民用飞机机电系统试验测试技术

王 红， 杨冬健， 杨占才， 陈洪全

(航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111)

随着民用飞机机电系统不断发展，其设计和研制越来越依赖于先进的试验测试手段，机电系统试验测试技术涵盖了机电系统、子系统及关键部件研制试验验证过程中所需的测试技术。在机电系统功能性能试验测试过程中，如何满足试验需求、完整地采集试验数据、保证测试系统稳定可靠运行、准确无误地进行数据处理和分析，是机电系统测试技术发展及测试装备研制急需解决的问题。

在民用飞机机电系统试验测试过程中，合理有效的试验方法是实现机电系统功能性能验证的根本，准确完备的测试需求是测试设备研制的前提和基础，性能稳定且精度符合要求的测试设备是确保机电系统验证测试活动正常进行的重要保障[1]。由于目前我国并没有全面且系统地了解和掌握民用飞机机电系统试验测试技术，对一些关键瓶颈测试技术缺乏有效梳理，且民用飞机机电系统试验测试技术研究工作比较分散，难以形成合力，这些严重阻碍了我国民用飞机机电系统试验测试技术的发展。鉴于以上实际情况，本文从民用飞机机电系统试验方法和测试需求分析出发，在深入调研分析国外发展趋势、国内发展现状及存在的实际问题基础上，提出提升我国民用飞机机电系统试验测试技术能力的几点建议，希望能够为我国民用飞机机电系统试验测试技术的科学发展和体系化建设提供清晰的解决途径。

1 机电系统试验技术

1.1 机电系统主要试验

机电系统作为飞机飞行保障系统，在民用飞机中所占的比例越来越大，其技术水平的高低直接影响到飞机的整体性能[2]。机电系统试验主要包括系统综合试验以及电气系统、液压系统、燃油系统、防火系统、环境控制系统、起落架系统、旋翼系统、传动系统、照明系统和设备/装饰等各类子系统的试验。

① 系统综合试验。机电管理系统通过采用数据总线和微处理机技术将飞机上各个机电子系统进行整合，进而实现对各个机电子系统的综合监测、控制和管理。机电系统综合试验主要有成品与机电管理系统交联试验、总线通信试验和飞机实际工作逻辑模拟试验等。

② 电气系统试验。电气系统所需的试验主要有地面模拟试验、飞行试验等。其中，地面模拟试验的试验科目主要有稳态试验、瞬态试验、过载试验、并联试验、保护功能试验和匹配试验等。飞行试验科目主要有交流电源系统飞行试验、直流电源系统飞行试验等。

③ 液压系统试验。按照液压系统设计特征和基本数据等相关规范要求，液压系统必须完成有关研制性试验和合格鉴定试验，主要试验有原理试验、模拟试验、机上地面试验、飞行试验等。液压系统测试参数主要包括动力元件参数、控制元件参数、执行元件参数和辅助元件参数等。

④ 燃油系统试验。燃油系统主要试验项目包括燃油箱抗坠毁试验、燃油系统地面全模拟试验、燃油系统飞行试验等。其中，燃油系统地面全模拟试验包括供油系统模拟试验、燃油测量系统试验、地面重力加油/放油模拟试验和传输系统模拟试验等。燃油系统飞行试验包括热油飞行试验、燃油箱通气飞行试验和可用油量飞行试验等。燃油系统测试参数由泵类参数、测量与控制参数、油箱参数及附件(阀类)参数组成。

⑤ 防火系统试验。防火系统所需的试验主要有地面模拟试验、飞行试验等。防火系统试验科目主要包括防火系统供电试验、防火系统控制试验、指示和告警等模拟试验、防火系统逻辑动作试验、烟雾探测试验、灭火剂浓度测试试验、灭火效果评估试验等。

⑥ 环境控制系统试验。环控系统试验主要包括空调系统试验和防/除冰系统试验。空调系统所需的试验主要有试验室试验、地面试验、飞行试验。空调系统试验科目主要有座舱温度调节系统试验、座舱湿度调节系统试验、环境防护系统试验、发动机引气系统试验、设备舱环境控制系统试验等。防/除冰系统所需的试验主要有地面试验和空中试验。防/除冰系统试验科目主要有地面干冷空气环境试验、地面旋翼防/除冰试验、悬停干冷空气环境试验、悬停旋翼防/除冰试验、驾驶舱电加温玻璃防冰试验和发动机进气结冰试验等。

⑦ 起落架系统试验。起落架系统所需进行的验证试验科目包括起落架静强度试验、起落架落震试验、起落架缓冲支柱(器)和轮胎动力特性试验、前/尾起落架摆振试验、起落架疲劳试验等。其中，起落架落震试验包括设计着陆试验、充填参数容差试验、储备能量试验、耐坠毁落震试验等，其测试参数由缓冲支柱装置测试参数、前起转弯操纵装置测试参数、前起减摆装置测试参数、收放装置测试及系统级测试参数、整体静压试验测试参数等组成。

⑧ 旋翼系统试验。旋翼系统主要试验包括设计与工艺符合性试验、结构件疲劳试验、尾桨试验台试验、旋翼塔试验、科研试飞、载荷实测飞行和取证试飞等。旋翼系统测试内容涵盖研制性试验、工程鉴定试验等阶段测试内容，其中研制性试验包括新型材料的机械性能、疲劳断裂特性的测定，尤其是新型复合材料的全面性能测试与鉴定等；工程鉴定试验阶段主要包括部件鉴定试验、系统鉴定试验等。

⑨ 传动系统试验。传动系统主要试验包括主减速器超运转试验、中/尾减速器部件(机匣、齿轮轴、尾桨轴)静力试验、中/尾减速器超扭试验、中/尾减速器超转试验、旋翼刹车装置测温试验、旋翼传动系统和操纵机构耐久性试验(含超转、超扭)、传动系统静态试验、动平衡试验、飞行试验等。

⑩ 照明系统试验。照明系统试验主要包括机内照明系统试验和机外照明系统试验等。照明系统测试参数包括驾驶舱内照明测试参数和舱外照明测试参数。驾驶舱内照明测试参数包括照度、亮度、光强和颜色，舱外照明测试参数主要是颜色。

1.2 机电系统主要试验测试需求

机电系统主要测试需求如下。

① 测试参数。机电系统试验所需测试参数主要包括转速、振动、温度、湿度、电压、电流、压力、压差、流量(气体、液体)、流速、液位、油液污染度、油液品质、燃油浊度、燃油密度、浓度(灭火剂、氧气)、应变、位置、位移、倾角、载荷、扭矩、冰型、金属屑末和烟雾等类型。

② 测试传感器。机电系统试验过程中使用传感器主要用于电气、液压、起落架、燃油、防火、环控、旋翼和传动等子系统功能性能测试。机电系统试验过程中使用的传感器种类如表1所示。

表1 机电系统试验过程中使用的传感器种类

③ 测试仪器。机电系统试验过程中需要使用的测试仪器主要包括通用测试仪器及各个子系统所需的专用测试仪器等。其中，通用测试仪器主要包括动态信号分析、函数信号发生器、示波器、信号源、数字万用表、钳形电流表、多功能总线监控设备等。机电系统试验过程中使用的专用测试仪器种类如表2所示。

表2 机电系统试验过程中使用的专用测试仪器种类

2 机电系统试验测试体系

通过对民用飞机机电系统主要试验及测试需求进行分析，并对国外民用飞机机电系统试验测试技术进行深入调研，结合国内相关技术发展情况，总结出民用飞机机电系统试验测试体系包括机电系统试验测试技术谱系、机电系统试验测试产品谱系和机电系统试验测试标准谱系三大部分。机电系统试验测试技术谱系包括基础测试技术、专业测试技术和前沿测试技术3个部分。机电系统试验过程中使用的基础测试技术包括传感器技术、信号激励技术、信号采集技术、接口适配技术、数据交换技术、测试数据应用技术、测试仪器技术、通用测试软件技术、虚拟测试技术、集成测试技术、功能安全验证测试技术、智能测试技术和诊断测试技术等方面。机电系统试验过程中使用的专业测试技术包括系统综合试验测试技术、电气系统试验测试技术、液压系统试验测试技术、燃油系统试验测试技术、防火系统试验测试技术、环控系统试验测试技术、起落架系统试验测试技术、旋翼系统试验测试技术、传动系统试验测试技术、照明系统试验测试技术及设备/装饰试验测试技术等方面。机电系统试验过程中使用的前沿测试技术包括机载燃油流量在线检测技术、机载旋翼轨迹在线检测技术、旋翼桨叶三维变形测试技术、机载旋翼噪声在线测量技术等方面。机电系统试验测试产品条目和标准条目与专业测试技术分类相似。机电系统试验测试产品研发需求主要指型号急需研制及前沿测试技术物化的相关产品或设备，例如机载燃油流量在线检测系统、滑油碎屑在线检测系统、小型化专用灭火器浓度测量设备、机载供氧系统中氧气监控器、高寒环境翼型积冰高准确度预测系统、结冰综合探测与预警系统、旋翼气动噪声测量与预测系统、基于自发电技术的旋翼变矩拉杆测量系统等产品。机电系统试验测试标准研发需求主要指型号急需研制及前沿测试技术相关标准，例如机电综合地面试验测试、超声波流量检测、旋翼综合参数激光多普勒轮廓测量、旋翼全姿态旋转轨迹高精度测量、基于光纤光栅的飞机管路振动监测、传动系统滑油碎屑定量检测及桨叶变形、桨轴拉力实时精确测量等标准。

民用飞机机电系统试验测试体系如图1所示。

图1 民用飞机机电系统试验测试体系

3 国外机电系统试验测试技术发展趋势

从国外航空机电系统技术发展来看，机电系统在综合化方面已经取得了明显进展，从多电飞机到能量优化飞机，国外实现了机电系统能量、功能、物理和控制方面的综合，机电系统的综合意味着各个系统不再是独立运行的，而是交叉关联的，复杂程度极高，是从量变到质变的转换[2]。机电系统综合化发展已经成为发达国家发展下一代机型的重要技术领域。在此形势下，发达国家对机电系统的综合试验相当重视，专门开发了整体综合试验设施，以及各个机电子系统甚至零部件的核心试验设备，能进行模拟试验、地面试验和飞行试验等全部试验科目。

从整体上看，国外机电系统试验测试技术逐步向自动化、综合化、虚拟化、智能化、非接触式等方向发展。通过对国外机电系统测试技术发展进行调研和分析，主要结论包括以下8个方面：① 高功率、高可靠性、不中断发电电气系统试验测试技术不断成熟，已经实现工程化；② 不断发展非接触测试、多线程并行测试、无线台测试的液压系统试验测试技术；③ 燃油系统的污染油液测量技术、燃油流量精确测量技术、极限环境试验测试技术、虚拟试验测试与验证技术、自动称重测试技术、分布式压力/流量测试技术和非接触式感知测试技术等方面不断熟化；④ 防火系统的灭火剂浓度探测、烟雾探测、高低温环境模拟、防火系统高精度探测及快速响应等先进测量技术已实现工程化应用；⑤ 照明系统的智能功效试验测试分析及处理技术将是未来重要发展方向；⑥ 旋翼锥体试验测试向光学、非接触、轻巧易安装的方向发展；⑦ 旋翼系统动平衡试验向实时监测和全自动智能动平衡调整方向发展；⑧ 传动系统测试逐步集成到机载实时检测，并随着传感器无线通信技术的发展，向远程监控的方向发展。

国外机电系统试验测试产品方面，国外MOOG、GE、Bauer和TEST-FUCHS GmbH等公司都研制出了相应的机电综合试验测试设备，并在B787、A380等先进飞机机电系统综合试验中得到应用。德国HBM公司研制的飞机电气系统试验测试设备也在大型民机上得到应用。此外，国外在油液污染颗粒在线检测、机翼活动面作动器测试、液压管路流量超声波非接触测量等技术领域处于领先地位。

国外机电系统试验测试标准方面，SAE、ASTM、ISO、ANSI等机构和协会颁布了大量试验测试方面的标准，涵盖了飞机各个子系统，尤其是电气系统、燃油系统和液压系统标准规范最为全面和详细，为国外民用飞机机电系统试验验证提供了重要支撑。例如SAE ARP 6200(商用飞机液压系统的测试要求和方法)、SAE ARP 1532(飞机氧气系统管路装配、测试和安装方法)、SAE ARP 4103(商用飞机驾驶舱照明设计中的影响因素和验证测试方法)、SAE ARP 1185C(液压油管接头和配件的弯曲测试方法)、SAE ARP 1383C(液压元件的冲击试验测试方法)、SAE ARP 5945A(I型飞机除冰/防冰液的耐久时间测试程序)、SAE ARP 5485B(II/III/IV型飞机除冰/防结冰液的耐久时间测试程序)等，都是国外近期颁布的与试验测试相关的标准。

国外未来重点发展的机电系统前沿测试技术主要包括机载燃油流量的超声波在线测量技术[3-5]、小型光学机载旋翼轨迹在线传感器技术[6]、高温高压气缸内压力和温度测试技术、基于立体视觉的旋翼桨叶三维动态变形测量技术[7-9]、旋翼桨轴拉力在线实时精确测量技术、复杂环境下机载旋翼噪声在线测试及噪声源分离测试技术[10]以及传动系统智能感知技术[11-12]等。

4 国内机电系统试验测试技术发展现状

通过对国内机电系统测试技术实际情况进行调研和分析，主要结论包括8个方面：① 机电综合测试标准化、集成化程度与国外相比有一定差距，测试数据管理手段在智能化方面相对不足；② 地面性能测试在自动化、数字化和集成化方面与世界先进测试技术相比仍有一定欠缺；③ 测试设备方面主要为自行设计或与供应商开展合作，在测试核心资源、关键测试模块方面大多依赖进口，存在技术风险，国产相关资源和模块可靠性、稳定性有待提高；④ 故障诊断大多依赖人工经验判读，故障定位难度大，某些测试手段和准确性受环境限制，有些只能在外场进行，且耗时较长，极其消耗人力；⑤ 总装地面功能测试仍以单系统手动测试为主，测试周期长，效率低下，系统化、网络化控制手段不足；⑥ 直升机旋翼系统试验测试精度有待提高，测试工具与手段尚需进一步改进和提高；⑦ 我国飞机机电系统非接触测试技术和关键测试仪器基本靠进口，大量的先进仪器靠引进，国产化水平低，这种局面严重制约了我国民机机电系统的技术进步；⑧ 国内机电试验测试设备供应商很多，技术水平不一，标准不统一，大多只依据需求进行集成，严重影响了测试数据交换、数据共享、数据挖掘等能力的进一步提升。

国内机电系统试验测试标准方面，大多以国军标、行标、企业标准的形式存在，与机电系统试验测试技术直接相关的标准规范较少，一般是在一些通用规范、试验要求等标准中涉及一些测试方面的内容。国内机电系统试验测试标准存在体系不完善、标准不健全、标准贯彻不到位等实际问题[13]。上海飞机设计研究院根据环控系统试验测试需求，编制企业级规范《民用飞机环控系统试验室试验信号测量与采集规范》和《地面模拟试验环境中环控管路流量测试规范》等，为环境系统试验测试的规范化提供了重要保障，但仍旧无法在测试标准的全面性、专业性、系统性等方面缩小与国外的差距。

在直升机旋翼试验测试领域，对高精度旋翼轨迹/流场测试技术、旋翼噪声机理与控制技术、失速特性(层流、分离或湍流)测试技术、桨叶动态模态试验测试技术、桨叶形变试验测试新方法和新构型旋翼系统(包括无轴承旋翼、刚性共轴式旋翼和万向铰式旋翼)关重件疲劳载荷监测等原理性、机理性和新方法研究不足，还没有形成完整的旋翼气动和动力学综合分析软件，难以开展虚拟试验技术研究，与国外相比，还有一定差距。

5 机电系统试验测试技术发展建议

结合民用飞机机电系统实际需求和国内相关技术发展现状，国内必须从提升适航验证能力、突破核心关键测试技术、研制地面试验集成化测试平台、推动试验测试标准化工作等方面成体系开展工作，为未来我国民用飞机机电系统试验测试技术发展提供重要支撑。

① 继续深入剖析适航验证对机电系统试验的测试需求，提升机电系统适航验证能力。国内需要进一步深入剖析CCAR25、CCAR29等适航标准对机电系统试验的需求，明确对测试方法、测试流程和测试设备的需求，尤其应重点剖析特殊复杂环境下测试技术、极限参数测试技术及其适航验证方法，梳理出国内不足之处，并对现有试验台进行改造或重新研制适航验证试验台，为新一代民用飞机研制提供技术保障。

② 突破一批地面试验测试核心关键技术，提升机电系统地面研制试验测试保障能力。通过对国内民用飞机机电系统深入调研分析，未来国内还需重点突破旋转部件测试及信号高速传输、气缸内压力和温度测试、桨叶轨迹/变形及桨轴拉力精确测量、旋翼综合参数激光多普勒轮廓测量、旋翼系统非接触式测量、旋翼噪声测试及噪声源分离测试、传动系统滑油碎屑定量检测、基于光纤光栅的飞机管路振动监测、高寒环境翼型积冰高准确度预测、油气路系统状态监测、机载氧气实时状态监控、灭火器高精度浓度测量等核心关键技术，不断拓展数字孪生、大数据、云计算和物联网新兴技术在机电系统试验测试领域中的应用[14-17]，重点研制新一代大型客机和民用直升机等装备急需的机电系统试验测试设备，以提升机电系统研制试验测试保障能力。

③ 深入挖掘新的机电系统结构形式对试验测试技术的新需求，掌握未来机电系统试验测试技术发展方向。民用飞机机电系统目前正向综合化、多电化和智能化方向发展，目标是实现功能、能量、控制和物理4个方面的全综合。随着飞机性能的不断提高，机电系统所承担的飞行保障任务越来越重，国外波音B787、空客A380、空客A350等先进机型已逐渐采用航空机电系统综合技术，使传统机电系统从各自独立发展快速向机电综合方向发展，机电系统综合技术已成为未来航空的重点发展方向。随着多电/全电飞机的不断发展，采用高压直流电源、电动作动器、电动燃油泵、磁悬浮轴承等新型机载产品及电刹车、电结冰防护、电动环境控制、光通信架构等新结构形式的机载系统不断涌现，必将给机电系统试验测试技术发展带来新的挑战。

④ 研制地面试验集成化测试平台，提升地面试验测试设备通用化、智能化、信息化水平和数据共享能力。国内民用飞机机电系统地面试验阶段的测试设备种类繁多，由于生产商技术能力参差不齐、标准不统一，大多采用专用测试设备，接口定义没有规范约束，造成各种测试设备架构不统一、接口不兼容、实现数据共享难度大，而且难以解决全寿命周期测试数据互联、互通的要求。随着我国民用飞机机电系统功能和性能的不断提升，为提高我国民用飞机机电系统研发能力，迫切需要遵循统一的方法、一致的架构、相同的标准来研制机电系统地面试验集成化测试平台，为提升地面试验测试设备通用化、智能化、信息化水平和数据共享能力提供重要保障。

⑤ 重视试验测试标准工作，提升试验测试标准化和规范化水平。随着国内新一代大型客机及民用直升机研制的不断开展，国内民机标准制定工作严重滞后，特别是有关机电系统试验测试与验证方法的标准尤其落后，国内应该在现有机型机电系统研制经验基础上，尽快完善相关标准并发布，为新型民机研制提供标准化支撑。

6 结束语

本文系统阐述了民用飞机机电系统主要试验类型、测试参数需求、测试传感器需求和测试仪器需求，明确了综合化、虚拟化、智能化、非接触测试的发展趋势，分析了国内目前还存在核心关键测试资源依赖进口、直升机旋翼系统精确测量技术有待提高、试验验证标准化程度不高、测试数据共享难度大等主要问题。为了提升国内民用飞机机电系统试验测试技术能力和水平，提出了国内必须从提升适航验证能力、突破核心关键测试技术、研制地面试验集成化测试平台、推动试验测试标准化工作等方面开展工作的建议，希望能够为我国民用飞机机电系统试验测试技术发展起到一定的借鉴和指导作用。