民用航空器测试技术体系架构研究

(航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111)

众所周知，发展民用航空产品必须紧紧围绕产品的适航技术标准，建立完备的设计验证、生产检测、性能试验、故障诊断等检测能力，以支撑产品的适航取证和试验验证工作[1]。在此过程中，测试技术及其工程应用能力的发展建设，对产品的适航工作有着无可替代的基础保证与支撑作用，是民机工程中重要的技术基础工作。国内民用航空器研制虽然已经逐步从仿制到自主集成创新方向发展[2]，但测试技术一直随民用航空器型号研制而开展工作，型号需要什么就测什么，测试技术未能从顶层、从整体加以考虑，尚未形成体系化发展和引领局面。显然，没有体系引导的测试技术研究工作不仅与民用航空器的发展需求不相匹配，影响民用航空器发展，也无法对民用航空器研制能力的提高起到有效的推动作用。为推动测试技术稳步有序发展，尽快补齐短板，并更有力地支持和保障民用航空器发展，迫切需要开展民用航空器测试技术体系的研究。

目前国内民用航空测试技术发展存在的首要问题是缺乏成系统、成体系的顶层规划，而且民用航空器测试技术需要补课的领域非常多，必须循序渐进，逐步发展。因此，构建民用航空器测试技术体系是未来实现有重点、有计划、成体系、分阶段稳步地开展民用航空器测试技术研究的前提和基础。

1 概念与内涵

航空测试贯穿于航空产品的全寿命过程，包括设计、制造、试验与试飞、运营维护等阶段所需的测试技术。其中，设计阶段通过对模型或虚拟样机的功能进行测试，以验证航空产品设计方案的可行性；制造阶段的测试用于检验制造工艺和产品的质量；试验与试飞阶段的测试通过地面试验、飞行试验手段对产品的设计性能进行验证；运营维护阶段的测试用于监测产品机上状态或者检测和隔离故障。

航空测试覆盖了航空产品的各个层级，包括整机、系统、子系统、部件等所需的测试技术。现代飞机生产过程中，按照工作要求，在完成零部件的生产后，需要开展零部件的试验测试活动，以检验零部件的生产是否满足设计要求；然后对零部件进行组合和互联，并综合成功能相对独立的子系统，同时开展子系统试验测试活动，验证组成子系统的零部件之间接口关系是否兼容和协调一致，以及子系统的功能和性能是否满足设计要求；最后开展系统的综合试验测试活动，验证子系统之间接口关系是否兼容和协调一致，并从飞机整机的角度全面验证飞机系统的功能和性能是否满足设计要求[3]。

民用航空器涵盖民用飞机(固定翼和旋翼飞机)及飞控、航电、机电等机载设备与系统。民用航空器测试技术是指民用航空器设计、制造、试验、试飞和运营维护中所需的专业测试技术和通用基础测试技术。

民用航空器专业测试技术主要包括如下方面。

① 仿真试验测试技术。涵盖民用航空器整机、系统、子系统和关键部件在设计阶段所需要的仿真试验测试技术，具体包括仿真建模技术、虚拟试验测试技术和半实物仿真试验测试技术等方面。

② 风洞试验测试技术。涵盖民用航空器模型在风洞试验过程中所涉及的测试技术，具体包括风洞试验综合测试技术、气动力测试技术、气动热测试技术、气动流场测试技术、模型变形及姿态测量技术、结冰特性测试技术、气动噪声测试技术等方面。

③ 整机试验测试技术。涵盖民用航空器整机试验验证过程中涉及的测试技术，具体包括全机功能性能测试技术、飞机称重测试技术、全机水平测量技术、全机转动惯量测试技术、全机线缆测试技术等方面。

④ 飞控系统试验测试技术。涵盖飞控系统综合、子系统及关键部件研制试验验证过程中涉及的测试技术，具体包括飞控系统综合试验测试技术、操纵系统试验测试技术、飞控计算机试验测试技术、伺服作动器试验测试技术、传感器试验测试技术等方面。

⑤ 航电系统试验测试技术。涵盖航电系统综合、子系统及关键部件研制试验验证过程中涉及的测试技术，具体包括航电系统综合试验测试技术、自动飞行系统试验测试技术、通信系统试验测试技术、指示和记录系统试验测试技术、导航与监视系统试验测试技术、综合处理系统试验测试技术、机载维护系统试验测试技术、信息系统试验测试技术、客舱系统试验测试技术等方面。

⑥ 机电系统试验测试技术。涵盖机电系统综合、子系统及关键部件研制试验验证过程中涉及的测试技术，具体包括机电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、起落架系统试验测试技术、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、照明系统试验测试技术、旋翼系统试验测试技术、传动系统试验测试技术等方面。

⑦ 结构试验测试技术。涵盖民用航空器地面结构强度试验过程中所涉及的测试技术，具体包括结构静力与疲劳试验测试技术、结构热强度试验测试技术、结构腐蚀试验测试技术、结构噪声试验测试技术、结构动强度试验测试技术、结构综合环境试验测试技术、结构磨损试验测试技术、材料性能试验测量技术、结构无损检测技术等方面。

⑧ 飞行试验测试技术。涵盖民用航空器整机、系统、子系统和关键部件在飞行试验过程中所涉及的测试技术，具体包括飞行气动力测试技术、飞行品质测试技术、飞行性能测试技术、飞行载荷测试技术、飞行颤振测试技术、飞行噪声测试技术等方面。

⑨ 制造测试技术。涵盖民用航空器整机、系统、子系统和关键部件在加工、装配、对接及出厂检测时所需的测试技术，具体包括制造工艺验证测试技术、制造质量保障测试技术和成品件入厂测试技术等方面。

⑩ 维护测试技术。涵盖民用航空器整机、系统、子系统和关键部件在运营维护过程中所涉及的测试技术，具体包括机载维护测试技术、机内测试技术、维护自动化测试技术、便携式维护测试技术等方面。

民用航空器通用基础测试技术是指为满足航空器设计、制造、试验、试飞、运营活动中的测试需求所开展的信息感知、数据采集、数据交换、数据应用等单元技术及其物化的测试系统等相关的通用和基础测试理论、方法及技术研究，形成测试方法、工具、算法、标准、数据、软件、模块或装置等，能够提升民用航空器测试技术水平和能力，支撑民用航空器研制与产业发展。民用航空器通用基础测试技术涵盖单元技术和系统技术两个方面[4]。

民用航空器通用基础测试单元技术包括如下方面。

① 传感器技术。主要涵盖民用航空器机载安装的作为机载成品组成部分的传感器、地面试验过程中所需加装的传感器、飞行试验过程中需要加装的传感器等内容。

② 信号激励技术。主要涵盖模拟、数字、总线、射频等信号激励技术，以及将各种信号进行综合的混合信号激励技术等内容。

③ 数据采集技术。主要涵盖对传感器信号、机载总线信号进行采集的相关技术，主要涉及信号调理、模/数转换、微处理器、CPLD/FPAG、DSP、信号同步、抗干扰与电磁兼容性设计等内容，具体包括通用信号采集技术、机载总线信号采集技术、测试仪器总线技术等方面。

④ 接口适配技术。是为机载产品与测试设备之间提供电子、电气和机械兼容的装置，主要完成信号转接、信号转换、负载匹配等功能，具体包括整体结构设计、信号隔离设计、布线设计、供电设计、抗干扰设计等技术。

⑤ 数据交换技术。以数据共享为主要目的，采用无线网络、有线网络等传输方式，用于实现数据接收、数据打包及数据发送等的相关技术，具体包括机载总线技术、遥测网络技术、数据传输技术、数据共享技术等方面。

⑥ 测试数据应用技术。主要包括数据处理技术和数据管理技术。数据处理技术主要涵盖数据预处理、时频分析、状态监测、故障诊断、故障预测、健康管理、数据挖掘、数据融合及云应用技术等。数据管理技术主要涵盖数据整理、数据解析、数据存储、数据检索、数据显示、报告生成等内容。

民用航空器通用基础测试系统技术包括如下方面。

① 通用测试软件系统技术。包括测试架构技术和通用测试软件技术。测试架构技术主要涵盖集中式架构、网络分布式架构等，具体包括自动测试系统软件架构技术、健康管理系统软件架构技术、增强遥测综合网络软件架构技术等方面。通用测试软件技术主要涵盖测试程序语言、测试程序开发平台、测试程序运行平台、测试程序可移植与互操作及测试信息描述等相关技术。

② 测试仪器技术。主要指民用航空器制造、试验、试飞、运营活动中所使用的能够将信号激励、数据采集、数据处理、数据显示及报告生成等多种功能集成一体的台式仪器所需的技术与方法，具体包括基本电测仪器、通信测试仪器、微波测试仪器、光电测试仪器、无损检测仪器和其他专用测试仪器等方面。

③ 虚拟测试技术。主要指民用航空器制造检测、试验与试飞验证活动中使用软件代替部分硬件或全部硬件来构建各种虚拟试验测试环境，为实现部分或全部代替实物试验所需的虚拟测试技术，具体包括虚拟建模、虚拟仪器、虚拟现实及虚拟测试软件等相关技术。

④ 集成测试技术。主要指民用航空器整机、系统、子系统及关键部件试验验证，以及风洞试验、结构试验、机载系统试验、制造检测及维护过程中所需的将信息感知、数据采集、数据交换、数据应用等软硬件进行综合集成所需的动态参数测试、极限参数测试、复杂环境测试及综合参数测试等测试技术与方法。

⑤ 功能安全测试技术。主要指为了验证民用航空器系统功能安全所需的测试技术，具体包括可靠性验证测试技术、安全性验证测试技术、适航验证测试技术、测试性验证测试技术等方面。

⑥ 智能测试技术。主要指为了实现民用航空器制造、试验、试飞、运营维护中测试活动的智能化所需的智能测试技术和方法，具体包括智能感知、智能决策、智能控制、智能集成等方面，未来将重点发展云存储、并行计算、云计算、数据挖掘、大数据应用等智能技术在测试技术领域的应用。

⑦ 诊断测试技术。主要指为了实现民用航空器制造、试验、试飞、运营活动中快速精确检测故障所需的诊断测试技术，具体包括故障分析及仿真建模、信号分析及特征提取、状态监测与判别、故障诊断及信息融合、故障预测、故障注入及验证评价、健康管理等相关技术。

民用航空器测试技术体系是根据民用航空器科研活动管理需要，以通用、基础测试技术为主线，兼顾专业测试中的共性测试技术，按客观的结构层次关系和相互关系整理成的技术图谱[5]。民用航空器测试技术体系反映了民用航空器测试技术研究活动的总体构成，其内涵是从民用航空器发展对测试需求的角度出发，系统化地认识航空测试技术，使人们能够更清晰、更准确地了解和把握与民用航空器发展相关的航空测试技术。

2 民用航空器测试技术体系架构研究

国外以波音公司、空客公司为代表的民用航空器制造商都建立了各自的民用航空器测试技术体系，随着测试新原理、新方法、新技术的不断涌现，其测试技术体系也在不断发展和完善。该体系属于商业机密，国内难以直接获取、借鉴和参考。从目前国外技术文献和公开资料来看，主要检索到有关自动测试系统体系架构[6-11]、健康管理体系架构[12]、网络化测试和综合诊断体系架构[13-16]、试验与训练使能体系架构[17]、增强遥测综合网络体系架构[18]等系统级测试架构方面信息，没有检索到更为顶层的民用航空器测试技术体系架构相关信息。

民用航空器测试技术体系与军用航空器测试技术体系的研究与构建方法具有相似性，除了民用和军用航空器结构有一定差别外，主要区别还是在于使用环境、执行任务等的不同使得测试技术体系要素上有一定差别。如民用航空器重点关注适航要求，军用航空器具有体系化作战试验、武器系统试验、隐身试验等特点，在构建航空器测试技术体系中要进行重点考虑[19]。

依据我国民用航空器数量规模庞大、复杂性高等特点，以民用航空器全寿命周期测试需求为出发点，考虑适航规章对测试技术的需求，兼顾安全航空、数字航空和绿色航空对测试技术提出的新要求，按照有所侧重、突出重点，并反映技术发展趋势的思路，以民用航空器产品层次为基础，遵循测试技术需求层、测试技术实现层、测试技术验证层、测试技术应用层、测试技术产品层和测试技术标准层的逐层逐级分析方法，分层逐步深入开展民用航空器测试技术体系研究。本文构建的适用于我国的民用航空器测试技术体系架构如图1所示。

图1 民用航空器测试技术体系架构

2.1 测试技术需求层

基于民用航空器科技发展战略及航空器发展规划，以国内投入运营、在研、未来型号和国内外新技术发展对测试技术需求着手，按照测试对象规模、复杂性，以及产品不同层次等方面明确产品全寿命周期对测试技术需求。比如，针对民用航空器，可从测试对象的规模和产品层次角度分为整机、系统、子系统、部件等。

民用航空器全寿命周期测试需求既需要考虑我国在研民用航空器测试技术现状，也要考虑未来民用航空器技术发展对测试技术的要求。测试需求信息主要来源于两个方面：一是民用航空器全寿命周期各个阶段对测试技术的需求；二是为提高民用航空器安全性，重点需要关注适航规章各项条款的试验验证对测试技术的需求。

民用航空器产品的试验与试飞阶段、制造阶段对测试技术需求分析是以符合CCAR-25部类运输机适航规章的大型客机和符合CCAR-29部类旋翼航空器适航规章的民用直升机为分析对象，按照“产品类别→适航类别→平台类别→系统级→子系统级→部件级→测试参数”的技术路线进行梳理、分析和研究。

图2 民用飞机试验与试飞、制造阶段测试需求研究方法

在民用航空器产品的运营维护阶段，以波音、空客公司典型机型为参考对象，根据波音、空客公司的航空维修手册体系(包括飞机维护手册(AMM)、维修计划文件(MPD)、系统图册(SSM)、结构修理手册(SRM)、故障报告手册(FRM)、故障隔离手册(FIM))，按章节梳理民用飞机各子系统在运行维护阶段对测试设备的需求，包括各测试设备的测试功能、参数范围、适用场景和具体测试方法等信息，结合国内典型民机运营维修阶段测试需求，完成民用飞机运营维护阶段对测试技术需求分析。

2.2 测试技术实现层

在全面梳理并分析民用航空器各个专业所需的共性测试技术基础上，以民用航空器测试参数种类为突破口，按照单元级和系统级两个层级构建测试技术实现层框架。以测试信号流向为主线，以信息感知、数据采集、数据交换及数据应用等技术为划分依据确定测试单元技术谱系。通过各项测试单元技术的综合集成，以测试仪器、虚拟测试、集成测试、功能安全测试、智能测试、诊断测试等技术为划分依据确定测试系统技术谱系。

2.3 测试技术验证层

归纳提出满足测试技术开发、测试产品研制及应用需求的测试技术验证能力平台，并明确与测试技术应用层的关联关系。测试技术验证能力平台可依据其实现民用航空器全寿命周期所需的测试关键技术专业种类，并结合现有测试专业研发验证条件，提出相关的测试关键技术验证平台建设需求。

2.4 测试技术应用层

归纳提出民用航空器测试技术应用类型，并明确测试技术验证能力与测试技术应用层的关联关系。测试技术应用层主要应该考虑按照民用航空器在研、新研及未来新型航空器需求进行分类。

2.5 测试技术产品层

测试产品是指为了满足民用航空器整机、系统、子系统及部件全寿命周期测试需求，通过测试技术研究所形成的工具、算法、模型、模块或装置，以及测试设备等能够提供给市场，被用户使用的、物化的、有形的产品。测试技术产品谱系是以测试技术实现层中传感器、数据采集、数据交换、数据应用等测试单元形成的工具、算法、模型、软件、模块或装置等产品为基础，结合民用航空器测试需求，按照基础资源、测试设备及网络化/一体化3个层级的研究思路构建。民用航空器测试技术产品谱系研究路线如图3所示。

图3 测试技术产品谱系研究路线

2.6 测试技术标准层

测试标准是指为满足测试技术研究、测试产品设计、研制与验证的标准化、规范化需求，为获得最佳的程序、流程和方法，经过有关方面协商一致，由主管机构批准，共同使用的和重复使用的一种规范性文件。本项目的测试技术标准谱系按照“测试单元标准层→测试系统标准层→网络化/一体化应用标准层”路线进行梳理和分析研究，明确未来测试技术研究、测试产品设计、研制与验证所需标准和规范条目，为未来测试标准的编写和制定奠定基础。

3 民用航空器测试技术体系的构建方法

民用航空器测试技术体系构建是一项复杂的分析过程，涉及到民用航空器研制的各个单位、各个专业、产品各个层级，以及民用航空器的全寿命周期。本文以民用航空器典型产品为例，分析民用航空器测试技术体系的研究思路和方法，并规范了典型产品测试技术体系构建流程方法，可为民用航空器其他产品测试技术体系构建提供规范化指导。具体构建方法是在充分地对在役、在研及未来型号民用航空器典型产品的测试需求进行梳理和分析基础上，结合未来新的测试技术发展，构建典型产品测试技术体系架构，最终分析形成我国民用航空器典型产品测试关键技术及发展路线。在民用航空器测试技术体系构建过程中需要以典型产品测试技术体系构建规范为指导，以产品结构组成为划分依据，逐步扩展到其他产品的测试技术体系构建，最后将所有产品的测试体系进行融合，即可完成民用航空器测试技术体系的构建。

构建典型产品测试技术体系的具体分析过程如下。

(1) 产品功能、性能分析。

从民用航空器总体指标分解到对该典型产品的功能、性能指标要求，分析产品的结构组成、工作原理，分析产品的历史演变、发展方向，从结构及材料变化等方面，明确现有产品功能、性能指标是否满足未来装备需求。

(2) 产品试验分析。

明确该产品的主要试验项目、试验科目、试验内容。针对未来产品发展变化，明确可能需要修改或补充哪些试验项目、试验科目等。

(3) 产品试验测试需求分析。

产品试验测试需求分析主要分析内容包括：① 信号类型、范围、采样速率等；② 测试精度要求；③ 测试环境需求；④ 所需传感器类型和指标要求；⑤ 所需测试设备及指标要求等。

(4) 产品测试技术发展现状分析。

针对该产品试验测试技术发展现状分析可分别从3个层面进行分析：① 目前遵循的标准、规范和未来需求；② 所需测试产品国产/进口状态说明；③ 为满足在研及未来型号需求，现有测试技术、方法和手段存在的问题和不足。

(5) 产品测试技术发展趋势分析。

针对该产品测试技术发展趋势分析，可以从产品发展变化引起测试技术变化、试验方法变化引起测试技术变化，以及测试技术本身发展变化对产品性能提升等3个方面逐步深入分析，明确该产品测试技术未来发展趋势。

(6) 产品试验测试技术体系架构分析。

以产品不同结构划分方式为主线，结合试验类型，逐层逐级构建该产品的测试技术体系架构，可以用树形图或表格形式体现。

(7) 产品试验测试关键技术及发展路线分析。

通过对该产品在役、在研型号急需解决的测试关键技术，未来型号发展需要解决的测试关键技术，以及测试技术本身发展等3个方面深入分析、总结、提炼，明确该产品未来需要开展的试验测试关键技术，并提出发展路线。

4 结束语

本文详细地论述了民用航空器测试技术体系的概念、内涵和作用，提出了民用航空器测试技术体系架构，分析了测试技术需求层、测试技术实现层、测试技术产品层、测试技术标准层、测试技术验证层及测试技术应用层等要素实现途径，明确了民用航空器测试技术体系构建方法，在此基础上可继续开展通用基础测试技术研究、关键技术提炼、发展路线研究等内容，希望能够为实现有重点、有计划、成体系、分阶段稳步地开展民用航空器测试技术研究奠定基础。