梁志國(guó)，尹肖，孫浩琳，張大治

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

測(cè)試是對(duì)給定的產(chǎn)品、材料、設(shè)備、生物體、物理現(xiàn)象、過(guò)程或服務(wù)按規(guī)定的程序確定一種或多種特性的技術(shù)操作，也可將其理解為測(cè)量和試驗(yàn)的綜合。測(cè)試性是產(chǎn)品能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。

民用飛機(jī)測(cè)試是一個(gè)龐大而復(fù)雜的概念，其內(nèi)容眾多而龐雜，任務(wù)大小不一，階段各個(gè)不同，主體單位眾多[1-10]。雖然我國(guó)民用飛機(jī)測(cè)試發(fā)展了多年，但對(duì)于是否形成一個(gè)體系，一直存在爭(zhēng)議。

測(cè)試一直處于任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，本行業(yè)的實(shí)際行為多數(shù)處在學(xué)習(xí)和模仿先進(jìn)國(guó)家的階段[11-15]。實(shí)質(zhì)上處于無(wú)行為主體、無(wú)行業(yè)監(jiān)管、無(wú)準(zhǔn)入門檻、無(wú)從業(yè)資質(zhì)要求的狀態(tài)。其構(gòu)成體系的核心和構(gòu)成要素不明晰。

目前，我國(guó)測(cè)試行業(yè)處于應(yīng)急滅火狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障或事故迫究責(zé)任時(shí)，才想起用測(cè)試手段診斷以解決問(wèn)題。我國(guó)測(cè)試行業(yè)從整體上缺乏全面布局、規(guī)劃發(fā)展的思想。例如：測(cè)試行業(yè)缺乏對(duì)被測(cè)試對(duì)象的主體功能和性能的測(cè)試和關(guān)注。測(cè)試人員缺乏對(duì)測(cè)試體系內(nèi)涵的了解，民用飛機(jī)測(cè)試行業(yè)與整個(gè)測(cè)試行業(yè)的現(xiàn)狀大體一致。

民用飛機(jī)測(cè)試行業(yè)與測(cè)試有關(guān)的工作均是以試驗(yàn)任務(wù)來(lái)驅(qū)動(dòng)，其對(duì)測(cè)試的理解是：試驗(yàn)中的測(cè)量。從本質(zhì)上說(shuō)明測(cè)試僅僅是依附于試驗(yàn)的輔助事宜。本文后續(xù)內(nèi)容，主要針對(duì)民機(jī)測(cè)試體系的內(nèi)涵、構(gòu)建等進(jìn)行闡述與討論，并試圖給構(gòu)建民機(jī)測(cè)試體系的人們提供一種思路和參考。

1 測(cè)試的任務(wù)

關(guān)于測(cè)試本身的任務(wù)，在航空行業(yè)一直存在共識(shí)[16]，主要包括：①故障診斷；②極限特性的探求和獲?。虎厶卣鲄⒘孔兓秶暮蓑?yàn)與確認(rèn)；④功能正常性的檢查核驗(yàn)與確認(rèn)；⑤多變量狀態(tài)的同步與時(shí)序核驗(yàn)確認(rèn)。它們存在于民用飛機(jī)從設(shè)計(jì)研制、試飛、定型、生產(chǎn)、使用維護(hù)、修理的各個(gè)階段。在不同階段，承擔(dān)的測(cè)試任務(wù)不同，實(shí)施測(cè)試的主體不同，想要達(dá)到的測(cè)試目標(biāo)也截然不同。

例如，研制階段的飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的靜力試驗(yàn)[17]，其任務(wù)就是在3～6個(gè)月的時(shí)間里，確定飛機(jī)能夠安全承載的最大靜力量值是多少；耐久性疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，其任務(wù)則是在8～10年里，確定飛機(jī)安全飛行的疲勞壽命是多少。

研制階段的各種離散源沖擊試驗(yàn)，也是確認(rèn)各種情況下的飛機(jī)安全性能的試驗(yàn)。例如：鳥撞試驗(yàn)，以不同速度狀態(tài)的仿真鳥，用空氣炮水平射擊飛機(jī)頭部以核驗(yàn)飛機(jī)頭部損傷程度，來(lái)確認(rèn)是否符合要求；水平冰擊試驗(yàn)，采用不同顆粒與不同硬度的冰粒，以不同速度水平擊打飛機(jī)頭部，來(lái)核驗(yàn)飛機(jī)頭部損傷程度，以確認(rèn)是否符合要求；假人水平?jīng)_擊試驗(yàn)，對(duì)安置在飛行座椅上且安裝了各種傳感器的仿真人，使用水平空氣炮發(fā)射1～20 g范圍內(nèi)的水平加速度沖擊激勵(lì)(半正弦或三角波等波形)，通過(guò)對(duì)假人腰椎、頸椎等承載的力、力矩、加速度、位移等量的測(cè)量，核驗(yàn)飛機(jī)抗擊水平?jīng)_擊的水平，確認(rèn)是否符合要求；擺錘擊胸、擊頭試驗(yàn)，則是通過(guò)使用擺錘，對(duì)安置在飛行座椅上且安裝了各種傳感器的仿真人，進(jìn)行錘擊胸部和錘擊頭部試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)假人腰椎、頸椎等承載的力、力矩、加速度、位移等量的測(cè)量，核驗(yàn)飛機(jī)抗擊擺錘沖擊水平，確認(rèn)是否符合要求。起落架落震試驗(yàn)，通過(guò)將安裝在試驗(yàn)工裝上的飛機(jī)起落架提升幾十厘米至2 m高，在機(jī)輪不同轉(zhuǎn)速下自由落體著陸，判斷造成的損傷，核驗(yàn)飛機(jī)抗擊跌落沖擊水平，確認(rèn)是否符合要求;起落架擺振試驗(yàn)，通過(guò)將安裝在試驗(yàn)工裝上的飛機(jī)起落架提升幾十厘米至2 m高，以不同角度自由落體至高速運(yùn)動(dòng)的地表，通過(guò)產(chǎn)生的側(cè)向扭轉(zhuǎn)的回復(fù)周期，判斷起落架抗擊擺振的性能水平，確認(rèn)是否符合要求;全機(jī)落震試驗(yàn)[14]，則通過(guò)將飛機(jī)全機(jī)提升幾十厘米至2 m高，自由落體著陸，以此判斷造成的損傷，核驗(yàn)飛機(jī)抗擊跌落沖擊水平，確認(rèn)是否符合要求。

著名的十大試驗(yàn)臺(tái)[6]，主要針對(duì)飛機(jī)地面試驗(yàn)的系統(tǒng)：①飛行控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)；②飛行品質(zhì)模擬試驗(yàn)臺(tái)；③燃油系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)；④電網(wǎng)模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑤環(huán)控系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑥液壓系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑦進(jìn)氣道調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑧航空電子綜合模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑨座艙蓋模擬試驗(yàn)臺(tái)；⑩座艙照明模擬試驗(yàn)臺(tái)。另外，各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、試車臺(tái)，各類風(fēng)洞等也屬此類。

以飛機(jī)機(jī)載設(shè)備為例，有以下幾大類典型的系統(tǒng)需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證與確認(rèn)[7]。①飛控系統(tǒng)：包括遠(yuǎn)控電傳(或液壓)操縱系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng),組合導(dǎo)航設(shè)備(雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、航向信息系統(tǒng)、無(wú)線電羅盤、高度信息系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)和進(jìn)場(chǎng)的儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)等)，以及防冰、防撞系統(tǒng)等；②綜合座艙顯示系統(tǒng)；③機(jī)載自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)：包括飛行參數(shù)記錄裝置，機(jī)載檢測(cè)和告警系統(tǒng)等；④綜合通訊系統(tǒng)：包括超短波電臺(tái)、短波電臺(tái)、機(jī)內(nèi)通話器、語(yǔ)音報(bào)警器、計(jì)算機(jī)等；⑤機(jī)載電源系統(tǒng)；⑥環(huán)控系統(tǒng)；⑦氣象雷達(dá)系統(tǒng)。

特別重要的飛行性能的試飛任務(wù)，則有更多的試驗(yàn)需要測(cè)試來(lái)驗(yàn)證完成。

另外，有關(guān)民機(jī)適航性要求的眾多規(guī)定，內(nèi)容要求貫穿于設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試飛、制造、使用維護(hù)等各個(gè)階段[18-19]。盡管規(guī)定得很籠統(tǒng)，也是建立在測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上的驗(yàn)證和確認(rèn)過(guò)程。

從本質(zhì)上說(shuō)，這些均是民機(jī)測(cè)試相關(guān)的任務(wù)對(duì)象，為民機(jī)測(cè)試的主戰(zhàn)場(chǎng)。

實(shí)際上，對(duì)于民用飛機(jī)，適航規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)可看做一個(gè)體系，其主要是安全有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了民用飛機(jī)若想通過(guò)適航認(rèn)證，必須滿足的一系列要求，包括設(shè)計(jì)和制造階段的初始適航性，及使用和維護(hù)階段的持續(xù)適航性。其中，一部分要求直接與測(cè)試有關(guān)，另外的部分，很多只是技術(shù)要求。標(biāo)準(zhǔn)的不同條目之間，從表面看并沒(méi)有明確的邏輯關(guān)系，實(shí)質(zhì)上，每一條標(biāo)準(zhǔn)的后面，都隱含著一系列適航事故造就的血的教訓(xùn)。因而，從適航標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的測(cè)試系列要求，僅僅可以抽象出安全體系的內(nèi)涵與框架，難以抽象出民機(jī)測(cè)試體系的內(nèi)涵與框架。

2 測(cè)試體系的概念

“測(cè)試歷來(lái)無(wú)體系，測(cè)試工作不成體系?！边@樣的結(jié)論有些武斷和絕對(duì)，但也不無(wú)道理。這主要是因?yàn)闇y(cè)試雖然滲透到幾乎每一項(xiàng)實(shí)際工作之中，但在多數(shù)情況下都處于從屬地位，另外，測(cè)試分類偏雜，其任務(wù)也偏雜，且無(wú)定數(shù)，總在變化過(guò)程之中。我國(guó)航空工業(yè)在自主研發(fā)方面的能力比較薄弱，自主探求極限特性和特征為主的主動(dòng)測(cè)試行為較少，使得故障診斷、符合性驗(yàn)證類的被動(dòng)測(cè)量行為占據(jù)主導(dǎo)地位，而測(cè)試或?yàn)檩o助地位，僅僅作為一種工程手段?？傮w而言，有三種典型的測(cè)試活動(dòng)：

1)性能測(cè)試，就單參量的量值而言，實(shí)質(zhì)上是被測(cè)參量極限區(qū)間的邊界確認(rèn)，也可以是過(guò)程特征值的邊界確認(rèn)，或過(guò)程變化規(guī)律的符合性確認(rèn)；對(duì)于多參量量值，還可能包括它們之間的同步、時(shí)序、因果關(guān)系等的驗(yàn)證與確認(rèn)。校準(zhǔn)過(guò)程類似于性能測(cè)試，屬于計(jì)量性能的符合性驗(yàn)證確認(rèn)行為。

2)功能測(cè)試，實(shí)質(zhì)上是其功能符合性的驗(yàn)證與確認(rèn)。

3)故障診斷，針對(duì)功能達(dá)不到預(yù)期要求，或性能達(dá)不到預(yù)期要求情況，以測(cè)試為手段進(jìn)行故障定位、故障分離、故障判斷等。為故障排除提供技術(shù)依據(jù)，通常多數(shù)屬于功能測(cè)試，但也可從屬于性能測(cè)試。

無(wú)論哪一種測(cè)試，都包含“人”、“機(jī)”、“料”、“法”、“環(huán)”五個(gè)主要要素?！叭恕睘閷?shí)施測(cè)試的主體，可以是技術(shù)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)試驗(yàn)單位、部門，最終落實(shí)到實(shí)施者，以及相應(yīng)的管理者；“機(jī)”是測(cè)試所用的儀器、設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器具、裝置、設(shè)施等，是測(cè)試得以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)條件；“料”是被測(cè)對(duì)象及測(cè)試需求，可以是單項(xiàng)或多項(xiàng)，可以是功能或性能；為測(cè)試的基本要求；“法”是測(cè)試所依據(jù)的方法、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及測(cè)試結(jié)果的處理與呈現(xiàn)；“環(huán)”是測(cè)試所需要的環(huán)境條件。

圍繞測(cè)試對(duì)象的測(cè)試目標(biāo)，各項(xiàng)測(cè)試要素的集合，構(gòu)成被測(cè)對(duì)象的測(cè)試體系，包括以下幾方面體系：

①人才體系，即測(cè)試人力資源體系，測(cè)試任務(wù)的實(shí)施者，構(gòu)成測(cè)試人才隊(duì)伍體系，又可分為測(cè)試管理隊(duì)伍體系和測(cè)試工程技術(shù)隊(duì)伍體系。

②資源體系，即測(cè)試設(shè)備資源體系，是測(cè)試實(shí)踐中的標(biāo)準(zhǔn)儀器和設(shè)施集合。

③任務(wù)體系，由各種不同的測(cè)試需求的總集合構(gòu)成測(cè)試任務(wù)體系。

④方法體系，由測(cè)試方法、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法規(guī)等集合構(gòu)成測(cè)試原理、方法、法規(guī)體系。

⑤環(huán)境體系，由特殊的多種不同要求的、成體系的環(huán)境條件與設(shè)施構(gòu)成環(huán)境條件體系。

⑥民用飛機(jī)測(cè)試體系，是圍繞民用飛機(jī)測(cè)試任務(wù)及目標(biāo)構(gòu)建的全局性的工作與發(fā)展體系，有明確的目的、基本的任務(wù)需求、規(guī)范的技術(shù)要求、可用的技術(shù)結(jié)論、良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

3 民用飛機(jī)測(cè)試體系的構(gòu)建

當(dāng)明確測(cè)試體系所包含的要素之后，便可以主動(dòng)規(guī)劃和構(gòu)建適用于不同對(duì)象的測(cè)試體系，并不斷完善和發(fā)展。天然形成的測(cè)試資源和測(cè)試力量，靠的是利益驅(qū)動(dòng)和需求牽引而產(chǎn)生，往往不完備、不系統(tǒng)。

任何一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，若想達(dá)到安全性、可靠性、維修性、測(cè)試性、計(jì)量性五個(gè)方面的基本要求，并在使用維護(hù)中順利實(shí)施，需要在設(shè)計(jì)階段就予以考慮。若設(shè)計(jì)時(shí)考慮不全面，后期將難以補(bǔ)救。因此，若非主動(dòng)構(gòu)建測(cè)試體系，僅靠利益驅(qū)動(dòng)和需求牽引，很多測(cè)試任務(wù)是無(wú)法在實(shí)際工作中順利完成的。因?yàn)樵O(shè)計(jì)方和測(cè)試方并非同一主體，產(chǎn)品使用方對(duì)設(shè)計(jì)方的技術(shù)要求并不能做到如此完備而具體，而對(duì)于不屬于自身必須要求的技術(shù)特性，設(shè)計(jì)方往往選擇忽略，從而導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏測(cè)試性特征。

主動(dòng)構(gòu)建測(cè)試體系的情況則不然，它是建立在詳細(xì)的測(cè)試需求分析基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)利害分析、目標(biāo)分析、技術(shù)要求分析、技術(shù)任務(wù)分解、實(shí)施方式的驗(yàn)證與確認(rèn)，經(jīng)主動(dòng)構(gòu)建和持續(xù)運(yùn)營(yíng)與完善。它包含測(cè)試管理體系、測(cè)試技術(shù)體系、測(cè)試監(jiān)督體系，從產(chǎn)品概念提出和技術(shù)設(shè)計(jì)階段就予以考慮測(cè)試性問(wèn)題，以及包括測(cè)試順利實(shí)現(xiàn)的“人”、“機(jī)”、“料”、“法”、“環(huán)”的全部測(cè)試要素。在系統(tǒng)內(nèi)達(dá)成共識(shí)，系統(tǒng)外獲得認(rèn)可。以飛機(jī)為例，可構(gòu)建如下圖1所示的測(cè)試體系框架。

由圖1可見(jiàn)，若將民用飛機(jī)全壽命周期分為設(shè)計(jì)研制、地面試驗(yàn)、試飛定型、工程制造、使用維護(hù)5個(gè)階段，每一階段都可分析整理出若干測(cè)試任務(wù)，而每一個(gè)測(cè)試任務(wù)又都擁有若干個(gè)測(cè)試目標(biāo)。針對(duì)每一個(gè)具體的測(cè)試任務(wù)的若干個(gè)測(cè)試目標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法與流程，獲得測(cè)試結(jié)果，最終處理獲得明確的測(cè)試結(jié)論，從而完成測(cè)試任務(wù)。

圖2所示為民用飛機(jī)測(cè)試體系的量值溯源框架，其中可見(jiàn)，民用飛機(jī)各個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所涉及的量值，均需通過(guò)各種校準(zhǔn)方法溯源到上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而確保測(cè)試所獲得的結(jié)論的準(zhǔn)確無(wú)誤，沒(méi)有進(jìn)行量值溯源的測(cè)試數(shù)據(jù)所獲得的結(jié)論不具備可信性。關(guān)于這一點(diǎn)，測(cè)試校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則中已明確表述，不再贅述。

圖1 民用飛機(jī)測(cè)試體系框架

圖2 民用飛機(jī)測(cè)試體系量值溯源框架

從這里可知，民用飛機(jī)測(cè)試體系構(gòu)建包括：①梳理出各個(gè)階段的全部測(cè)試任務(wù)，將其變成標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試任務(wù)體系；②針對(duì)每一項(xiàng)測(cè)試任務(wù)，制定完善的測(cè)試目標(biāo)系統(tǒng)，并以此構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，全部測(cè)試任務(wù)的各個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)成民機(jī)測(cè)試系統(tǒng)體系；③全部測(cè)試所依賴的理論、方法，構(gòu)成測(cè)試的理論方法體系，應(yīng)以手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程、條例、大綱等各種形式，將其規(guī)范化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)筑民機(jī)測(cè)試?yán)碚摲椒胺ㄒ?guī)體系；④針對(duì)全部測(cè)試任務(wù)所涉及的物理量值，構(gòu)建完備的如圖2所示的量值溯源鏈，將它們有效溯源到上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；也可將其稱之為編織完善的量值溯源鏈，構(gòu)筑完整的量值溯源體系；⑤整合各個(gè)階段、不同單位和部門的測(cè)試管理人員與測(cè)試技術(shù)人員，構(gòu)建民機(jī)測(cè)試人才隊(duì)伍體系；該隊(duì)伍的從業(yè)單位與部門，應(yīng)該通過(guò)相應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則的認(rèn)可[20]，作為測(cè)試行業(yè)的最低入門要求。

4 討論

從上述過(guò)程可見(jiàn)，民機(jī)測(cè)試體系實(shí)際上包含了任務(wù)體系、硬件能力體系、理論方法體系、技術(shù)法規(guī)體系、量值溯源體系、人才隊(duì)伍體系等方面的內(nèi)涵。若想讓其完整有效，需要進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)與行業(yè)管理。在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，同步分析其測(cè)試任務(wù)體系，同時(shí)考慮其測(cè)試體系構(gòu)建問(wèn)題，并按照安全性、可靠性、維修性、測(cè)試性、計(jì)量性五個(gè)方面的基本要求，進(jìn)行測(cè)試體系的設(shè)計(jì)構(gòu)建，并將其標(biāo)準(zhǔn)化、文件化和制度化[21]。

特別是測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量溯源問(wèn)題，在許多以故障診斷和定位為目標(biāo)的測(cè)試活動(dòng)中，并未給予應(yīng)有的重視，從而也影響了以性能獲取為目標(biāo)的測(cè)試活動(dòng)的量值溯源理念。若不在設(shè)計(jì)建造階段同時(shí)進(jìn)行計(jì)量性設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)的許多量值，在實(shí)際工作中無(wú)法進(jìn)行有效溯源[8-9]，因而給依賴定量量值給出測(cè)試結(jié)論的測(cè)試工作帶來(lái)巨大隱患，這也是很多復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)的典型缺陷，幾乎每一個(gè)飛機(jī)制造廠，都有一些無(wú)法完整溯源的測(cè)試設(shè)施與系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)討論民用飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)涵，分析測(cè)試體系框架如何構(gòu)建。民機(jī)測(cè)試體系技術(shù)框架其分為5個(gè)不同階段，以測(cè)試任務(wù)為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行全面考慮，并從任務(wù)體系、硬件能力體系、法規(guī)體系、溯源體系、人才隊(duì)伍五個(gè)方面，系統(tǒng)闡述了民用飛機(jī)測(cè)試體系的內(nèi)涵。