国外民机研制试验验证框架体系概述

【摘 要】民用飞机研制过程中的试验验证工作贯穿于型号研制的全过程，是产品定义、概念设计、产品研制、产品安全持续运营等阶段必不可少的证明方法。开展试验验证的首要前提是建立完整的试验验证框架体系。本文介绍了国外主要航空企业现存的试验验证框架体系，包括试验验证的各个阶段以及在各阶段需完成的试验种类等，为国内民机制造商试验验证框架体系的建立提供参考。

【关键词】民用飞机；研制阶段；试验需求；试验验证体系

0 引言

民用飞机研制工作已有上百年的历史，是一项成熟的工业体系过程，但研制过程的技术含量高、系统复杂、研制周期长，对研制管理工作要求极高。试验验证是飞机主制造商的核心能力之一，在型号研制过程中具有非常重要的作用。主要体现在以下三个方面。[1]

1）试验验证是确保型号任务“一次”成功的关键因素之一；

2）试验验证是向适航表明型号符合性的重要方法之一；

3）试验验证是持续获得新技术、新材料和新工艺的主要方法之一。

波音、空客均有自己的标准化试验体系指南，各个型号研制在其基础上开展适用性裁剪或扩展，达到指导型号研制的目的。国产民机要想与技术、集成与系统成熟的波音、空客竞争，很重要的一方面就是必须加大力度开展基础试验和应用试验研究，加速试验技术积累，弥补自身薄弱环节。[2]

本文介绍国外航空企业现存的试验框架体系，为国内民机制造商试验验证框架体系的建立提供参考。

1 波音试验框架体系

波音公司的试验验证隶属于波音公司的DT&E部门。根据波音2006年版本的WBS & Dictionary文件[3]，试验和验证主要包括以下10个方面，如图1所示：

1.1 试验规划、管控与集成

该部分职能主要是开展试验统筹规划，试验的控制管理，过程控制，以及试验的集成验证。

1.2 风洞试验

该部分职能主要是开展各种风洞试验：包括低速风洞试验、高速风洞试验、跨音速风洞试验、超音速风洞试验等，以支持方案设计及确认试验。

1.3 试验室研发试验和验证试验

该部分职能主要包括各种在试验室做的研发和验证试验。是民机研制阶段的最重要的和比重最大的试验组成部分。又可细分为下面几个部分：结构试验、系统试验、推进系统、载荷系统、空气动力学试验、重量试验、噪声试验、飞控试验、客户支持类相关试验等。

1.4 集成地面试验

完成上述各个系统的单独试验室测试后，接下来就是集成地面试验。这部分基本上也是按照结构、系统、推进系统、载荷、重量、噪声等类别来分类的。包括结构试验、系统试验、推进系统、载荷系统、重量试验和声学噪声试验等。

1.5 试飞试验

试飞试验是民机研制阶段试验图谱中必不可少的一环。它也是一个飞机型号能否取得型号合格证的关键试验阶段。波音的试飞试验主要包括基础适航试验、后续试飞试验、产品出厂测试、研发试飞试验。其中研发试飞试验是最多的一类。主要的飞行开发试验都在这个阶段进行。其包括试飞结构试验、试飞系统试验、试飞推力系统试验、试飞载荷试验、试飞飞控试验、试飞空气动力学试验、试飞噪声试验、试飞重量试验、以及在试飞过程必须完成的客户要求的或者销售合同规定的试飞试验。

1.6 主静力试验

在波音公司，静力试验主要分为下面三个步骤来进行：

1）试验硬件准备：包括测试仪器仪表等；

2）静力准备试验：包括试验硬件标定、试验执行、数据收集和分析等；

3）静力试验设置、设计和装配：主要包括静力试验设置、设计以及整体装配等；

1.7 主疲劳试验

疲劳试验和静力试验一样也可分为三个步骤进行：

1）试验硬件准备：包括测试仪器仪表等；

2）疲劳准备试验：包括试验硬件标定、试验执行、数据收集和数据精简分析、数据分析和存档等；

3）疲劳试验设置、设计和装配：主要包括疲劳试验设置、设计以及整体装配等；

1.8 樣机（实物模型）/数字预装配模型

一般在民机研制过程中，实物模型或者样机也是必须的一步。在波音内部，样机实物模型分为四级：一级实物模型样机、二级实物模型样机、三级实物模型样机和特殊实物模型样机。其中前三级实物模型样机每后面一个实物样机都比上一个实物样机更接近真机和增加了更多的功能。而且这三级实物模型样机对应着不同的研制阶段。特殊实物模型样机是针对某种特殊机型而设计的。

1.9 新材料试验

最近几年来新型材料尤其是新型复合材料在民用飞机中得到了越来越多的应用。由于新材料的特殊性，波音把与新材料有关的试验单独分类出来研究。所有与某种新材料有关的试验都必须经过严格的试验后才可能应用于型号。具体与新材料相关的试验包括如下：

1）与空气动力学相关的新材料试验

2）与重量相关的新材料试验

3）与ETOPS相关的新材料试验

4）与适航，可靠性，可维修性，和安全性相关的新材料试验

5）与噪声相关的新材料试验

6）与结构相关的新材料试验

7）与系统相关的新材料试验

8）与推力系统相关的新材料试验

9）与载荷相关的新材料试验

10）与商业运营服务相关的新材料试验

1.10 运营试验

民用飞机研制的最终目的是进入运营为客户创造价值。波音单独把与运营有关的试验作为一类来研究。主要包括下面的几类：

1）与空气动力学相关的运营试验

2）与重量相关的运营试验

3）与ETOPS相关的运营试验

4）与适航，可靠性，可维修性，和安全性相关的运营试验

5）与噪声相关的运营试验

6）与结构相关的运营试验

7）与系统相关的运营试验

8）与载荷相关的运营试验

9）与商业运营服务相关的运营试验

2 空客试验框架体系

空客公司是欧洲一家多国联合的民用飞机制造、研发公司。在试验室布局方面，由于多国联盟的原因，它的试验室分别分布在不同的国家，以系统集成实验室为例，起落架、燃油实验台座落于英国， 高升力、货舱实验台座落于德国，驾驶舱和航电集成坐落于法国，APU 电力坐落于西班牙。

在试验方面空客公司同样重视地面模拟试验，并取得了显著的实际效果。以空客A350为例，空客公司为该型号建立了综合系统集成实验室，该实验室综合了飞机的多个关键系统，可以开展飞机级的系统集成验证试验。经过充分的地面模拟试验，A350飞机首飞飞行时间长达4小时零5分钟，并且在10，000， 15，000和25，000ft的高空时舱内加压。空客在首飞当日进行了两次试飞，并于两天后在巴黎航展上进行了第三次飞行。这一系列的飞行活动充分显示了空客和适航（EASA）当局对于该型号前期地面验证工作的肯定，显示了对于型号安全性、可靠性的信心。

2.1 主制造商与供应商

空客集团经过近50多年的高速发展，在试验验证体系方面已经非常成熟。

关于如何分配主制造商和供应商之间的试验分工，其主要考虑以下的因素：

1）经济因素考虑：谁来做某个具体试验更有成本优势？公司现有的人员和设备状况，以及主制造商和供应商之间的风险分担因素考虑等。

2）技术因素考虑：全新技术相关的试验验证一般有空客自己来做。成熟的试验一般分配给供应商来做。

3）由于空客是比较成熟的主制造商，一般来说，单个系统的试验验证以及在设备和元器件方面的试验都外包给供应商来做。供应商承担了越来越大的责任；而空客自己主要专注于飞机级的需求确认与验证工作，包括多系统集成试验，特别是功能集成测试，因为功能集成测试代表了飞机的综合表现，覆盖了更多的系统接口需求。

值得注意的是，由于目前国内民机制造商还不够成熟，对于空客的这种分工方式未必适合，因此国内民机制造商需要根据自己的实际情况来决定和供应商的试验分工。

2.2 系统集成试验台和功能集成试验台

空客集团公司提出了系统集成测试平台和功能集成测试平台的理念。

1）系统集成试验平台：主要是集成和验证具体某一个系统和其子设备以及它们之间的仿真接口验证等。这个工作一般由供应商负责。

2）功能集成测试平台：主要是集成和验证多个功能以及它们之间的功能接口。这个工作一般由空客来完成。

2.3 0架机与0架机试验

空客公司在最新的A350 XWB上首次引入了“0架机”的概念及方法。空客集成阶段的关键部分是一系列“0”试验台。这些试验台完全模拟了飞机上的真实系统。由于这些平台与首架机MSN001非常逼近，因此将这些平台集成后作为“0架机”。

“0架機”作为功能集成平台，主要由如下5大平台组成：驾驶舱“0”试验台（位于法国图卢兹），铁鸟台（位于法国图卢兹），机舱“0”试验台（位于德国汉堡），高升力“0”试验台（位于德国不莱梅），起落架“0”试验台（位于 英国菲尔顿）。

驾驶舱“0”试验台和铁鸟台作为集成仿真器，对飞机动态响应特性的模拟最为关键，因此这两个试验台均位于图卢兹，以尽可能减少联网造成的系统时间延迟。与常规训练仿真器最大的不同是，驾驶舱“0”试验台和铁鸟台均安装了机载计算机真件而非仿真件。

集成仿真器用于两大类试验：第一类主要聚焦于给定系统与其周边系统的集成试验，第二类试验主要是操作试验，由飞行员操作仿真器，模拟飞行中可能出现的场景。在这些试验中，整个飞机的所有性能均被分析检查。2013年2月，集成仿真器具备了首飞构型后，开始为期约3个月的虚拟首飞。在此期间，试验团队针对首飞期间可能出现的所有场景（包括100%的潜在故障情形，如电力丧失（应急电力构型）或发动机动力的丧失情形）进行了仿真，并对飞机行为进行分析，对其系统进行检查。

在首架机MSN001首飞前，通过“0架机”已完成上千小时的测试验证，将首飞中所有可能的场景进行仿真。通过一系列试验，在首飞前，飞行机组和设计人员已经对飞机及系统比较熟悉。当然，试飞总会出现一些意外，但大多数情形已经在首飞前被预测并改善。

通过在“0架机”上所进行的大量高效的地面试验，及时、准确、全面地进行飞机级功能验证及故障诊断排查等，确保了飞机构型及状态在绝大部分时间就位，从而显著缩短了试飞周期，尤其是研发试飞周期，从而使得A350飞机首飞后仅用13个月即取得了EASA颁发的TC证。

3 小结

试验验证是形成、实现、验证、确认产品定义和保证产品持续处于安全、可用状态必不可少的手段。因此，试验验证工作贯穿于型号研制的全过程，是各阶段中必不可少的重要的证明方法。

本文介绍了国外主要的民机制造商在研制阶段的试验验证框架体系，其完善的试验验证体系值得国内民机主制造商深入研究，同时其先进的大规模集成验证试验体系值得学习和借鉴。

【参考文献】

[1]汉斯-亨利奇·阿尔特菲尔德.《商用飞机项目——复杂高端产品的研发管理》.

[2]徐建强.火箭卫星产品试验，航天科技图书出版社基金资助出版，中国宇航出版社，2012.

[3]Boeing Standard Work Breakdown Structure （WBS） and Dictionary， Rev E， January 2006.

[责任编辑：朱丽娜]