民机航电系统高寒适应性验证技术研究

2018-05-30孟超，肖妮

物联网技术 2018年5期

孟超，肖妮

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

0 引言

CCAR-25部25.1309（a）规定，凡航空器适航标准对其功能有要求的设备、系统及安装，其设计必须保证在各种预期的运行条件下完成预定功能。航电系统作为民用飞机的神经网络，是飞机最重要的组成部分之一，航电系统在各种预期环境下能否完成其预定功能是民机飞行试验的重要内容。

我国幅员辽阔，自然条件差异大，西北、东北等大面积区域属于高寒地区，冬季最低气温达－40℃，在这种超低温环境下，需要通过飞行试验验证民用飞机的航电系统能否正常工作。

国外民机大量的经验表明，尽管各零部件在实验室中均进行了低温试验，但寒冷侵透后的整机系统在高寒环境下并不能确保其功能达到预期要求。高寒环境对飞机的影响是系统性的，而不仅是对发动机或单个零部件的影响。

因此开展高寒环境对机载航电系统的影响分析，研究民用飞机航电系统高寒试验方法，对民用飞机航电系统的设计和维护具有重要意义。

1 高寒环境的特点及对航电系统的影响

高寒地区是指常年低温、冻土常年不化的地区。我国属于高寒地区的有黑龙江省北部、青藏高原、甘肃、内蒙古以及云南部分地区。高寒地区通常还伴随着高海拔或高纬度，地形复杂、气候恶劣且变化无常，主要特点是气温低且持续时间长。冬季气温通常在－20℃以下，最低气温可达－40℃。昼夜温差较大，最大可达20℃。如果是高海拔地区，还存在空气密度低、日照时间长、紫外线辐射强烈、气候干燥等环境特点。

高寒气候环境对民用飞机航电系统的影响主要包括以下几方面：

（1）低温会导致电子设备启动困难。环境温度过低会对电子设备的正常启动造成影响，如暖机时间增加，严重时甚至无法启动。

（2）低温会导致某些电子设备无法正常工作。当外界环境温度低于－30℃时，液晶屏等显示设备易出现黑屏等现象，导致飞行员失去飞机航向、姿态、速度等重要参数的显示，危及飞行安全。

（3）低温导致显示控制延迟。当飞行员通过CCP，DCP，RSP上各按钮和旋钮对显示控制系统操作时，这些控制部件可能会出现反应迟缓、延迟较大等现象。

（4）昼夜温差大影响电子设备的使用寿命。高寒地区白天地面在太阳强烈的辐射下温度较高，而晚上地面温度会迅速下降，导致昼夜温差较大。若飞机长时间停放在昼夜温差大的环境下，则电子器件短时间内会频繁地热胀冷缩，寿命受到影响。温差大还会导致传输电缆、机械撑杆等橡胶、金属部件变脆，航电系统零部件断裂隐患加大。

（5）日照长、紫外线辐射强导致电子设备故障率较高。高寒地区植被少、地势高，因此空气透明度较高。虽然气温低，但太阳辐射量大，会加速传输电缆、波导密封圈等橡胶、塑料类零部件老化，易变硬、变脆，导致绝缘强度降低，机油、润滑油黏度下降，造成气象雷达等设备出现传输损耗大、零部件失灵、机械漏油等各种故障。

2 试验前的准备工作

2.1 对试验飞机的要求

生产构型飞机方可用于高寒试验，若与生产构型存在偏离，则需进行一次差异性评审，确定偏离对试验的影响，以及需要后续补充的高寒试验内容。因此需要一个特定文件用于说明该种构型的偏离，同时说明其可接受性。该文件得到局方的评审和批准后，才能开展相应的试验。在高寒试验前，需要检查飞机的航电系统制造符合性，该检查用于确定飞机的设计是否适合预定的试验。

航电系统的高寒试验对飞机的飞行时间没有明确要求，新飞机经过若干架次检飞后，可开展高寒试验。但需要对该飞机在非高寒环境下的航电系统功能进行确认，以便在高寒试飞发现问题时，能够明确该问题是由高寒环境导致，而不是航电系统本身的问题。

2.2 试验温度和寒冷侵透时间

通过参考国外的相关标准要求来确定高寒试验的温度和寒冷侵透时间。加拿大的国土面积中高寒地区占比高，因此加拿大对民用飞机高寒适应性要求最高。在其咨询通告AC500-006中，建议在－35℃条件下开展高寒适应性试验。飞行需要在发动机关车情况下暴露于周围环境低于－35℃（含－35℃）条件下进行试验。若替换为周围环境能够达到的最低温度（该温度高于－35℃）进行该项试验，则该温度值需由申请人提出，并获得局方批准。经验表明，－35℃是较易实现的低温，并且在此气温下可达到试验的目的。

在整个寒冷侵透周期内，地面的环境温度不断变化，因此要求所有时刻温度均低于－35℃是不现实的，建议采用寒冷侵透期间的平均值作为寒冷侵透的温度值。

基于飞机的类型和使用环境确定飞机寒冷侵透时间，运输类飞机建议的寒冷侵透时间至少为10 h，通常会将飞机停放在机库外进行一整夜寒冷侵透。

2.3 试验的仪器设备

整个试验期间，系统操作以及显示器的响应等应由摄像设备或视频采集设备进行记录，时间类的统计需用秒表，并提供机组的使用评述，包括显示屏的显示亮度、操作的延迟感受等。

温度检测设备用于确定飞机在试验时所处的外界温度。如果在低温下暴露的时间足够长，那么当地气象部门记录的温度数据足够使用。寒冷侵透期间的温度每小时记录一次，地面试验期间的温度每分钟记录一次，飞行试验期间的温度可采用大气数据系统给出的静温。

3 试验方案设计

高寒适应性试验分为三个阶段，分别为寒冷侵透阶段、地面试验阶段和飞行试验阶段。试验流程如图1所示。

为了更好地达到高寒试验的目的，体系化的操作检查单是必不可少的，用于表明整机的航电系统能够正常工作，并且不对安全构成威胁。

航电系统的高寒试验应足够详细，并给出合理的结论，表明飞机的航电系统在低温下能够持续正常工作，并且不对飞机的安全构成威胁。对试验过程中出现的故障或系统异常应全部进行记录和分析，确定其对飞机设计、维护和操作程序的影响。

3.1 地面寒冷侵透试验

按照已发布的飞机操作手册和维护手册中的程序进行寒冷侵透前的准备工作，特别注意维护手册中“寒冷天气维护要求”的章节，其中可能会有特殊的维护要求，如对发动机和空气管路的遮盖保护等。

图1 试验流程图

寒冷侵透的时间要求为大于10 h，一般选择12 h。在整个寒冷侵透期间，通过当地气象部门记录温度等气象数据，记录时间间隔为1 h。除了温度，建议同时记录风速和风向。取寒冷侵透期间的温度平均值，低于－35℃方可进行后续试验。某型机寒冷侵透期间的温度曲线如图2所示。

图2 寒冷侵透期间的温度曲线

3.2 寒冷侵透后的地面试验

完成寒冷侵透且温度满足要求后，进行航电系统的高寒适应性地面试验，主要试验内容和方法如下：

（1）显示器暖机时间

依次开启左 PFD，左 MFD，右 PFD，右 MFD，ED，ISI，左CDU，右CDU，左RTU，右RTU，记录上述设备整个开机过程的总时间（即暖机时间，单位为分钟），并记录试验时刻的温度值。

（2）EICAS和EFIS显示控制功能检查

通过操作CCP，DCP，RSP上各按钮和旋钮，观察显示器的显示响应，试验人员给出使用评述。

EICAS评述的内容包括但不限于下列内容：CAS信息翻页和隐藏，ED转换到MFD上显示，燃油简图页，防冰简图页，监控简图页，舱门简图页，飞控简图页，液压简图页，概要页和电源简图页等。

EFIS评述的内容包括：PFD导航源切换，PFD FORMAT控制，PFD气压设置，PFD菜单控制，PFD速度基准，PFD气象雷达，PFD地形，PFD气象，PFD交通，PFD导航范围显示，MFD菜单选择和控制，MFD STAT按钮，MFD NAV DATA显示，MFD 操纵杆控制，MFD地形，MFD气象，MFD交通，左MFD切换，右MFD切换，大气数据源切换，航姿源切换等。

EICAS和EFIS的检查内容以快速检查单的形式列表，包括机务具体实施和操作，试飞工程师记录试验结果和试验时刻的温度。重点关注功能是否正常，是否出现黑屏，是否存在操作延时等。

3.3 高寒适应性飞行试验

完成高寒适应性地面试验且功能正常后，飞机起飞，进行高寒适应性飞行试验。飞行过程中检查并评估飞行管理系统、大气数据系统、航姿系统等工作情况。主要检查内容包括：

（1）飞行管理系统：飞机按飞行计划执行。

（2）大气数据系统：观察高度、速度。

（3）航姿系统：观察俯仰、横滚、航向。

（4）自动定向仪：观察方位。

（5）空管应答机：与地面通信检查代码和高度。

（6）甚高频全向信标：观察方位。

（7）测距器：观察距离。

（8）集成式备用仪表：与PFD比较高度、速度、姿态。

（9）EFIS：切换画面。

（10）EICAS：切换画面。

（11）通信：不带氧气面罩和带氧气面罩两种状态下，与地面塔台进行话音通信。

（12）仪表着陆：观察截获情况。

（13）指点信标：收听识别音。

4 试验结果分析

在某型民机的高寒试验过程中，发现了两类问题，分别采用对应的解决方案，具有一定的代表性，是解决高寒适应性问题的典型途径。

一种解决方案是通过修改飞行操作程序或维护程序，通过特殊的操作程序达到设备在高寒环境下正常工作的目的。例如，在某高寒试验过程中，几乎所有电子设备在寒冷侵透后，无法正常启动，而在短时间内要求这些设备适应－35℃的低温是不现实的。因此补充完善机务维护程序，增加了“寒冷天气维护要求”，明确规定：在寒冷条件下，采用空调车对E/E舱和驾驶舱进行加温，驾驶舱温度达到－15℃以上方可供电，启动航空电子设备。但该解决方案可能会增加操作的复杂性、维护成本和飞机再次出动的准备时间。

另一种解决方案是对设备本身进行改进。例如，在某型民机的高寒试验过程中，修改了机务维护程序后，按照“寒冷天气维护要求”，采用空调车对E/E舱和驾驶舱进行加温，驾驶舱温度达到－15℃以上后，航电设备依次供电。左PFD，左MFD等9个设备的暖机时间均能满足使用要求，而右RTU的暖机时间超标。因此需要设备本身进行优化改进，以满足高寒适应性的要求。