大型民机飞机在环关键技术研究

张翰 谢殿煌

摘 要：我国民用航空工业起步较晚，全机级系统综合集成验证试验能力与试验设施尚不健全，没有达到工程实用、全飞行剖面模拟飞行的目标。在调研国内外相关文献及开展原理性试验的基础上，充分分析飞机在环试验原理及方法，明确了飞机在环关键技术，包括信号抽引、信号注入、仿真模型及试验设备等，并提出开放测试口的方法，以提升飞机在环集成验证技术成熟度到5级以上，为后续开展全机系统机上试验打下良好的技术基础。

关键词：民机;飞机在环AIL;信号抽引;仿真模型;试验设备

0 引言

由于现代民用飞机越来越多地采用高度复杂且综合的机载系统，民用飛机系统综合验证是大型民用飞机设计集成验证的重点工作，直接影响飞机机型研制进程[1-2]。机载系统涉及面很广，彼此之间的需求和功能相互耦合，信号多级交联，增加了机载系统综合验证的难度与复杂性，因此民机制造商迫切需要找到一种更高效的系统综合验证方案。“飞机在环”即选择“地面飞机”为验证环境，攻克了信号注入、仿真模型、信号抽引和试验设备等核心关键技术，提高了民机系统的综合集成验证能力，为后续开展全机系统机上地面试验打下了良好的技术基础[3-4]。

国外飞机制造商波音、空客通过多年实践，不仅积累了丰富的系统综合验证经验，而且结合自身特点，不断发展自己独特的系统综合验证方式，从而提高系统综合验证能力，缩短验证时间并降低系统验证成本[5-9]。如波音公司在777飞机上成功实施了全机系统集成验证试验，创造了飞机在环AIL概念[10-13]（Aircraft-In-the-Loop，简称AIL）;之后在787飞机上开发了模块化研发试验台，并且利用系统试验件测试注入口与信号抽引口，进一步完善了飞机在环AIL的系统综合验证方式[14-15]。

我国民用航空工业起步较晚，虽然已在某型号飞机集成验证试验中建立了铁鸟试验台、航电综合试验台和电源试验台，并且进行了两鸟联试和三鸟联试，但受已有条件限制，尚没有实现基于飞行剖面模拟飞行的全机系统综合试验，也未达到飞机级功能需求验证水平[16-18]。我国民机系统试验验证能力与国外全机系统地面综合验证能力尚存在较大差距，对飞机在环这种更逼近真实飞机与真实运营场景的前沿领域研究几乎为空白，因此本课题可供参考的文献与技术资料非常有限，这也对本文的深入研究造成了一定困难。

飞机在环是对民机集成验证手段的变革，代表了目前最先进的集成验证水平。本文结合某大型民机研制过程，充分分析飞机在环试验原理及方法，明确飞机在环关键技术，包括信号抽引、信号注入、仿真模型和试验设备等的相关要求，并提出开放测试口的方法，可为真实的飞机在环综合验证试验提供技术基础。

1 飞机在环（AIL）技术难点分析

开展飞机在环AIL试验，需要从全机系统试验验证需求出发，提出合理的技术方案，重点解决机载信号抽引、信号注入、仿真模型与试验设备等问题，设计一套正确、有效、可工程实施的飞机在环AIL方案，包括完备、详细的试验设备技术、信号注入及信号抽取技术方案和要求，并评估飞机在环AIL相应的工程更改，其基本框架见图1。

2 飞机在环AIL关键技术

2.1 关键技术一——飞机在环AIL信号抽引

机载系统信号是飞机仿真模型的计算输入，数据能否抽引提取或抽引方法将直接影响飞机在环大闭环仿真试验。同时，系统实时性也直接关系到飞行品质评判，通过飞机系统试验件抽引口进行数据抽引，对实时性也有很高要求。

根据公开资料显示，对于大气数据计算机、惯导计算机等飞机在环试验的关键LRU设备，国外主制造商通常专门提出信号注入与抽引接口及试验方法。如波音全机系统综合试验台具备试验测试口，湾流铁鸟综合试验台、庞巴迪铁鸟综合试验台也均开放类似测试口。同时，大部分系统供应商利用LRU的信号注入口进行数据注入与抽引，从而对LRU单元进行自动化测试。

如图2所示，信号注入与抽引是保证不破坏原有飞机真实电缆，实现飞机在环AIL全飞行剖面场景试验的关键，需要在飞机早期阶段提出开放信号注入与抽引口需求。由于不同系统试验件供应商的测试口概念不同，其接口形式也有很大区别，有以太网口、485口或232口，必然提高了信号注入的复杂性和难度。结合飞机在环AIL试验需求，如何让系统供应商开放测试口，并针对此研发相应试验设备，将直接影响飞机在环试验进程。

根据已有国外型号LRU信号注入口的经验，惯导系统、大气数据系统、无线电导航系统、综合监视系统应具备信号抽引与注入功能，同时需重点加强与国内系统供应商的工作协调，提出相应的飞机在环AIL试验需求，保证机载系统信号能够具备高实时性闭环条件，使试验顺利进行。对于一些供应商不提供的信号抽引口可以综合内部知识体系自行解决，对信号进行调制解调等，从而满足信号传输要求，进一步健全飞机在环AIL信号抽引。

2.2 关键技术二——飞机在环AIL信号注入

信号注入是保证飞机电缆完整性的关键步骤与基本原则，是保证不破坏原有飞机电缆，实现飞机在环AIL全飞行剖面场景试验的关键。如果破坏了飞机电缆，等于破坏了飞机在环试验基础。

开放信号注入口是飞机顶层设计JCDP提出的，目前已进入全面试制阶段，若在后期提出必然会增加设计成本与改装成本，而且部分系统试验件也存在根本没有测试口的问题。需要确定C919飞机在环AIL信号注入方法在动力、飞控及航电等机载系统试验件上能够进行工程实施，并在此基础上保证不破坏原有连接电缆及飞机在环AIL验证的顺利进行。

通过收集与查找相关文献了解国外最新的信号注入技术。经公开资料显示，国外制造商通常将信号注入技术落实到SOW中，大部分系统供应商利用电子LRU的信号注入口对LRU单元进行自动化测试，比如波音公司的全机系统综合试验台、湾流的铁鸟综合试验台以及庞巴迪的铁鸟综合试验台都具有开放测试口功能。因此，在吸收国外现有测试口基础上，开发静压总压信号注入口、飞机姿态数据注入口、大气稳定信息注入口、高度信息注入口、发动机相关信息注入口等，拟注入信号如表1所示。

2.3 关键技术三——飞机在环AIL仿真模型开发

仿真模型是飞机在环AIL的核心，也是全飞行剖面场景试验的基础。此外，仿真模型也是飞机系统供应商的核心，尤其是发动机仿真模型，给飞机在环AIL带来了极大挑战。

仿真模型是产生飞机传感器数据的关键，但由于仿真模型是企业的核心机密，国内外相关资料有限，特别是发动机本体模型，国外更是完全封锁信息，因此仿真模型的搭建完全依靠摸索前进。由于缺少经验积累，导致现阶段仿真模型的置信度较差。同时，建立仿真模型与功能逻辑模型，用于仿真与试验一体化对比验证，可以加快研发试验进度。

如何构建发动机模型一直是行业内的难点，国内现有物理仿真平台相对较为完善，能够建立完整的燃油系统模型，也具备充分的理论基础与完备的技术设备，可以为发动机建模提供技术支撑。其中全球地景色、配平模型、起落架、刹车模型可由国内外供应商提供，飞机的大气环境模型、气动模型、地效模型及风模型可直接采用现有模型。

在飞机在环设计初期，需要与发动机供应商进行工作协调，提出飞机在环AIL试验仿真模型需求，获得封装的发动机本体模型与接口匹配方案，并完善仿真模型开发。

2.4 关键技术四——飞机在环AIL试验设备研制

试验设备是飞机在环AIL试验的重要组成部分，也是飞机机载系统完成闭环试验的枢纽。可移动式视景系统直接影响模拟飞行效果，通过将可移动式方舱直接与地面飞机交联，实现信号注入与信号抽引，进而实现飞机仿真模型的实时运行，直接控制激励设备[19-21]。此外，试验设备是实施信号抽引、信号注入与实时仿真计算的载体，直接影响大闭环试验的有效性。现阶段比较通用的20路以太网与RS-485通信，难以保证实时性，高速率仿真模型实时运行也面临接口匹配问题。飞机在环试验要全面结合地面飞机，设计出合理、工程可实施的试验设備，同时也必须保证试验之后二者能够紧密匹配，以备后续使用。

根据公开资料显示，波音公司已经设计了可移动试验平台与可移动式视景系统，以完成飞机在环AIL试验任务，试验设备如表2所示。

可移动式视景系统为飞行员提供三维实景，同时模拟飞机飞行环境，直接影响模拟飞行效果。同时，需综合考虑可移动视景系统设备的电气与机械接口，在保证系统高处理能力和高实时性基础上，避免对飞机本体的物理损伤。

可移动式方舱直接与飞机本体接口对接，实现机载系统信号注入与信号抽引，继而达到飞机闭环状态。同时，方舱保证仿真模型的实时运行，且直接控制激励设备，可移动方舱与视景系统设备实时连接，并将模型运算结果进行实时三维显示。

主要试验设备要求如下：

（1）信号抽引功能。实时抽引油门杆位置信号、飞机系统信号等，为飞行仿真提供输入。

（2）数据采集功能。实时采集飞机舵面位置信号、飞机系统信号等，为试验分析提供数据支持。

（3）实时飞行仿真功能。实时计算飞机六自由度参数和空速，通过发动机Mini-Rig实时计算发动机推力。

（4）飞行视景模拟功能。研制可移动式视景系统，为飞行员提供三维实景，由飞行仿真系统发出飞行姿态信号驱动，并从全球地形数据库里读取高度信号，以模拟真实飞行视景。

（5）信号注入功能。可移动方舱根据飞机闭环飞行状态，发出空速、马赫数、攻角等信号，注入真实的大气数据计算机，以实时模拟飞机飞行状态。同时，可移动方舱发出飞机姿态、速率、加速度等飞机姿态数据，实时注入惯导系统计算机，以模拟飞机姿态。

（6）机载导航系统激励。可移动方舱发出高度等信号注入无线电高度接收机、测距机（DME）、伏尔VOR等，完成模拟导航飞行任务。

（7）机载传感器激励功能。通过转台、总静压模拟器等物理激励设备，以及AOAS、ADM等机载传感器，测试在真实传感器激励状态下的飞机性能。

（8）起落架刹车系统仿真功能。可移动方舱发出轮载等信号注入起落架系统计算机（LGCU），以模拟起落架的收起和放下状态。同时，可移动方舱发出轮速信号注入刹车系统计算机（BCU），以驱动刹车模型模拟刹车状态。

3 结语

本文从飞机级验证需求出发，通过查阅各种资料，并借鉴波音公司的飞机在环理念，对飞机在环AIL面临的关键技术进行全面论证，综合考虑与各个机载系统供应商协调仿真模型、测试口和注入口，与试飞中心协调设计、更改地面设备及部分研发试验科目等各种情况。经过分析与论证，完成了信号抽引技术方案与替换方案、信号测试注入口技术要求与替代方案、仿真模型封装要求与仿真模型接口要求，以及合理的、工程可实施的试验设备技术方案，从而保证后期飞机在环AIL能够顺利进行。

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（责任编辑：黄 健）