民用飞机机载设备振动试验要求和应用分析（一） DO 160F/G民用固定翼飞机机载设备振动试验要求

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（一）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 160F/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也于2015年年底线投入试飞。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。

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。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DO138，后来改为DO 160[1]，DO 160经历7次修订，目前已发展为DO 160G，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。

1　民用飞机机载设备振动环境的特点

民用飞机的飞行任务仅限于两个机场之间的飞行，其任务剖面无非是地面起飞滑跑，升到巡航高度，在巡航高度飞行一段时间，下降着落到地面和地面滑跑到停止。这一过程中的各个阶段都会经受到振动环境，主要包括飞机地面滑跑，飞行中气动扰流和发动机噪声引起的随机振动环境、螺旋桨等旋转部件运动引起的正弦振动环境。因此其振动谱主要类型为宽带随机谱，正弦谱和宽带随机谱上叠加宽带随机谱三种类型[3]。

军用飞机使用过程往往要执行低—低—低，高—低—低—高，低—低—高，近距离支援和渡运（转场）等各种任务，民用飞机的任务剖面只相当于其转场。因而其遇到的振动量值较小且变化范围不大。由于民用飞机飞行高度、飞行速度、机场跑道质量等都是已知且基本固定的，因而其振动环境也是基本不变的，振动试验标准中直接给出各类飞机各个部位振动谱和振动量值，不必像GJB 150.16/16A中那样根据飞机和发动机相关参数按公式进行计算，相对来说比较简单[4]。民机振动量值是不可剪裁的，只能从各种图表中去选取。由于民用飞机只执行单一载客运输任务，没有外挂、吊舱和机炮类的机外设备，当然也没有这类设备的振动试验要求。

下面对民用飞机机载设备适航取证用的主要环境试验标准DO 160系列标准中的DO 160F版本中的振动试验作详细介绍。要说明的是，DO 160G版本的振动试验与DO 160F是一致的［5—7］。

2　DO 160F/G中的振动分类和说明

DO 160F/G将振动试验分为标准振动试验（S）、强化振动试验（R，U，U2）和短时高量级振动试验（H，Z）三类，应根据设备性能验证所需保证的级别选用适当的类别或几个类别，具体选用哪个试验类别和试验曲线取决于机载设备载机的类型和其在机上的位置[8]。各试验类别的目的、内容和应用对象见表1。

表 1　各试验类别的目的、内容和应用对象Table 1　Objective，content and application object of various tests

3　振动谱和振动量值

3.1振动谱

飞机的振动谱的谱型主要取决其主要振源即发动机的类型。因此，DO 160F/G中的振动谱按飞机上装载的发动机类型分别给出其机载设备的振动谱型。由于机载设备经受的振动强度还取决于离振源的距离和所在位置。因此，每一振动谱中还给出了机上各位置对应的多条振动曲线，如图1—4所示。

图1　固定翼涡轮喷气发动机和涡扇发动机飞机上的设备Fig.1　Equipment on fixed wing turbojet engine and turbofan engine

3.2振动量值

3.2.1装有涡轮喷气发动机和涡扇发动机的固定翼飞机上的设备

这类飞机的振动是由飞机蒙皮经受的气动扰流和发动机、齿轮箱工作引起的。位于机身，仪表板、控制台与设备机架，发动机舱和吊舱，机翼及起落架舱，尾翼及翼尖整流罩五个区的设备经受随机振动；位于发动机及齿轮箱和起落架两个区的设备主要经受正弦振动；发动机叶片损坏导致机载设备经受短时高量值瞬态正弦振动。

图2　固定翼无涵道涡轮风扇（桨扇）发动机飞机上的设备标准和强化正弦振动曲线Fig.2　Standard and strengthened sine vibration curves of equipment on fixed wing turbofan engine plane without bypass

图3　固定翼涡轮喷气发动机和涡扇发动机、无涵道涡轮风扇(桨扇)发动机上的部分设备短时高量级正弦振动试验曲线Fig.3　Short-term and high magnitude sine vibration curve of some equipment on fixed wing turbojet engine,turbofan engine and turbofan(prop-fan)with bypass

图4　安装在固定翼活塞式发动机或涡轮螺桨发动机飞机上设备的标准正弦振动试验曲线Fig.4　Standard sine vibration curve of equipment on fixed wing piston engine or turboprop plane

1）位于机身，仪表板、控制台与设备机架，发动机机舱和吊舱，机翼及起落架舱和尾翼及翼尖整流罩五个区的设备。这五个区域的机载设备遇到均是随机振动环境，由于机载设备在机上的位置不同，其随机振动谱的曲线各不一样，如图1a和b所示。图1a是标准振动曲线，图1b是强化振动曲线，两者谱型相同，只是强化振动量值相对于标准正弦振动量值作了放大［9—10］，每根曲线上均标明了量值，但表2中的频率量值表更清楚。该表给出了性能和耐久试验的量值计算公式或具体数据，表2中概括了飞机上各个区使用的振动类型和曲线。从表2中可以看出，对于装在仪表板、控制台与设备机架上的区域设备，大多数使用（B2）这一预期量级，其振动强化试验量值(B12)相对于标准振动试验（B2）放大了4倍［11—12］；如果使用能反映所有预计环境的更高量级（B），则振动强化试验的量级（B1）相对于标准振动试验量级（B）放大了2倍。装在大型飞机上这一区域的设备，其标准振动量值使用最高的振动量级（B3），其强化振动试验量级（B4）也为其标准振动量级的2倍。装在其他三个区的设备，强化振动试验量值（C1，D1和E1曲线）均为其标准振动量值（C，D和E）的2倍。从表2中还可以看出，装在机翼及起落架舱的设备的标准振动和强化振动试验曲线与装在尾翼及翼尖整流罩区的设备的曲线是完全一样的［13］。

2）位于发动机及齿轮箱和起落架区的设备。安装在发动机及齿轮箱和起落架两个区域的设备主要经受正弦振动环境，其正弦振动曲线如图2所示，仅适用于（机身、发动机及齿轮箱、起落架和尾翼及翼尖整流罩四个区的设备。与上述随机振动不同，这两个区域设备的标准和强化正弦振动曲线是一样的，都是使用W曲线，可见对两个区域内设备要求的振动谱和量值是一样的。

3）所有区的设备。飞机发动机风扇叶片在使用中可能发生损坏，从而导致固定翼飞机发生异常振动情况，这时机载设备将遇到短时高量级的瞬态正弦振动。这一试验适用于飞机上所有区域内，其功能性能丧失将危及到飞机性能的设备。其振动谱型和振动量值的曲线如图3所示，不包括活塞式和涡轮螺旋桨发动机飞机上的设备。显然安装在机身，仪表板、控制台与设备机架两个区的设备经受这种振动的强度较小，使用图3中量值较低的R曲线，其他区域使用P曲线。

3.2.2装有无涵道涡轮风扇发动机上的设备

这类飞机的振动主要是由发动机和齿轮箱工作引起的，飞机蒙皮经受气动扰流也是引起振动的原因之一。位于机身，发动机及齿轮箱，起落架和尾翼及翼尖整流罩四个区域的设备主要经受正弦振动；位于仪表板、控制台与设备机架，发动机舱和吊舱，机翼及起落架三个区域的设备主要经受随机振动；发动机叶片损坏导致机载设备经受短时高量值的正弦振动。

1）安装在机身、发动机及齿轮箱、起落架和尾翼及翼尖整流罩四个区域的设备。这类设备主要经受正弦振动环境，尾翼及翼尖整流罩区的设备也经受随机振动环境的作用［14—19］。正弦振动曲线如图3所示。从表2可以看出，机身区设备使用Y曲线，发动机及齿轮箱区和起落架区使用W曲线，尾翼及翼尖整流罩区的设备可使用图2中的Z曲线，也可使用图1a中的E曲线和图1b中的E1曲线。正弦振动与随机振动不同，其标准振动和强化振动使用的是同一条曲线，没有放大倍数问题［20］。有关耐受振动疲劳累积损伤的能力通过共振点驻留试验来解决，一般在每个频率上驻留30 min［21］。

2）安装在仪表板、控制台与设备机架，发动机舱和吊舱，机翼及起落架舱三个区域的设备。这三个区域设备主要经受随机振动环境［22］，其振动曲线与安装在涡轮喷气发动机和涡扇发动机飞机上的设备是一样的（见表3），分为标准振动曲线和强化振动曲线（如图1a和b所示）。

3）所有区域设备。飞机上所有区域的设备，如要考虑涡轮叶片损坏造成的瞬态异常的正弦振动影响［23—24］，均需进行短时高量值正弦振动，如图3所示。

3.2.3装有活塞式或涡轮螺桨发动机的飞机上的设备

安装在这种飞机上的机载设备主要经受正弦振动环境：其振动曲线如图4所示，曲线上直接标明量值。标准中根据发动机是多发还是单发，推力是否大于5700 kg，将其分为3种类型，分别按机上位置给出振动曲线，如表4所示［25—26］。标准中只规定标准正弦振动曲线，未规定起落架，尾翼及翼尖整流罩两个区域设备的振动曲线。没有强化振动曲线，有关耐振动疲劳的能力的考核，通过共振驻留试验来解决［27］，每个共振点驻留时间一般最多为30 min，共振点不能多于4个。这种飞机的发动机没有涡轮叶片，不会产生因其损坏导致的短时高量值正弦振动［28—29］。

表2　试验量值及振动曲线（固定翼涡轮喷气发动机和涡扇发动机飞机上的设备）Table 2　Test magnitude and vibration curve（equipment on fixed wing turbojet engine and turbofan engine）　g2/Hz

表3　各区域的设备使用的振动曲线（固定翼无涵道涡轮风扇（桨扇）发动机飞机上的设备）Table 3　Vibration curve of each section（equipment on fixed wing turbofan（prop-fan）engine plane without bypass）

表4　各区设备的标准振动曲线（固定翼活塞式或涡轮螺桨发动机飞机）Table 4　Standard vibration curve of each section（equipment on fixed wing piston engine or turboprop plane）

4　振动试验的持续时间

固定翼民用飞机机载设备振动试验时间取决于其载机的类型、在机上的位置，是正弦振动还是随机振动［30—32］，是标准振动试验还是强化振动试验。活塞式或涡轮螺桨发动机的设备不进行强化振动试验。

5　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，因而其振动试验振动谱的谱型和振动量值可以事先确定。DO 160F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）固定翼涡轮喷气发动机或涡扇发动机飞机和无涵道涡轮风扇发动机机载设备的振动试验分为标准振动试验、强化振动试验和短时高量值振动试验三种类型。其标准振动试验实际上就是功能（性能）试验，其强化振动试验实际上是性能试验和耐久试验的组合，即在耐久试验前后要进行不少于10 min的性能试验。标准振动试验和强化振动试验可以用正弦振动也可用随机振动，具体取决于载机的类型或其在载机上的位置。短时高量值振动试验是由发动机风扇叶片损坏造成的瞬态振动，因而是正弦振动。固定翼活塞式或涡轮螺桨发动机飞机振动试验只有标准振动试验，没有强化振动和短时高量值振动试验。标准振动试验只进行正弦振动试验。

3）固定翼飞机的强化振动使用正弦振动时，正弦振动曲线与标准振动试验曲线一致，其强化主要体现在进行最多四个关键频率上30 min的共振驻留试验。因此其正弦试验程序中包括了每个轴向进行对数扫描速率不超过1.00 ct/min正弦扫频循环，以确定关键频率，并从中选出最严酷的四个关键频率用以进行振动驻留试验，振动驻留试验结束后，继续进行正弦扫频循环。正弦循环的时间为3 h减去在关键频率上驻留振动所用的时间。如果关键频率少于四个甚至没有，则可减少驻留振动所用时间甚至无需振动驻留，从而使正弦循环时间从1 h增加至3 h。

4）固定翼飞机的强化振动使用随机振动时，其振动曲线形状与标准振动试验一样，但量值要放大2倍或4倍（见表2），因而标准中分别提供了标准随机振动曲线（图1a）和强化振动曲线（图1a）。如前所述强化振动试验为每轴向只进行最低10 min的性能试验加上3 h的耐久试验。耐久试验时产品应处于工作状态，并在振动开始和即将结束时进行检测，确定是否满足设备性能标准，如果耐久试验期间产品不工作，则耐久试验结束后，则应在性能试验振动量级下检测其性能是否满足要求。

5）从图表中可以看出固定翼活塞式或涡轮螺桨发动机飞机的设备只安排标准振动试验（正弦振动），未安排强化试验程序，即不进行耐久试验，而且其起落架区和尾翼及翼尖整流罩两个区域未安排任何振动试验，尚未见到标准中对此的相关说明。此外标准中对未知直升机频率的机载设备的振动试验，仅规定了机身和仪表板、控制台和设备机架两个区域的振动要求，其他五个区域的加载设备的振动要求未作规定，也无相应说明。

6）DO 160F/G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(I) 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 ChinaAero-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 160F/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.1672-9242.2016.04.009

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)04-0054-08

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.