民用飞机测试体系的讨论

梁志国，尹肖，孙浩琳，张大治

(航空工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京 100095)

0 引言

测试是对给定的产品、材料、设备、生物体、物理现象、过程或服务按规定的程序确定一种或多种特性的技术操作，也可将其理解为测量和试验的综合。测试性是产品能及时、准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降)并隔离其内部故障的一种设计特性。

民用飞机测试是一个庞大而复杂的概念，其内容众多而庞杂，任务大小不一，阶段各个不同，主体单位众多[1-10]。虽然我国民用飞机测试发展了多年，但对于是否形成一个体系，一直存在争议。

测试一直处于任务驱动模式，本行业的实际行为多数处在学习和模仿先进国家的阶段[11-15]。实质上处于无行为主体、无行业监管、无准入门槛、无从业资质要求的状态。其构成体系的核心和构成要素不明晰。

目前，我国测试行业处于应急灭火状态，当出现故障或事故迫究责任时，才想起用测试手段诊断以解决问题。我国测试行业从整体上缺乏全面布局、规划发展的思想。例如：测试行业缺乏对被测试对象的主体功能和性能的测试和关注。测试人员缺乏对测试体系内涵的了解，民用飞机测试行业与整个测试行业的现状大体一致。

民用飞机测试行业与测试有关的工作均是以试验任务来驱动，其对测试的理解是：试验中的测量。从本质上说明测试仅仅是依附于试验的辅助事宜。本文后续内容，主要针对民机测试体系的内涵、构建等进行阐述与讨论，并试图给构建民机测试体系的人们提供一种思路和参考。

1 测试的任务

关于测试本身的任务，在航空行业一直存在共识[16]，主要包括：①故障诊断；②极限特性的探求和获取；③特征参量变化范围的核验与确认；④功能正常性的检查核验与确认；⑤多变量状态的同步与时序核验确认。它们存在于民用飞机从设计研制、试飞、定型、生产、使用维护、修理的各个阶段。在不同阶段，承担的测试任务不同，实施测试的主体不同，想要达到的测试目标也截然不同。

例如，研制阶段的飞机整机结构强度的静力试验[17]，其任务就是在3～6个月的时间里，确定飞机能够安全承载的最大静力量值是多少；耐久性疲劳强度试验，其任务则是在8～10年里，确定飞机安全飞行的疲劳寿命是多少。

研制阶段的各种离散源冲击试验，也是确认各种情况下的飞机安全性能的试验。例如：鸟撞试验，以不同速度状态的仿真鸟，用空气炮水平射击飞机头部以核验飞机头部损伤程度，来确认是否符合要求；水平冰击试验，采用不同颗粒与不同硬度的冰粒，以不同速度水平击打飞机头部，来核验飞机头部损伤程度，以确认是否符合要求；假人水平冲击试验，对安置在飞行座椅上且安装了各种传感器的仿真人，使用水平空气炮发射1～20 g范围内的水平加速度冲击激励(半正弦或三角波等波形)，通过对假人腰椎、颈椎等承载的力、力矩、加速度、位移等量的测量，核验飞机抗击水平冲击的水平，确认是否符合要求；摆锤击胸、击头试验，则是通过使用摆锤，对安置在飞行座椅上且安装了各种传感器的仿真人，进行锤击胸部和锤击头部试验，通过对假人腰椎、颈椎等承载的力、力矩、加速度、位移等量的测量，核验飞机抗击摆锤冲击水平，确认是否符合要求。起落架落震试验，通过将安装在试验工装上的飞机起落架提升几十厘米至2 m高，在机轮不同转速下自由落体着陆，判断造成的损伤，核验飞机抗击跌落冲击水平，确认是否符合要求;起落架摆振试验，通过将安装在试验工装上的飞机起落架提升几十厘米至2 m高，以不同角度自由落体至高速运动的地表，通过产生的侧向扭转的回复周期，判断起落架抗击摆振的性能水平，确认是否符合要求;全机落震试验[14]，则通过将飞机全机提升几十厘米至2 m高，自由落体着陆，以此判断造成的损伤，核验飞机抗击跌落冲击水平，确认是否符合要求。

著名的十大试验台[6]，主要针对飞机地面试验的系统：①飞行控制系统试验台；②飞行品质模拟试验台；③燃油系统模拟试验台；④电网模拟试验台；⑤环控系统模拟试验台；⑥液压系统模拟试验台；⑦进气道调节系统模拟试验台；⑧航空电子综合模拟试验台；⑨座舱盖模拟试验台；⑩座舱照明模拟试验台。另外，各种航空发动机试验台、试车台，各类风洞等也属此类。

以飞机机载设备为例，有以下几大类典型的系统需要进行测试验证与确认[7]。①飞控系统：包括远控电传(或液压)操纵系统，自动驾驶系统,组合导航设备(雷达导航系统、无线电导航系统、惯性导航系统、GPS导航系统、导航计算机系统、航向信息系统、无线电罗盘、高度信息系统、大气数据计算机和进场的仪表着陆系统、微波着陆系统等)，以及防冰、防撞系统等；②综合座舱显示系统；③机载自动监控系统：包括飞行参数记录装置，机载检测和告警系统等；④综合通讯系统：包括超短波电台、短波电台、机内通话器、语音报警器、计算机等；⑤机载电源系统；⑥环控系统；⑦气象雷达系统。

特别重要的飞行性能的试飞任务，则有更多的试验需要测试来验证完成。

另外，有关民机适航性要求的众多规定，内容要求贯穿于设计、试验、试飞、制造、使用维护等各个阶段[18-19]。尽管规定得很笼统，也是建立在测试试验的基础上的验证和确认过程。

从本质上说，这些均是民机测试相关的任务对象，为民机测试的主战场。

实际上，对于民用飞机，适航规章和标准可看做一个体系，其主要是安全有关的标准，规定了民用飞机若想通过适航认证，必须满足的一系列要求，包括设计和制造阶段的初始适航性，及使用和维护阶段的持续适航性。其中，一部分要求直接与测试有关，另外的部分，很多只是技术要求。标准的不同条目之间，从表面看并没有明确的逻辑关系，实质上，每一条标准的后面，都隐含着一系列适航事故造就的血的教训。因而，从适航标准有关的测试系列要求，仅仅可以抽象出安全体系的内涵与框架，难以抽象出民机测试体系的内涵与框架。

2 测试体系的概念

“测试历来无体系，测试工作不成体系。”这样的结论有些武断和绝对，但也不无道理。这主要是因为测试虽然渗透到几乎每一项实际工作之中，但在多数情况下都处于从属地位，另外，测试分类偏杂，其任务也偏杂，且无定数，总在变化过程之中。我国航空工业在自主研发方面的能力比较薄弱，自主探求极限特性和特征为主的主动测试行为较少，使得故障诊断、符合性验证类的被动测量行为占据主导地位，而测试或为辅助地位，仅仅作为一种工程手段。总体而言，有三种典型的测试活动：

1)性能测试，就单参量的量值而言，实质上是被测参量极限区间的边界确认，也可以是过程特征值的边界确认，或过程变化规律的符合性确认；对于多参量量值，还可能包括它们之间的同步、时序、因果关系等的验证与确认。校准过程类似于性能测试，属于计量性能的符合性验证确认行为。

2)功能测试，实质上是其功能符合性的验证与确认。

3)故障诊断，针对功能达不到预期要求，或性能达不到预期要求情况，以测试为手段进行故障定位、故障分离、故障判断等。为故障排除提供技术依据，通常多数属于功能测试，但也可从属于性能测试。

无论哪一种测试，都包含“人”、“机”、“料”、“法”、“环”五个主要要素。“人”为实施测试的主体，可以是技术机构、生产试验单位、部门，最终落实到实施者，以及相应的管理者；“机”是测试所用的仪器、设备、标准器具、装置、设施等，是测试得以实现的物质条件；“料”是被测对象及测试需求，可以是单项或多项，可以是功能或性能；为测试的基本要求；“法”是测试所依据的方法、标准、规范，以及测试结果的处理与呈现；“环”是测试所需要的环境条件。

围绕测试对象的测试目标，各项测试要素的集合，构成被测对象的测试体系，包括以下几方面体系：

①人才体系，即测试人力资源体系，测试任务的实施者，构成测试人才队伍体系，又可分为测试管理队伍体系和测试工程技术队伍体系。

②资源体系，即测试设备资源体系，是测试实践中的标准仪器和设施集合。

③任务体系，由各种不同的测试需求的总集合构成测试任务体系。

④方法体系，由测试方法、标准、规范、法规等集合构成测试原理、方法、法规体系。

⑤环境体系，由特殊的多种不同要求的、成体系的环境条件与设施构成环境条件体系。

⑥民用飞机测试体系，是围绕民用飞机测试任务及目标构建的全局性的工作与发展体系，有明确的目的、基本的任务需求、规范的技术要求、可用的技术结论、良好的发展态势。

3 民用飞机测试体系的构建

当明确测试体系所包含的要素之后，便可以主动规划和构建适用于不同对象的测试体系，并不断完善和发展。天然形成的测试资源和测试力量，靠的是利益驱动和需求牵引而产生，往往不完备、不系统。

任何一个工业产品，若想达到安全性、可靠性、维修性、测试性、计量性五个方面的基本要求，并在使用维护中顺利实施，需要在设计阶段就予以考虑。若设计时考虑不全面，后期将难以补救。因此，若非主动构建测试体系，仅靠利益驱动和需求牵引，很多测试任务是无法在实际工作中顺利完成的。因为设计方和测试方并非同一主体，产品使用方对设计方的技术要求并不能做到如此完备而具体，而对于不属于自身必须要求的技术特性，设计方往往选择忽略，从而导致产品缺乏测试性特征。

主动构建测试体系的情况则不然，它是建立在详细的测试需求分析基础上，经过利害分析、目标分析、技术要求分析、技术任务分解、实施方式的验证与确认，经主动构建和持续运营与完善。它包含测试管理体系、测试技术体系、测试监督体系，从产品概念提出和技术设计阶段就予以考虑测试性问题，以及包括测试顺利实现的“人”、“机”、“料”、“法”、“环”的全部测试要素。在系统内达成共识，系统外获得认可。以飞机为例，可构建如下图1所示的测试体系框架。

由图1可见，若将民用飞机全寿命周期分为设计研制、地面试验、试飞定型、工程制造、使用维护5个阶段，每一阶段都可分析整理出若干测试任务，而每一个测试任务又都拥有若干个测试目标。针对每一个具体的测试任务的若干个测试目标，设计构建相应的测试系统，按照标准化的测试方法与流程，获得测试结果，最终处理获得明确的测试结论，从而完成测试任务。

图2所示为民用飞机测试体系的量值溯源框架，其中可见，民用飞机各个测试系统所涉及的量值，均需通过各种校准方法溯源到上级计量标准，从而确保测试所获得的结论的准确无误，没有进行量值溯源的测试数据所获得的结论不具备可信性。关于这一点，测试校准实验室认可准则中已明确表述，不再赘述。

图1 民用飞机测试体系框架

图2 民用飞机测试体系量值溯源框架

从这里可知，民用飞机测试体系构建包括：①梳理出各个阶段的全部测试任务，将其变成标准化测试任务体系；②针对每一项测试任务，制定完善的测试目标系统，并以此构建相应的测试系统，全部测试任务的各个测试系统，构成民机测试系统体系；③全部测试所依赖的理论、方法，构成测试的理论方法体系，应以手册、标准、规范、规程、条例、大纲等各种形式，将其规范化、系统化和标准化，构筑民机测试理论方法及法规体系；④针对全部测试任务所涉及的物理量值，构建完备的如图2所示的量值溯源链，将它们有效溯源到上级计量标准；也可将其称之为编织完善的量值溯源链，构筑完整的量值溯源体系；⑤整合各个阶段、不同单位和部门的测试管理人员与测试技术人员，构建民机测试人才队伍体系；该队伍的从业单位与部门，应该通过相应测试实验室认可准则的认可[20]，作为测试行业的最低入门要求。

4 讨论

从上述过程可见，民机测试体系实际上包含了任务体系、硬件能力体系、理论方法体系、技术法规体系、量值溯源体系、人才队伍体系等方面的内涵。若想让其完整有效，需要进行顶层设计与行业管理。在飞机设计阶段，同步分析其测试任务体系，同时考虑其测试体系构建问题，并按照安全性、可靠性、维修性、测试性、计量性五个方面的基本要求，进行测试体系的设计构建，并将其标准化、文件化和制度化[21]。

特别是测试系统的计量溯源问题，在许多以故障诊断和定位为目标的测试活动中，并未给予应有的重视，从而也影响了以性能获取为目标的测试活动的量值溯源理念。若不在设计建造阶段同时进行计量性设计，会导致测试系统的许多量值，在实际工作中无法进行有效溯源[8-9]，因而给依赖定量量值给出测试结论的测试工作带来巨大隐患，这也是很多复杂测试系统的典型缺陷，几乎每一个飞机制造厂，都有一些无法完整溯源的测试设施与系统。

5 结束语

通过讨论民用飞机测试系统的内涵，分析测试体系框架如何构建。民机测试体系技术框架其分为5个不同阶段，以测试任务为驱动进行全面考虑，并从任务体系、硬件能力体系、法规体系、溯源体系、人才队伍五个方面，系统阐述了民用飞机测试体系的内涵。