基于系统工程的商用飞机产业计量测试体系的探讨
数万人的团队同时设计开发一件产品, 必须基于系统工程的指导思想。对于任何新研的大型项目, 系统工程开始于项目立项阶段中的“产品顶层的需求捕获”。而系统工程的核心, 首先是准确的需求定义, 其次是保障各级系统尽可能可靠, 最后必须让客户满意。“需求”, 特别是产品性能方面的需求, 必须通过逐级的“计量与测试”手段来验证, 特别是充分的产品测试来暴露产品的潜在缺陷, 才能降低产品交付后发生失效的概率, 从而满足客户的需求。
大型商用飞机, 如国产C919大型客机首架机, 是由数百万级的零部件组成的, 涉及飞控、液压、电气、航电、动力燃油及环控等数十个复杂系统。每个零部件和系统都需要经过严格的精密测量和反复的试验验证, 才能确保飞机的质量和安全。
本文将从系统工程应用的角度, 简介我国商用飞机产业计量测试体系, 并介绍相关工作的经验。本文对于组织复杂产品研制流程中的计量测试工作有着借鉴意义。
一、商用飞机研制过程中的系统工程
系统工程是一种逻辑思维的方法。它是将一个复杂的项目 (产品) 设计分解成一些相互独立的元素, 描述这些元素之间的关系特征, 对所建立的系统进行验证, 并按照原本的设计意图使系统运行。系统工程由反映产品研制工作和决策逻辑顺序的一系列过程组成, 通常被描述为一个“V”字形, 项目的需求确认 (即需求捕获、需求分解和产品设计) 属于“V”的下行边, 集成和验证则属于“V”的上行边。
然而, 在我国商用飞机的开发流程中, 即使在需求确认阶段, 也出现了大量测试任务, 如图1中所示的风洞、数字样机整体建模、工艺研发试验和设备研发试验等。同时, 我国商用飞机产业计量测试体系呈现三大趋势, 一是测试系统愈来愈庞大, 传感器的数量呈几何数字增长;二是任何前序测试环节的缺失, 都会导致后续环节工作量的剧增;三是对测试环节的真实度要求愈来愈高。
因此, 我国商用飞机产业的系统工程是一个多重“V”嵌套的复杂系统工程。我们将在项目寿命周期内的商用飞机产业计量测试体系, 分为需求确认、实验室验证、产品集成过程试验验证、持续适航试验等四个阶段, 并与项目研制流程, 即立项论证、总体方案、初步设计、详细设计、全面试制、取证、产业化等七个阶段相互对应。
图1 商用飞机项目计量测试系统工程图
二、商用飞机产业计量测试系统工程
为形成完整的全寿命周期项目计量测量体系, 商用飞机产业主要有42项关键测量环节, 逾2万余项关键测量参数。从需求定义出发, 商用飞机项目计量测试工作分为机载系统类计量测试和机体结构类计量测试。其中, 机载系统类计量测试由低到高分为电子元器件级、设备级、系统级和飞机级。同样, 机体结构类计量测试由低到高也分为试片级、组件 (典型结构件) 级、大部件级和飞机级。两者从“产品集成过程”中的“全机集成测试”开始, 进行耦合验证测试。并通过下一阶段的“飞机在回路性能测试”和“飞行测试”, 来逐级进行更高级别的性能试验。
图2 地面模拟试验中的计量测试
三、系统工程在产业计量测试的应用实例
目前, 我国商用飞机产业最复杂的测试系统为电鸟、铜鸟和铁鸟“三鸟”联试, 如图2所示。其主要目标是在试验室环境条件下, 对发动图1商用飞机项目计量测试系统工程图机、电源、液压、航电、主飞控、高升力、起落架、刹车系统等飞机重要系统进行真实的物理交联测试, 进行设计符合性验证。而单个子测试系统的性能通常是由10种以上信号和近似非线性的执行机构共同决定。如飞控系统在“三鸟联试平台”中将模拟飞机起飞、巡航、着陆, 特别是模拟飞机遇到特殊状态下, 飞行控制系统的各舵面联动和位置状态, 从而给飞机产品在遇险情况下提供应急预案。
通常情况下, 在检测与校准实验室中开展的计量工作, 只是反映单个传感器的性能。对于拥有上千个传感器的大型测试平台, 只有在联试阶段, 与工装和产品设备结合为一体后, 如铁鸟台, 通过在线/整体校准, 才能准确地评价整个测试平台的性能。因此, 多参数、多耦合、动态条件下的在线/整体校准技术的研究工作, 对确保大型商用飞机的质量安全尤为重要。
为了满足上述需求, 我们把整个测试平台视为一个产品。如图3全机集成验证试验通用系统工程视图所示, 我们分别从飞机级、系统级和设备级产品试验规范的“计量需求确认”出发, 逐级分解整个测试平台的“在线校准需求”, 直至明确各个设备测试装置的“检定/校准需求”。并自下而上根据产品的“交联关系”, 逐级集成与验证各个设备级、系统级和飞机级测试平台的性能指标, 从而确定了该测试平台的主要传感器集成系统的“在线/综合校准方案”。如飞控系统及其测试平台的在线/整体校准, 需从驾驶室操纵杆的实时受力/力反馈、角位移、飞控计算、信号传递、过程控制单元、作动筒位移, 直至缝翼、襟翼、副翼等舵面“角度”和“负载”的整体综合性能控制。在此基础上, 形成的“三鸟联试平台”综合校准方案, 又被改进应用于后续的“飞机在回路性能测试平台”和“试飞验证平台”的在线/综合校准工作。
图3 全机集成验证试验通用系统工程视图
四、结论
本文探讨了我国商用飞机项目计量测试系统工程, 介绍了系统工程在我国商用飞机产业计量测试领域的应用, 阐述了相关工作的经验。本文对我国各相关产业计量工作也有着积极的借鉴作用。
