計量測試在商用飛機全壽命周期的應用

計量測試工作必須緊貼產業發展中的實際需求，預先分析和規劃，運用最新數位化科技手段，加強行業內國際計量技術交流合作，發揮計量測試對我國商用飛機產業的支撐和引領作用。

文/馬 偉 楊國恩 李 誠

現代商用飛機特別是大型商用飛機，一般由十幾個大型系統、數百萬個零件的超大規模系統集成。商用飛機產業是典型的知識密集、技術密集和資本密集的高技術、高附加值、高風險的戰略性產業，日益成為衡量一個國家科技水平、工業水平和綜合國力的重要標誌之一。國產大飛機成功首飛的背後是我國商用飛機研發、製造水平和計量能力進步的真實寫照。由於牽涉面廣、技術難度高，只有整條產業鏈量值一致、測量過程受控、數據與結果準確可靠時，才能確保國產商用飛機的質量和安全。

商用飛機的研製特點

近百年來，世界一流商用飛機產品一直代表全球製造業最高科技水平，與其他產業相比，商用飛機產業體現出高安全性、技術高複雜性、高經濟性和環保性的要求，這些要求已經成為人們選擇航空公司和飛機的主要標準，這也進一步加劇了波音和空中巴士公司對商用飛機市場的壟斷。

● 安全性

不同於軍機的高戰術技術性能要求，飛行安全是對商用飛機的首要要求，是百年商業航空用血的教訓換來的安全性標準。為解決商用飛機產業的安全問題，世界各國的適航部門都頒布了適航條例來確保商用飛機的營運安全，如美國聯邦航空管理局（FAA）頒布了《聯邦航空條例》，歐洲航空安全局（EASA）頒布了《聯合航空規章》，中國民用航空局（CAAC）也頒布了《中國民用航空規章》。計量測試作為一種保證產品輸出數據準確及其所用測試、試驗設備量值統一的行為，對適航工作特別是適航性符合驗證試驗的作用尤為明顯。《型號合格審定程序》（AP-21-03R3）明確規定在驗證試驗中「局方只對申請人所提供數據的分析結果進行批准……申請人必須表明數據的有效性」。因此，計量測試既是適航性要求的一部分，同時也是適航性要求得以貫徹的必要途徑。

FAA、EASA、CAAC等適航當局發布的適航標準是適航合格審定的直接依據，其適航要求固化的過程往往需要大量準確可靠的技術數據反覆驗證。因此，適航標準的制定離不開計量測試的技術支持。

適航標準的貫徹同樣需要計量測試技術及其標準的配套落實。例如，適航標準《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》（CCAR-36）明確指出，對於民用飛機的噪聲驗證試驗，需要的測試系統有氣象環境測試、飛行航跡測試、適航噪聲測試和艙內噪聲測試等多套測試、試驗設備/系統，包含了大量的測量傳感器、前置放大器、數據採集器、記錄儀、分析儀等，所有這些設備對飛機噪聲的驗證測試都需要有嚴格的計量和校準要求。

● 複雜性

現代大型商用飛機的複雜性體現在技術、管理、過程、市場和經營等各個方面。在其研製階段要實現十幾個大型系統的相互協調與共存，完成幾百萬個零部件設計、製造和安裝，組織管理幾百家Ⅰ級和Ⅱ級供應商，數萬人的研製隊伍長期協同工作，在規定的時間內使用有限的資源，按照行業技術規範與監管標準完成產品的研製。為實現高度複雜產品研製過程中量值一致、測量過程受控、數據與結果準確可靠，計量測試工作需要貫穿整個產品研製階段的全壽命周期過程，從頂層策劃開始實施項目的測量過程控制。

● 經濟性和環保性

近年來，隨著人們對環保的關注，節能減排要求不斷提高。歐洲航空研究諮詢委員會（ACARE）制定了到2020年商用飛機應滿足的環保指標：與2000年相比，油耗應降低50%，氮氧化物排放減少80%，噪聲降低50%。歐盟也一直在努力儘早實施其向超過歐盟規定排放限額的航空公司徵收罰款的方案（ETS）。因此，民機製造商和系統供應商都投入大量資金開發新技術，以減少對環境的影響，提高產品競爭力，滿足市場要求。

國產大飛機最終飛上天空，如何獲得市場接納和商業盈利也值得關注。畢竟要想打破波音、空中巴士公司的壟斷，獲得歐美市場的青睞，並不是一件容易的事。其中，非常重要的一項內容就是國產大飛機的經濟性——航空公司購買國產大飛機後能夠盈利，是保證我國商用飛機產業持續健康發展的基礎。

商用飛機全壽命周期的測試工作內容

未來10年，我國將努力實現70～400座級商用飛機的型號研發和適航取證，擁有預先研究、工程設計、生產製造、試飛、客服與維修全壽命周期的試驗驗證能力，從而形成完整的商用飛機產業測量過程體系。目前，梳理出的主要有42項關鍵測量環節、2萬餘項關鍵測量參數。

● 預先研究階段

先進商用飛機產品的開發依賴於先進技術的研究和驗證，飛機項目啟動前必須有足夠的成熟技術積累。為此，需要非常重視民機預先研究和先進技術的開發。在預先研究階段，測試工作主要集中在概念機型、先進材料測試、先進結構試驗、多電系統和航電系統綜合發展趨勢試驗。我國在複合材料技術方面的基礎相對薄弱，C919機體結構的複合材料使用率是12%，波音787機體使用近50%的複合材料，空中巴士A350的複合材料使用率也在50%左右。因此，我國需要在複合材料及其機構的預先研究上投入更多。

● 工程設計階段

工程設計階段需要對飛機的設計進行符合性驗證，試驗內容包括航電、工程模擬、飛控、液壓和起落架等系統試驗，以及整機級集成驗證試驗。這些試驗主要集中在「鐵鳥」「銅鳥」「電鳥」和「工程模擬器」等大型試驗平臺上完成。

「鐵鳥」試驗臺用於飛機系統級研發和驗證、飛機多系統綜合試驗，以及飛控系統、液壓系統和起落架系統的適航驗證。飛控系統在地面1:1真實模擬飛機起飛、巡航、著陸的舵面的聯動和位置狀態，實現從電傳控制到動作器位移再到舵面角度的整體綜合性能控制。「電鳥」用於開展飛機系統集成與驗證試驗，試驗範圍涵蓋飛機航電系統、通信系統和操縱系統的多參數交聯功能，驗證軟體功能，確保飛機神經中樞和各控制功能工作正常。「銅鳥」試驗臺用於開展飛機電源系統驗證試驗，試驗範圍涵蓋飛機電源系統測試及數據處理系統、供電特性測試系統、負載特性測試系統。

「三鳥」聯試主要是在試驗室環境條件下，對發動機、電源、液壓、航電、主飛控、高升力、起落架、剎車系統等飛機重要系統進行真實的物理交聯測試，進行設計符合性驗證，大大提高了飛機系統集成試驗集成度，減少了機上試驗和試飛試驗。

工程模擬器主要用於飛機設計的符合性驗證，包括飛機各主要系統，如航電系統、液壓系統、通信系統和飛控系統等。該平臺主要參數有俯仰角、滾轉角、偏航角、升降位移、縱向位移、橫向位移等，包括動態和靜態。

● 生產製造階段

在生產製造階段需要對飛機的關鍵零部件生產和總裝集成進行驗證，測試內容主要包括大部件對接、機載成品件檢測、地面功能試驗等。波音和空中巴士公司都將機載成品件測試能力視作其供應商質量管控的關鍵核心技術，保證裝機件100%可靠性，保證故障及時定位和排除。目前，國產商用飛機的重要機載成品件都由國外供應商提供，需要提高機載成品件測試能力，改變受制於國外供應商的現狀，提高飛機總裝質量，提升飛機研製進度。

數位化測量已成為飛機製造裝配不可或缺的一環，廣泛應用於工裝、零件檢驗、飛機組件型面掃描分析和逆向建模等領域，大幅度提升了現代化飛機製造的質量和效率，更能適應上層的飛機數位化設計，連貫從設計、製造到裝配的數位化、一體化流程。雷射跟蹤儀和各種高精度大尺寸可攜式坐標設備實時測控對接技術，直接將人工裝配過渡到自動化智能裝配，如圖1所示。

飛機進入總裝車間後，對飛機所有系統進行機上功能試驗，主要檢查驗證機載設備在安裝後的功能是否正常、基本操作能否實現，以及系統功能和整體協調，同時全面驗證各系統之間界面總線協議。機上功能試驗分為地面功能試驗和空中試驗、分立試驗和集成試驗。

● 試飛階段

到目前為止，我國唯一一款按照美國適航標準進行審查的ARJ21飛機經過了6年的試飛驗證才獲得了適航證。與世界知名的飛機製造商相比，ARJ21缺少工程經驗數據，需要更多的試驗來積累工程數據。例如，ARJ21進行了4輪失速試飛，用了8 220次失速來尋找安全性和經濟性的最佳平衡點。

試飛監測系統監控飛機試飛過程中飛機各主要參數的狀態，可監測飛機總線數據、實時視頻數據、飛機加裝傳感器模擬量參數，在飛機自然結冰試驗、高寒試驗、失速試驗、單發停車等主要飛機試飛科目過程中對各參數的數據採集、數據處理和數據傳輸，控制數據傳輸過程中的誤碼率滿足小於10-5。

● 運營服務階段

在運營服務階段，測試工作主要集中在飛行員培訓、飛機檢修過程中。飛行模擬器是為培訓飛行員的一種設備，按照飛機1:1比例模擬仿真駕駛艙，安裝各類儀表的一個六自由度平臺。根據飛行訓練的要求，它可以模擬真實飛機駕駛飛行環境。此外，一些不適合在真飛機上完成的高危險試飛科目也可以在飛行模擬器上進行，如完全無動力情況下滑行和水面著陸等。

計量測試服務商用飛機產業的應用

● 服務產業的計量工作本質

服務產業的計量已不再是僅僅關注測量的科學，更不是只關注計量器具準確性的科學，而是關注最終使用測控數據的正確性的科學。簡而言之，測量的目的是應用，也就是為了特定的目標需求，使量值數據在產業中得到正確應用。《測量管理體系——測量過程和測量設備的要求》（ISO 10012）明確指出了企業的產品與計量活動的關係，「產品的要求轉化為測量要求，測量要求轉化為計量要求」。因此，服務於產業計量的本質就是計量特性必須由產品特性決定，所有計量活動的輸入應該是企業產品的量值，計量活動的輸出應該是企業產品的質量與效益，與產品的關係是融入產品工藝流程的過程測控。

● 可計量性設計

可計量性設計已融入商用飛機全壽命周期保障，在商用飛機設計初期就要考慮如何解決在使用和維護階段的計量問題，對計量保障活動及所需的計量技術手段進行分析，使之規範化，並納入航空產品型號的設計體系之中，改變傳統的「事後計量」模式，如圖2所示。

產品的設計體系應該包含立項論證中確認的產品型號技術指標、性能參數，同時也要包含安全和可靠等要求的量化指標，並且針對所有這些技術性能指標做出計量評價設計。在規定的條件下，產品的設計體系應藉助計量技術手段，使用規定的計量資源，以通用性為主體（包括外部計量工具和嵌入式計量設備），確保在產品的研製、生產、使用及維護過程中所涉及的關鍵性量值能夠進行有效溯源。

● 數位化計量平臺

根據《中國製造2025》，商用飛機製造業正在由傳統製造向「質造」和「智造」轉變，其產業路徑為從製造的數位化，到製造的信息化，再到製造的智能化。目前，商用飛機製造業正在全力實現數位化，尤其在結構裝配方面已經取得了一些成績。計量應以本次產業變革為契機，努力實現商用飛機計量的全面數位化，進而實現信息化和智能化，促進中國商用飛機製造業的發展，改變目前基本獨立於數位化製造平臺之外的現狀。

中國商飛公司正在研究建設一個基於模型的數位化計量校準和檢測平臺，統一管理計量測試和檢測驗證業務。該平臺將數位化的計量要素全面融入製造過程中，通過測量過程生成海量測量數據從而支持虛擬裝配、質量地圖、設備監控和統計過程控制。通過這個數位化平臺，計量部門提供的服務不僅包括「計量合格證」，更能有效地將計量校準數據有效提供給現場測試人員，提高產品測量精度和風險評估能力。

● 積極參與國際航空計量標準制定

2014年2月，勞斯萊斯、空中巴士和波音公司邀請中國商飛、通用電氣、賽峰、聯合技術、英國國家物理實驗室（NPL）在國際航空航天和國防合同方受信項目（NADCAP）中成立計量與檢測工作組，共同編制並擬實施國際航空航天2.3萬家供應商統一的計量能力認證審核准則。通過參與修訂183份國際標準審核准則，中國商飛公司能夠了解行業計量技術發展的動向，不斷提升和帶動國內相關產業的計量測試技術發展，爭取更多的計量與檢測標準的話語權。

商用飛機高安全性、技術高複雜性、高經濟性和環保性的需求對計量測試工作提出了更高的要求。計量測試工作必須緊緊圍繞飛機產品特性，了解商用飛機全壽命周期各階段的計量測試需求、頂層規劃和建設計量測試能力，通過數位化平臺將計量數據充分供給到產品形成過程中。計量技術和方法融入商用飛機的設計、生產、試飛、交付和航線運營等全過程，將實現計量測試技術新發展，發揮計量對商用飛機產業的支撐和引領作用。

馬偉，中國商飛上海飛機製造有限公司計量測試三級專業總師，高級工程師，主要從事商用飛機產業計量測試技術研究和應用工作。

楊國恩，中國商飛上海飛機製造有限公司計量測試專家，研究員，主要從事商用飛機產業計量測試技術研究和應用工作。

李誠，中國商飛上海飛機製造有限公司計量測試主任工程師，研究員，主要從事商用飛機產業計量測試技術研究和應用工作。

《張江科技評論》！