飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)通用規(guī)范中的驗(yàn)證方法淺析

田力偉 舒振杰

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

隨著飛機(jī)飛行包線的不斷擴(kuò)大，飛行任務(wù)日趨復(fù)雜，對飛機(jī)性能的要求也越來越高。先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)能夠最大限度地發(fā)揮飛機(jī)性能，并且最大程度地減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，它是現(xiàn)代飛機(jī)最重要的功能平臺系統(tǒng)和飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng)。飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作是飛行控制技術(shù)發(fā)展和型號應(yīng)用的一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)性工作，為技術(shù)研究和型號研制工作順利進(jìn)行提供了有效保障。目前，現(xiàn)行的我國飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有20多項(xiàng)，處于標(biāo)準(zhǔn)體系頂層的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括GJB 2191–1994《有人駕駛飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)通用規(guī)范》和GJB 2878–1997《有人駕駛飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)通用規(guī)范》兩項(xiàng)。這兩份通用規(guī)范，編制基礎(chǔ)不同，標(biāo)準(zhǔn)化對象也略有差異，在對其中所提要求的驗(yàn)證方面及規(guī)定的相關(guān)驗(yàn)證方法也不盡相同，不利于飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)相關(guān)研究人員的使用。本文對上述兩項(xiàng)國軍標(biāo)中規(guī)定的分析、檢查和試驗(yàn)等3種驗(yàn)證方法進(jìn)行了詳細(xì)地分析，給出了一套研究驗(yàn)證方法的思路，為型號研制過程中合理有效使用相關(guān)規(guī)范提供參考和依據(jù)。

1 我國飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)通用規(guī)范概述

GJB 2191–1994是參照美軍標(biāo)MIL–F–9490D《有人駕駛飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和試驗(yàn)通用規(guī)范》編制的。美軍標(biāo)MIL–F–9490D頒布于1975年，主要以機(jī)械式飛行控制系統(tǒng)要求為主，兼顧簡單的電傳飛行控制系統(tǒng)要求；1980年，以更改單的形式補(bǔ)充了有關(guān)飛行控制系統(tǒng)軟件的有關(guān)內(nèi)容。GJB 2191–1994是一份適用于所有有人駕駛軍用飛行器（包括殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、教練機(jī)、短距和垂直起落飛機(jī)及直升機(jī)）、且具有長期應(yīng)用價(jià)值的有關(guān)飛行控制系統(tǒng)的通用規(guī)范。該規(guī)范適用于目前批量生產(chǎn)的飛機(jī)也適用于在研的新型號飛機(jī)；適用于先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的研制又適用于常規(guī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[1]。我國第三代戰(zhàn)斗機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研制基本是按照GJB 2191–1994標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，但對故障瞬態(tài)、絕緣強(qiáng)度等內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)剪裁。

GJB 2878–1997是在結(jié)合我國第三代戰(zhàn)斗機(jī)研制成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考MIL–F–9490D編制的主要針對電傳飛行控制系統(tǒng)要求的通用規(guī)范。該規(guī)范對當(dāng)時(shí)很多正處在預(yù)研階段的飛行控制技術(shù)進(jìn)行了大膽的預(yù)測，如機(jī)動(dòng)載荷控制、直接力控制、顫振模態(tài)控制、乘座平穩(wěn)、陣風(fēng)減緩、與其他系統(tǒng)的綜合等功能、模態(tài)，并規(guī)定了一些定性的要求，在當(dāng)時(shí)具有明顯的先進(jìn)性。該規(guī)范的另一特點(diǎn)是從飛行控制系統(tǒng)角度規(guī)定了有關(guān)駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的要求，更強(qiáng)調(diào)了控制律設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)。同時(shí)，該規(guī)范明確規(guī)定了飛行控制系統(tǒng)“鐵鳥”試驗(yàn)是飛行控制系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)，并規(guī)定飛行模擬器與空中飛行模擬器是飛行品質(zhì)的評價(jià)工具，對飛行控制系統(tǒng)的驗(yàn)收及飛行品質(zhì)的驗(yàn)證具有重要的意義。

2 驗(yàn)證方法分析

上述兩份規(guī)范都在其“質(zhì)量保證規(guī)定”這一章中規(guī)定了驗(yàn)證規(guī)范中的每項(xiàng)有關(guān)要求是否得到滿足的、應(yīng)由承制方選擇并且得到訂購方同意的驗(yàn)證方法。航空產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的驗(yàn)證要求是產(chǎn)品研制生產(chǎn)的依據(jù)和和產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證，驗(yàn)證工作是研制和生產(chǎn)的重要程序和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是軍方考核和鑒定航空產(chǎn)品達(dá)到研制和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的主要手段，對于軍工產(chǎn)品的定型（鑒定）和批生產(chǎn)交付具有非常重要的作用。因此，相對于產(chǎn)品功能和性能要求的提出，驗(yàn)證同樣需要有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，即?yàn)證方法必須產(chǎn)生出飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)所有工作狀態(tài)下的可度量的、可重復(fù)的和可預(yù)計(jì)的結(jié)果，必須產(chǎn)生準(zhǔn)確的、及時(shí)的和可靠的信息。

GJB 2191–1994中對“驗(yàn)證質(zhì)量合格的方法”進(jìn)行了如下規(guī)定：“應(yīng)采取下述一種或幾種方法驗(yàn)證本規(guī)范或由4.4.2規(guī)定的飛行控制系統(tǒng)型號規(guī)范的每項(xiàng)有關(guān)設(shè)計(jì)要求是否得到滿足。除要求采用特殊方法的地方外，應(yīng)由承制方選擇驗(yàn)證的方法，并且得到訂購方同意?！逼渲兴傅摹跋率鲆环N或幾種方法”就是指分析、檢查、試驗(yàn)等3種驗(yàn)證方法。以下分別對這3種方法進(jìn)行分析。

2.1 “分析”方法

“分析”就是指對公式、圖表、典型數(shù)據(jù)、仿真模擬等進(jìn)行技術(shù)評估，用來驗(yàn)證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。在檢查或試驗(yàn)兩種驗(yàn)證方法存在危險(xiǎn)或無法實(shí)現(xiàn)的情況下，飛行控制系統(tǒng)要求的一致性只能通過分析來驗(yàn)證。適合用分析進(jìn)行驗(yàn)證的要求包括：可靠性和抗故障能力、不易損性、可維護(hù)性、紊流中工作、高頻時(shí)的增益裕量和全頻相位裕量等。相應(yīng)的，在飛行控制系統(tǒng)驗(yàn)證中可能會(huì)用到的分析包括：可靠性和可維護(hù)性分析、故障模態(tài)、影響及危害性分析、不易損性分析、系統(tǒng)危險(xiǎn)分析、分系統(tǒng)危險(xiǎn)分析、操作和保障危險(xiǎn)分析等。

GJB 2191–1994中的4.1.1.1節(jié)規(guī)定了“分析”方法的適用范圍，4.2節(jié)規(guī)定了對承制方使用“分析”方法進(jìn)行驗(yàn)證的要求。其中，需要注意的是對仿真模擬的相關(guān)要求。因?yàn)榉抡婺M不僅僅用于“分析”，也可以用于“試驗(yàn)”，需要厘清其各自使用情況的界面。下面對仿真模擬的使用方式作進(jìn)一步分析。

2.1.1 在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)飛行程序中，要用仿真模擬來分析評估如下領(lǐng)域：綜合技術(shù)、篩選執(zhí)行、反復(fù)間隔、故障隔離和轉(zhuǎn)換。仿真可以在設(shè)計(jì)初期用來評估中斷效應(yīng)和背景任務(wù)的執(zhí)行。為了確定和驗(yàn)證所要求的功能特性，并評定降級模態(tài)的影響，在飛行控制系統(tǒng)研制中還應(yīng)作有人駕駛模擬，這對于戰(zhàn)斗機(jī)尤為重要，因?yàn)槟M飛行是超過1g的。仿真模擬中必須針對重要的方面如大攻角、駕駛員誘發(fā)的振蕩和著陸任務(wù)。應(yīng)進(jìn)行靈敏度研究以便確定飛行控制系統(tǒng)可以補(bǔ)償?shù)臍鈩?dòng)特征、傳感參數(shù)或其它特征中的不確定范圍，并提供3級飛行品質(zhì)?？紤]到運(yùn)動(dòng)感受在評估這些方面的操縱特點(diǎn)和故障效應(yīng)的潛在重要性，高機(jī)動(dòng)飛機(jī)有人駕駛模擬的一部分可能需要在運(yùn)動(dòng)底座模擬器上進(jìn)行。

2.1.2 與“分析”方法中的仿真模擬相比，“試驗(yàn)”方法中的仿真模擬主要是在進(jìn)行全數(shù)字仿真和飛行模擬器試驗(yàn)中用來驗(yàn)證控制律的。此外，出于安全及成本考慮，許多要求不能在飛行試驗(yàn)中驗(yàn)證，因此就需要利用空中模擬器（變穩(wěn)飛機(jī)）來檢查和優(yōu)化控制律、評價(jià)飛行品質(zhì)，尤其是用于檢驗(yàn)端點(diǎn)飛行階段的飛行品質(zhì)及駕駛員誘發(fā)振蕩。

2.1.3 GJB 2878–1997中的4.7.9節(jié)規(guī)定了“軟件驗(yàn)證與系統(tǒng)確認(rèn)”的相關(guān)要求。而飛行控制系統(tǒng)軟件修改一般會(huì)給飛控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)帶來未知因素，修改過的代碼模塊以及流經(jīng)其它模塊的代碼模塊應(yīng)進(jìn)行重新驗(yàn)證。飛行控制系統(tǒng)軟件重大修改后，不需要對整個(gè)飛行完全進(jìn)行重新驗(yàn)證，只需在開始飛行試驗(yàn)之前進(jìn)行有人駕駛模擬就可以發(fā)現(xiàn)任何重要或關(guān)鍵的問題。

2.2 “檢查”方法

“檢查”是一種目視驗(yàn)證，用來保證零部件、軟件是按照設(shè)計(jì)文檔來設(shè)計(jì)、制造的。GJB 2191–1994中的4.1.1.2節(jié)對“檢查”方法進(jìn)行了規(guī)定。通常在涉及物理關(guān)系要求的情況下，物理檢查即可提供硬件和軟件的所需驗(yàn)證；而當(dāng)開發(fā)中的飛控系統(tǒng)采用數(shù)字化部件時(shí)，在其開發(fā)周期內(nèi)就需要對有關(guān)部件做目視檢查和巡查，如對作戰(zhàn)程序的實(shí)際飛行代碼的驗(yàn)證就得益于這些巡查（這些巡查通常由多學(xué)科小組來做，可以從不同的角度來評估正在生成的軟件）。

2.3 “試驗(yàn)”方法

“試驗(yàn)”就是指在適當(dāng)?shù)臈l件下利用儀器進(jìn)行測量，再根據(jù)專用的通過/失敗準(zhǔn)則判斷測量結(jié)果，以此來驗(yàn)證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)中的定量要求。所以應(yīng)盡最大的可能用試驗(yàn)來對要求進(jìn)行驗(yàn)證，以保證在最大范圍內(nèi)的可用性。GJB 2878–1997中規(guī)定：“試驗(yàn)包括試驗(yàn)室試驗(yàn)、系統(tǒng)綜合試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)?！?/p>

2.3.1 試驗(yàn)室試驗(yàn)

GJB 2878–1997中的4.7.4節(jié)規(guī)定了試驗(yàn)室試驗(yàn)中通常要做的環(huán)境試驗(yàn)包括：低氣壓、高溫、低溫、溫度—高度、溫度沖擊、振動(dòng)、沖擊、加速度、噪聲、減壓、炮振與外掛物投放振動(dòng)、濕熱、鹽霧、砂塵、霉菌、太陽輻射、絕緣介電強(qiáng)度、爆炸性大氣、絕緣電阻和電磁兼容性等試驗(yàn)。4.7.6節(jié)規(guī)定了驗(yàn)證可靠性需要進(jìn)行老煉試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)、可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)、熱驗(yàn)證試驗(yàn)等。

2.3.2 系統(tǒng)綜合試驗(yàn)

飛行試驗(yàn)是“試驗(yàn)”驗(yàn)證的首選方法。但出于安全或成本考慮，許多要求不能在飛行試驗(yàn)中驗(yàn)證。在飛行試驗(yàn)不可行的情況下，一般選擇系統(tǒng)綜合試驗(yàn)（即GJB 2878–1997中的4.7.10.2節(jié)規(guī)定的飛控“鐵鳥”試驗(yàn)和機(jī)上地面試驗(yàn)），建立運(yùn)行試驗(yàn)條件，試驗(yàn)條件需精確地代表地面和飛行中飛控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，其飛行階段和飛行包線則按飛行品質(zhì)要求來定義。

2.3.2.1 飛控“鐵鳥”試驗(yàn)

“鐵鳥”是在首飛之前用來驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具，同時(shí)在飛行控制系統(tǒng)的研制中也是有用的工具。這一工具在功能上與飛機(jī)的飛行裝置越相似，則試驗(yàn)結(jié)果的置信度也越高。裝有飛行控制系統(tǒng)并能模擬飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)機(jī)體是理想的功能樣機(jī)。在“鐵鳥”上使用機(jī)體是越來越流行的做法——尤其是在飛行控制系統(tǒng)機(jī)體相互作用情況很復(fù)雜的地方。功能樣機(jī)是否包括模擬操縱面氣動(dòng)鉸鏈力矩裝置，取決于具體的需要，這應(yīng)由承制方加以論證決定。用模擬飛機(jī)結(jié)構(gòu)彈性代替飛機(jī)結(jié)構(gòu)的地方，應(yīng)由承制方通過對彈性的詳細(xì)分析來驗(yàn)證。

GJB 2191–1994中的4.3.2.2節(jié)規(guī)定的試驗(yàn)可以分別進(jìn)行，或者如有可能，可以一項(xiàng)試驗(yàn)滿足多項(xiàng)要求。例如，在性能（響應(yīng)）試驗(yàn)中，可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，而疲勞要求可以作為耐久性試驗(yàn)的一部分來驗(yàn)證。值得注意的是，如果得到批準(zhǔn)，規(guī)定的最低要求試驗(yàn)可以在備選試驗(yàn)設(shè)施上進(jìn)行，例如，可以認(rèn)為在某些情況下，單獨(dú)部件的壽命/載荷試驗(yàn)是合理的。

2.3.2.2 機(jī)上地面試驗(yàn)

飛行控制系統(tǒng)機(jī)上地面試驗(yàn)的重點(diǎn)是在真實(shí)的機(jī)載環(huán)境下研究裝機(jī)系統(tǒng)的工作性能。所謂真實(shí)的機(jī)載環(huán)境包括：絕大部分飛行控制系統(tǒng)硬件是按真實(shí)使用狀態(tài)安裝在機(jī)上的，例如作動(dòng)器、計(jì)算機(jī)、控顯裝置等；部件間的電氣聯(lián)接和使用狀態(tài)較為一致，包括電纜走向和布置；與飛行控制系統(tǒng)接口的液壓系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是真實(shí)的系統(tǒng)，飛機(jī)上液壓和電氣負(fù)載是接近實(shí)際的，還包括安裝設(shè)備的機(jī)體強(qiáng)度與剛度，以及一個(gè)真實(shí)的電磁環(huán)境[2]。

2.3.3 飛行試驗(yàn)

GJB 185–1986《有人駕駛飛機(jī)（固定翼）飛行品質(zhì)》中給出了用于評價(jià)各種飛行試驗(yàn)狀態(tài)的一般指導(dǎo)性建議。GJB 2191–1994和GJB 2878–1997中的飛行試驗(yàn)與GJB 185–1986中的要求是相一致的（如GJB 2191–1994中的4.3.4節(jié)中規(guī)定：在制定飛行試驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮GJB 185中的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)狀態(tài)的指導(dǎo)性建議表），試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求可以是相同或者前后相關(guān)的。如當(dāng)空速從0到1.15VL時(shí)，增益裕量按GJB 185–1986中的表3的要求。飛行試驗(yàn)中，在一直到VL的所有飛行速度下，針對關(guān)鍵性的飛行形態(tài)，驗(yàn)證預(yù)計(jì)的增益裕量進(jìn)行驗(yàn)證。GJB 2191–1994中規(guī)定：“飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該用于驗(yàn)證分析所預(yù)測的趨向，并應(yīng)該與飛行控制系統(tǒng)規(guī)范的性能要求和設(shè)計(jì)要求相比較。為驗(yàn)證用分析數(shù)據(jù)來擴(kuò)充或外推飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)以表明是否符合要求應(yīng)有可供比較的數(shù)據(jù)趨向?！奔匆C實(shí)在飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析預(yù)測數(shù)據(jù)之間可供比較的變化趨勢。由于對增益裕量作完整的飛行試驗(yàn)檢查是昂貴的，因而不推薦，但為了核實(shí)預(yù)計(jì)裕量所用的分析趨向，應(yīng)該測得足夠多的增益裕量飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3 結(jié)論

GJB 2191–1994和GJB 2878–1997都在其“質(zhì)量保證規(guī)定”這一章中規(guī)定的驗(yàn)證方法提供了飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)研制過程中所有活動(dòng)以及整個(gè)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)和時(shí)間段的計(jì)劃性和系統(tǒng)性的模態(tài)，但其規(guī)定的內(nèi)容又各有不同，互有交叉。本文對上述兩項(xiàng)國軍標(biāo)中分別規(guī)定的分析、檢查、試驗(yàn)等三種驗(yàn)證方法進(jìn)行了分析，給出了一套統(tǒng)一的研究驗(yàn)證方法的思路，為型號研制過程中合理有效使用相關(guān)規(guī)范提供參考和依據(jù)。

[1] 凌和生. GJB 2191的編制與貫徹. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量[J]. 1998（5）.

[2] 張德發(fā), 葉勝利等.飛行控制系統(tǒng)的地面與飛行試驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2003.