴定试验分级图［9］Fig.1 Classification of qualification test［9］

3 C919 飞控系统鉴定试验环境设计

民用飞机飞控系统鉴定试验的重要工具及支撑条件就是试验环境，把被测产品及其他各部分集成起来，为待测产品在地面搭建一套与机上完全一致的工作环境，同时能够实时监控试验过程中被测产品的状态，并在试验结束形成支撑适航取证的合格性报告。

在C919 项目中针对主飞控电子鉴定试验自主研发一套鉴定试验环境，作为C919 民用飞机飞控系统鉴定试验的工具和支撑。该试验环境具有接口仿真、协议仿真以及载荷仿真等功能，同时能够实时监控试验过程中被测产品在外界激励（干扰）情况下的状态变化，并对各试验条目做出合格性判定，为适航取证留存证据。

3.1 试验环境组成

试验环境一般分为被测系统和仿真/监控系统，被测系统主要包括被测产品、负载、线缆，仿真/监控系统主要包括接口适配功能以及数据采集系统，如图2 所示。

图2 鉴定试验环境组成Fig.2 Identify the composition of the test environment

在C919 项目中，被测系统中被测产品为2 台ACE 和2 台FCM。根据被测产品外围连接件的特点和属性，负载分为真实负载和仿真负载两类，真实负载即机上真实产品，仿真负载具有仿真机上真件特征，在本项目中真实负载包括AOA、SCLU等，仿真负载包括升降舵、方向舵、副翼等。通过线缆实现被测产品和陪试产品连接和数据采集系统的互连。根据功能不同，试验线缆分为鉴定试验线缆和数采线缆，鉴定试验线缆暴露于各阶段的测试条件下，参与鉴定试验过程，应与机上真实线缆保持完全一致，满足DO-160G 的要求。数采线缆不处于试验环境中，满足正常试验要求即可。

仿真/监控系统中接口适配主要实现仿真负载和真实负载与数采系统间的适配，同时具有光电隔离功能，确保鉴定试验各试验科目不会对数采系统带来破坏和干扰。

数采系统是鉴定试验环境的重要组成部分，主要是仿真机与被测产品互联的外围设备，同时具有对被测产品输出信号的监控和判断能力，用于支撑试验过程各项数据的实时监控以及数据留存，提供人机交互接口，满足试验人员简单便捷的操作要求，数据采集系统通过接口卡和适配器与被测产品和负载连接。

3.2 试验环境功能

通过试验环境对被测产品在机上的真实状态进行仿真，包括与外围产品接口互连、信号交互的电气关系、信号关系，能够较真实地反应出被测产品在各种环境条件下与交联设备的通信以及故障状态下影响。在本文中试验环境具有功能互联、接口仿真、载荷仿真、实时监控、数据处理等功能。

系统互联功能：众多的被测件、真实负载和仿真负载、数据采集系统通过不同等级要求的线缆连接起来，构成测试环境。依据B787 的工程实践，鉴定试验过程中测试时序图如图3 所示。

图3 测试时序图［11］Fig.3 The test sequence［11］

FCM、ACE 连接的外部接口特性，包括总线信号 IMB、ADB、A664、A429、离散信号、交流信号、供电特性等，保持与机上高度一致的电气特征，同时仿真出内外部交联信号的接口协议。

载荷仿真功能：对FCM、ACE 连接的真实负载接口以及输入输出特性进行仿真，每个仿真负载都与真实负载有着一样的接口、功耗以及EMI保护电路。

实时监控功能：数据采集系统完成FCM、ACE 接口数据的实时采集与显示，并根据合格性判据对当前接收到的数据进行合格性判断。

数据处理功能：主要包括数据记录功能，能够实时记录所有采集到的数据，并形成数据记录文件，数据后处理功能是指测试结束后对记录文件依据判据逐条进行判断，形成测试报告，为试验人员提供评估被测产品功能和性能的依据。

3.3 测试时序

C919 鉴定试验环境对以上测试时序进行分析，抽取关键特征，共分解出5 个操作动作，3 个关联动作，如图4 所示。

图4 C919 测试时序Fig.4 The test sequence of C919

（1）5 个操作动作，分别为开始仿真/停止仿真，切换地面/空中状态，清除错误，开始测试/停止测试，退出试验。

在C919 鉴定试验环境中将这5 个操作动作在数据采集系统UI 界面中体现，支持试验人员通过简单的按钮操作整个试验流程，最大化简化操作人员工作负担。

（2）3 个关联动作，在试验环境中自动注入，分别为开始记录数据，开始学习，停止数据记录。

试验环境中将这3 个动作定义为关联动作，自动注入在开始仿真、清除故障、停止仿真之后，操作人员无需多余动作。

3.4 监控逻辑

在鉴定试验过程中最重要的一项指标就是判定在外部条件发生变化时，被测产品是否会受到干扰，即被测产品在被激励（干扰）过程中是否完好或者是否如预期状态一致，这是就需要根据被测产品的输出信号来一一判断，在C919 中根据FCM 和ACE 输出数据类型来进行判断，共有Thold 类、Activity 类、Calculate 类三类，Thold 为带监控门限的信号，Activity 为与故障次数相关的信号，Calculate 为判断数据包有效性的信号。

（1）Thold 类型

包括 BNR、COD、INT、UINT、float、DISCRETE、bool 等，其监控逻辑如图 5 所示。

图5 Thold 类型数据合格性判断逻辑Fig.5 Thold data eligibility judgment logic

在该类型数据判断逻辑中，“监控信号”为FCM 和ACE 试验过程中实时输出的信号，“学习值（期望值）”是监控信号通过学习值（期望值）产生的方法得到的预期值，如图6 所示。

图6 学习值（期望值）产生的方法Fig.6 The method of expected value generation

实时采集信号与正式试验前的学习值，根据Thold 类型数据合格性对逻辑算法进行判断（如图5 所示），实现实时监控。在算法中约定了每个监控信号合格的上升门限UpCnt、下降门限DnCnt、允许最大误差TholdToCnt、允许合格最大门限MaxCnt、允许合格最小门限MinCnt、故障门限TripTHold 等逻辑运算值，不同信号逻辑运算门限值不同，这些域门限会在判据文件中预先给出，试验环境数据采集系统需要在正式试验开始（Start Test）后，从判据文件中读取这些域门限值，并按照以上的算法进行逻辑判断。

“学习值（期望值）”是在仿真试验开始（Start Simulation）后，正式试验开始（Start Test）前，基于一定的采样区间，在C919 项目中采用的是100 个点，计算基于整个样本的标准偏差，具体方法如图6 所示。

（2）Activity 类型

该类型信号需要判断上下两拍数据时间间隔，根据时间间隔来给出信号是否合格的结论。MaxWait 为预置门限，同样域门限会在判据文件中预先给出，试验环境数据采集系统需要在正式试验开始（Start Test）后，从判据文件中读取域门限值，然后根据MaxWait 值实时判断不同信号是否合格。判断逻辑如图7 所示。

图7 Activity 数据合格性判断逻辑Fig.7 Activity data eligibility judgment logic

（3）Calculate 类型

对数据包内数据进行CRC 计算，与数据包内的CRC 进行比对，如图8 所示。

图8 Calculate 数据合格性判断逻辑Fig.8 Calculate data conformity judgment logic

3.5 民用飞机飞控系统鉴定试验过程文件

在C919 鉴定试验过中会存在两类三种文件，一类是试验判据文件，一类是试验输出文件。

（1）试验判据文件

试验判据属于鉴定试验程序的内容，其定义了飞控系统、产品的容差能力以及性能，其中囊括了系统监控、限制以及持续性试验等要求。如Thold 类型数据逻辑运算过程中用到的门限值如UpCnt、DnCnt、TholdToCnt 等都在该文件中定义，这些域门限值是机载设备（被测产品）与安全性相关的重要指标，也是产品性能设计的重要体现，是被测产品在鉴定试验中能否顺利通过的判断依据。因此在正式开始试验前，操作人员必须首先加载试验判据，只有当试验判据成功加载，整个试验才能开始，试验判据的名称和版本会记录在试验报告中，作为适航证局留存。试验判据文件如图9 所示。