民用飛機MC8試驗平臺的適航要求及符合性驗證方法研究

于海生

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

民用飛機模擬器試驗平臺(如工程模擬器)是一種高效、強大的手段，能夠對飛行試驗無法測試的失效模式進行評估，而且具有能在不同場景下開展評估的靈活性，能夠檢查參數變化對飛機性能的影響。模擬器試驗平臺代表一個具有人機閉環(駕駛員在飛行控制系統回路中)能力的模擬器。模擬器試驗平臺是一種十分有價值和發展前途的工程工具，在飛機的研制開發中起著重要的作用，目前歐洲空中客車工業公司等世界先進的飛機制造企業，已經大量采用模擬仿真技術進行符合性驗證試驗代替飛行試驗和安全性分析，大大降低飛機的研發成本，同時提升飛機的整體安全性能。通常用于支持飛機系統集成測試的模擬器試驗平臺也可以當作一種用以支持適航符合性驗證試驗的手段來代替試飛試驗，即MC8(means of compliance 8)符合性驗證試驗[1]。當模擬器試驗平臺用于MC8試驗來表明條款的符合性并生成適航符合性驗證數據時，也可稱之為MC8試驗平臺。目前國內已取證的飛機型號是采用飛行模擬器開展的MC8試驗，但國際主流的航空器制造商一般使用工程模擬器作為MC8試驗平臺。本文的討論對象為用于開展MC8試驗的模擬器試驗平臺，一旦模擬器試驗平臺作為一種適航符合性驗證方法用來表明適航條款的符合性，局方(適航當局)必定會對其給予重點關注，特別是復雜且高度集成的大型民用運輸類飛機，關注程度會更高[2]。

目前，還沒有適用于如何對模擬器試驗平臺作為一種適航符合性驗證手段(MC8)進行合格鑒定的詳細指南。本文根據歐洲航空安全局(EASA)和中國民用航空局(CAAC)針對MC8試驗平臺的一些重點關注項，提出了適用于MC8試驗平臺的總體適航要求及符合性思路。

1 MC8試驗平臺

MC8試驗平臺是指用于MC8試驗并生成適航符合性驗證數據的具有人機閉環(駕駛員在飛行控制系統回路中)能力的模擬器試驗平臺。

通常MC8試驗平臺由幾個關鍵設備組成，包括：飛機駕駛艙的全尺寸復制品，幾乎包括真實飛機的全部組件；駕駛艙外景象的虛擬顯示系統；操縱負荷系統，提供飛行員基本控制輸入和觸覺反饋；聲音系統，在駕駛艙內提供典型外界聲音(不包括飛機組件產生的音響警告)；輸入輸出系統，能夠與各種各樣的飛機真實系統和部件通信；實時仿真系統，提供全部的飛機裝置和飛行環境。MC8試驗平臺如圖1所示。

圖1 MC8試驗平臺

2 MC8試驗平臺的總體適航要求及符合性思路

2.1 MC8試驗平臺表明符合性范圍

通常來講，MC8試驗主要針對在飛機上完成是不切實際的試驗科目或測試機組在飛行試驗中完成該試驗科目具有高風險。針對MC8試驗平臺，參照AC25-7D[3]，確定采用MC8試驗平臺替代飛行試驗表明符合性需要滿足以下基本原則：

1)如果即使采取了減小風險的措施，飛行演示驗證仍有過大風險，可以考慮采用MC8試驗平臺驗證，如對CCAR25第25.672條飛控故障條件下飛機的操穩特性的驗證。

2)如果規定的環境條件或飛機條件難以達到，可以考慮用MC8試驗平臺驗證，如對CCAR25第25.25條的最小飛行重量驗證等。

3)在合理范圍內，需要通過MC8試驗平臺來擴大飛行試驗的邊界范圍等。

2.2 MC8試驗平臺研制過程保證

MC8試驗平臺集成了許多真實的飛機系統或組件，以及仿真建模的系統或組件，其設計具有足夠的復雜性。作為一種適航符合性驗證手段，需要規定一個規范化和結構化的開發過程，需要向局方呈現MC8試驗平臺的開發過程，以表明MC8試驗平臺可以到達預期使用目標及范圍。具體要求如下：

1)MC8試驗平臺的研制要從各MC8試驗科目的具體需求出發。

2)MC8試驗平臺的相關模型開發與測試流程應包含需求確認過程。

3)MC8試驗平臺的研制過程要包括使用問題報告來記錄已識別的問題及其相關更正。

研制過程保證的符合性過程可參考SAE ARP4754A 民用飛機與系統研制指南中的V&V研制流程，包含需求從整機到系統的逐層向下分解，再從系統測試到整機測試逐層向上的需求確認過程[4]。MC8試驗平臺V&V研制流程如圖2所示。局方不會全程介入試驗平臺的整個研制過程，但會重點關注關鍵系統的驗證測試過程。

圖2 MC8試驗平臺V&V研制流程

2.3 MC8試驗平臺構型管理要求及符合性驗證思路

MC8試驗平臺的研制過程一般是與飛機同步的，由于飛機在研制過程中的構型不是固定不變而是動態變化的，即使是飛機在取得型號合格證(TC)后也可能發生設計更改，構型發生變化。要保證MC8試驗平臺研制能夠代表飛機的取證狀態，就需要進行系統的構型管理[5]。

通過對A市3個社區拆遷抗爭事件的考察，可以發現，在新時代社會轉型發展期，地方政府更多是應用一種“軟策略”回應釘子戶的抗爭行為，主要包括妥協讓步、間接動員、參與調解三種形式。從本質上看，這種“軟策略”其實是一種“非正式策略”，體現的是在壓力型體制之下地方政府“避免出事”的治理邏輯。

首先，MC8試驗平臺的構型管理應與試飛驗證機類似，具有可追溯性，涵蓋所有相關系統、模型以及人機界面(HMI)，用以確保：

1)MC8試驗平臺相對于飛機取證構型具有足夠的代表性。

2)識別試驗后設計更改的影響，評估在MC8試驗平臺上進行過的符合性驗證試驗的有效性。

3)后續試驗的代表性。

MC8試驗平臺涉及的主要構型項如圖3所示。

圖3 MC8試驗平臺構型項

其次，確保MC8試驗平臺的軟硬件構型得到有效管理。針對擬進行的MC8試驗科目，對于MC8試驗平臺使用的飛機真件，需保證MC8硬件及其加載軟件構型與取證飛機一致，如存在差異應能進行相應的影響評估。

除此之外，模型局限性的影響評估和跟蹤管理以及任何MC8試驗平臺的問題報告、缺陷或障礙都要納入構型管理過程。

2.4 MC8試驗平臺逼真度要求及符合性驗證思路

為了確保從MC8試驗平臺測試中獲得正確的結果，MC8試驗平臺必須充分代表真實飛機的系統和飛行動力學特性。這種MC8試驗平臺模擬的飛機狀態、試驗條件和場景等與真實飛機情況的接近程度，被稱為模擬逼真度。它包括操作MC8人員感覺的真實性和試驗結果的正確性[6]。對于用于符合性驗證試驗的MC8試驗平臺，應具備足夠的逼真度，主要根據擬進行的MC8試驗科目的要求來確定，具體要求如下[7]：

1)駕駛艙布局、操縱器件、顯示、聲音等與取證構型飛機的一致性，操縱器件的操縱感覺應與取證構型飛機一致。

2)試驗科目預期使用的功能與取證構型飛機的一致性，任何其他功能的缺失、不完整不能影響科目演示的真實性。

3)模擬試驗科目的外界環境應與飛機預期使用的真實環境一致。

4)性能、操穩的靜動態容差，飛機的響應必須與取證構型飛機盡可能一致。

如何表明MC8試驗平臺可以作為一種適航符合性驗證手段，很大程度上取決于逼真度是否滿足要求，在進行MC8試驗平臺逼真度符合性驗證時，應滿足以下要求[8]：

1)MC8試驗平臺集成了不同的系統和模型，所以采用的驗證策略應先從一個系統到另一個系統逐步地驗證，包括不同的失效模式，然后在整機狀態和飛行領域進行整機級驗證，最后運行多個系統的失效模式進行驗證。

2)MC8試驗臺上進行的符合性驗證評估通常應具有全局觀，不僅包括飛機姿態響應或單個系統驗證，還包括多個系統的交聯驗證，以及機組程序和工作量的評估。因此，MC8試驗平臺的逼真度演示也應是全局的，即多系統演示，涵蓋所有的失效模式。

3)逼真度的演示應包括穩態和瞬態，并應根據可用的飛行試驗數據進行校驗。但是，如果有些情況不可能使用飛行試驗數據進行校驗，例如對于危險的(HAZ)/災難的(CAT)失效模式，那么對于逼真度的演示還應包括相似性分析(例如，設計預期的系統響應與實際MC8試驗平臺響應的匹配)，并與試飛中相關情況下的失效模式的部分或分段演示進行比較。

4)對于系統部分的逼真度(代表性)演示，可使用鑒定試驗數據、部分系統的臺架試驗結果或飛行試驗結果以及分析和/或工程判斷評估系統響應，與嵌入在仿真平臺中的相關模型進行對比。

MC8試驗平臺飛機級評定包括主觀評定和客觀評定。主觀評定是請專業的熟悉該機型的試飛員進行評測，主觀評定科目應包括正常飛行、操縱特性、側風、紊流、風切變、運動提示和抖振以及聲音等科目。主、客觀評定科目的選取應充分考慮規劃的MC8試驗評定科目的具體需求。有關MC8試驗平臺操縱特性的主觀評測結果參見表1，客觀評定的具體內容見表2。

表1 MC8試驗平臺主觀評測結果

表2 MC8試驗平臺飛機級客觀評定

3 結束語

模擬器試驗平臺是一種十分有價值和發展前途的工程工具，在飛機的研制開發中起著重要的作用，目前空客等世界先進的飛機制造企業，已經大量采用模擬仿真技術進行符合性驗證試驗代替飛行試驗和安全性分析，大大降低了飛機的研發成本，同時提升飛機的整體安全性能。本文針對適用于開展符合性驗證試驗的民用飛機MC8試驗平臺，提出了總體的適航要求及符合性驗證思路和方法，對民用飛機MC8試驗平臺的研制、開發具有指導意義。