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航空测试技术的任务与作用

2021.04.09

航空测试技术的任务与作用



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1.航空测试技术的任务

航空测试技术作为航空工业的重要基础支撑技术,概括地说,可包括以下5个方面的内容:

①设计过程中的测试,即在飞机设计过程中所需要进行的相关测试技术。②试验过程的测试,即在飞机研制中的整机、系统及其部件的测试技术。

③生产过程中的测试,即从原料进厂、加工到成品出厂的整个过程的测试,包括理化测试、零部件成品检验与质量控制、计量、成品试验及成品出厂试验中的测试等。

④飞行过程中的测试,即飞机在飞行过程中,为了完成机体、发动机和各种系统的工作状态检查所进行的测试活动。

⑤维护保障过程中的测试,即在产品使用阶段,为了确定产品的性能以及检测和隔离产品的故障所进行的测试活动。

就测试技术而言,上述几个方面都很重要。虽然各自有其自身的特点和要求,但在基本理论、方法及所采用的测试手段方面有很多相似之处。本书所研究与讨论的测试技术,主要在上述①、②和⑤三个方面。

随着我国航空工业的发展,航空飞行器已处在自行设计与研制阶段,产品已向高速、高空、高温领域迈进。新结构、新工艺、新材料的广泛采用,对测试技术提出了新的要求。试验设备与测试系统是发展新型机种的基础与保证,而测试技术又是发挥试验设备能力和缩短研制周期的关键。所以,加强飞机及与飞机密切相关的气动力、结构强度、发动机性能和试飞的测试技术研究,寻求好的测试方法,充实与完善测试手段,越来越为业内专业人士所重视。

航空测试技术的任务可概括为:

①基础测试技术研究,如测试技术的基本理论、测试系统的标准化、系列化、通用化,以及研究不同测试方法的评定标准等。

②准确度高、稳定性好、可靠性强的新型传感器研制,以丰富获取数据的手段。选用何种测试方案,采用何种具体的测试方法,要考虑到获得数据的可能性、完整性、准确性。

③新型数据采集模块的研制,以提高基础测试能力。

④通用自动化测试系统(含硬件及软件)的研制,以提高测试效率。

⑤专用测试系统研制,如风洞试验的测试系统、飞机结构强度的测试系统、飞控系统试验数据采集系统、航空发动机试车测试系统等。

⑥测试性设计与验证工作,提高测试性设计水平。

⑦状态监测系统的研制,如航空液压系统、航空发动机、大功率电源系统及飞机结构系统的状态监测设备。

⑧新技术、新产品应用与推广。


2.航空测试技术的作用

航空测试技术是保障飞机设计、研制、生产和使用维护各个阶段正常运转的重要支撑技术,它有着广泛的服务对象和技术发展领域。从飞机气动试验、强度试验、发动机试验,到各种机载设备的试验等,航空测试技术都具有非常重要的作用。就航空产品发展的全过程而言,从基础技术研究、型号研制、试飞到生产定型,都需要提供先进而可靠的试验测试手段。这种试验测试技术的先进与否,直接影响航空产品的先进性与可靠性,同时对产品的研制周期也起着关键作用。

航空测试技术贯穿于航空产品的设计、研制、生产和使用维护的全寿命过程,其作用是获取在实验或试验中、产品生产或使用维护中的定性、定量的数据和信息,并进行分析和评定,用来验证新理论、新方法、新方案的正确性或可行性;确定或验证被测对象的性能和状态;发现或预测产品的故障,提出合理的维修动作。航空测试技术的发展直接关系到航空科学基础的发展,关系到航空产品的性能和质量,对提高航空装备完好性、降低寿命周期费用具有重要作用。

航空测试技术应用于航空工业的各个领域,是现代航空科学技术发展的基础和手段,其主要作用体现在如下几个方面:

①航空测试是航空工业科学技术发展和产品技术水平提高的重要基础技术。

航空测试技术及其物化的测试设备在航空产品的科研、试验、生产、服务的全过程中都是不可缺少的。从对发达国家高新技术产业的研发费用和时间的统计分析来看,产品的测试费用、测试周期占其研发费用和周期的40%左右,并保持上升趋势。因为,高新技术产品与传统产品的一个重要区别在于:高新科技产品越来越先进,而错误的种类和数量也越来越多。所以,只有通过充分的测试与试验验证,才能有效提高产品的可靠性和稳定性,满足使用要求。

②航空测试技术是航空科技体系的重要组成部分。

和设计、制造技术一样,航空测试技术也是国防科技和装备发展的共性基础技术,同时还是航空科技体系的重要组成部分。一方面,它要物化为适用的多种类型的测试设备或系统;另一方面,它与产品研制过程联系紧密,融入其他专业,如研发中的测试性设计、生产过程中的检测活动,以及维护保障过程中的诊断测试等。

③航空测试技术是获取被试对象信息不可缺少的手段。

任何一种现代装备的出现,都离不开先进测试技术的支持。随着科学技术发展,各学科领域对测试技术都提出了越来越高的要求。先进工业国家都对测试技术、测试设备和系统投入巨资进行开发、研究,并取得了惊人的成就。在当代航空科技发展中,测试已成为生产率、制造能力及实用性水平的重要标志,是保障现代装备达到实际性能指标的重要手段。

航空产品在设计、研制、生产和使用维护过程中,必须通过测试设备和测试系统获取相应参数,对产品进行全面的评定,随时掌握产品的状态,才能保证研制出的产品性能高并且可靠,才能保证产品的使用有效、充分。因此,测试技术是具有全局性的关键技术,尤其在高新技术领域,更是具有极其重要的地位。以航空产品为例,在新机研制过程中,需要开展大量的试验工作,如飞机的气动力试验、结构强度与疲劳试验,发动机部件与整机的性能试验、强度试验、寿命试验,以及飞行试验、高空模拟试验、弹射救生试验、辅机系统试验等。而在这些试验中,如果没有完善的测试手段,来获取全面的试验结果,那么试验的作用就不复存在了。因此,测试是保证达到试验目的,进而保证产品质量的重要手段。

随着航空工业的发展,现代飞机的设计和研制日益依赖于先进的试验测试手段,缺乏先进的试验测试装备,将严重制约航空产品的发展。同时,由于产品性能的提高,在生产过程中,对产品的性能试验测试也提出了更高的要求。目前,我国的航空工业面临着全面技术改造的迫切需求,针对这种需求,测试技术必须有一个较快的发展,才能为航空工业提供先进的测试技术和装备。


3.航空测试技术的体系与特点

3.1航空测试技术的体系

航空测试技术有多种分类方法,如从测试原理、测试对象、测试目的、测试参数及测试环境等多角度去归类。本书仅从技术体系角度对航空测试技术进行划分,主要包括传感器技术、数据采集和处理技术、测试性设计技术、综合测试技术等,测试性设计技术包括机内测试(BIT)技术等,综合测试技术包括自动化测试技术、地面试验测试技术、试飞测试技术和维护保障测试技术等内容。此外,地面试验测试技术又包括空气动力试验测试技术、强度试验测试技术、发动机试验测试技术、航电系统试验测试技术、机电系统试验测试技术及武器系统试验测试技术等内容。由于篇幅有限,本书重点阐述传感器技术、数据采集和处理技术、自动化测试技术、测试性设计技术、机内测试(BIT’)技术、地面试验测试技术及发动机特种测试技术等内容,不包括试飞测试技术、空气动力试验测试技术及武器系统试验测试技术等内容。


航空测试技术体系如下图所示:

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3.2航空测试技术的特点

航空测试技术以通用测试技术为基础,但由于飞机及其机载设备均属高新技术产品,它们的工作和使用环境恶劣,因此航空测试技术有其自身的特殊性。而航空测试设备就是针对上述要求的多样化,为适应复杂使用环境和满足对体积、重量、功耗等的严苛要求(特别是机内)而设计制造的。随着航空技术的发展,产品性能和可靠性的提高,对航空测试技术提出了更高的要求,突出表现在:

①测试设备应具有更高的准确度、速度、分辨率、带宽、稳定性和实时性。

②鉴于外场用测试设备工作环境条件恶劣,因此测试设备应具有抗各种恶劣气候和环境条件的能力,还要便于携带和运输,容易组装和拆卸、便于作战部署等。

③满足飞机等武器装备飞行过程中对动态测试的要求。

④满足航空发动机、武器系统在高空、高压、高温、高转速条件下对特种测试的要求。以航空发动机为例,其疲劳试验有轴疲劳试验和叶片疲劳试验等,而叶片疲劳试验又包含叶片冷热疲劳、高温疲劳、高周疲劳、低周循环疲劳等试验。要在复杂飞行条件下满足航空发动机的设计要求,就必须进行大量的特殊条件下的试验项目,获取重要的测试数据。

⑤满足机载、弹载测试设备体积小、重量轻、测量参数类型多、被测点数多、存储容量大、远距无线传输、空地测试一体化等特殊要求。

⑥飞机、发动机的结构件价格往往非常昂贵,在检测其内部缺陷或损伤时,要求进行无损检测。

一般说来,航空测试的基本特点是多参数(气动、热力、几何、电磁等)、多模态(动态与稳态、瞬态与常态、周期性与随机性等)、采样速率高、数据量大、范围宽和高精度、高复杂性等,以下部分将对其进行具体介绍。

3.2.1被测参数种类多,覆盖面宽

测试参数包括温度、压力、位移、应力、应变、振动、流量、速度、推力等几十种,同时测取的数据可达几百个乃至数千个。以发动机研制过程为例,为了进行部件、系统和整机的各项性能试验和强度试验,必须进行大量的各种物理参数的测量。需要测量的参数主要有温度、压力、空气流量、燃油流量、燃气分析、转速、推力、流速、振动、位移(间隙、振幅)、液位、扭矩、功率、应力、应变、力、频率、方向角等多种。

飞机结构强度的主要测量参数包括静力试验中的应变、位移和载荷;动力试验中的位移、速度、相位和频率;热强度试验中的温度、热辐射强度、位移、应变和载荷等。

风洞试验是研究模型和气流相互作用的一种试验,其被测参数包括力、力矩、压力、温度、流速、模型转动角度和角速度等。

飞行试验的测量参数包括高度、速度、压力、振动过载、位移、力、力矩、应变、温度、转速、油耗、频率、迎角、侧滑角、角速度、角加速度、姿态角、航向、距离、轨迹和裂纹等几百个,甚至几千个。如某大型飞机的试飞测试系统,就要求具有可同时测试采集4000多个参数的能力。

弹射救生试验的测量参数包括高度、速度、角速度、姿态、压力、温度、力、推力、阻力、声响、面积、流场、激波强度和轨迹等几十种。

由此可见,航空测试不仅参数的种类多,而且是处在不同的工作状态。例如,在测量发动机整机及部件转子转速时就有稳态转速、过渡态转速、脉动转速等;在应力状态下有静应力、动应力、热应力、弹塑性应力、断裂应力等。此外,有些参数之间还相互影响,如气动力、传热、结构强度间的交互影响,以及它们状态的综合测量等。

由于被测参数种类多,而且同-类型物理参数范围覆盖面宽,量程又各不相同,因此需要上千个品种的敏感元件和传感器,增加了航空测试的复杂性。

3.2.2被测点数多

据统计,1928年时,活塞发动机的测点只有25个左右。到1948年,喷气式发动机的被测参数增加到了200个左右。目前,大型飞机中所用发动机的被测参数可达700个以上。在飞机的结构强度设计时,要求准确地测量大量数据。像美国的波音727飞机,在做静力试验时就要粘贴2000 多片应变片,而F-111要贴2200多片。一架大型飞机,如A300型飞机,其全机静力试验粘贴的应变片达5000片以上。大型飞机单机的测试参数有上万个,如A380单架飞机的测试参数达20000个。现代战斗机的机载测试参数数以千计,试验机测试参数则达 3000 ~8000个。

3.2.3被测信号微弱

由于被测试产品精度的提高,要求测试系统和传感器的精度也相应提高。又由于某些试验的周期长,能源耗费大,因此要求测试系统和传感器也必须具有稳定和可靠的性能。对于一般测试系统而言,要求其系统的综合精度优于0.2%,并具有实时校准功能。

在航空地面试验性能与强度测试中,有些被测参数(如应变、压力和温度)的输出信号幅值较低,一般在微伏及毫伏级。在应变测量中,应变范围是5 ~ 10ue,测量其信号电平约为10 20uV。在温度测量中,分辨率在0.250.5℃的范围时,其温度转换为电平信号的电平也只在毫伏级。

与地面机械不同,航空测试如果精度低,计算结果误差大,将造成严重后果。特别对测试精度要求很高的低电平测试,对现场使用条件、测试系统性能以及抗干扰措施提出更高的要求,大大增加了测试的困难。例如,在对某型发动机进行测试时,其精度要求是:推力达到±0.2%;涡轮后排气温度达到±0.3%;燃油流量达到±0.2%;高低压压气机压力达到±0.2%﹔转速达到±0.01%;其他参数要求在±0.5% ~ ±1%范围内。

3.2.4测试采样速率高

飞机的飞行状态变化很快,部件或整机在一种状态下、同一瞬间的各种参数的变化情况都要求记录下来,没有快速或高速测试系统是不可能的。以飞机强度试验中的破坏试验为例,其连续加载的时间为2min左右,在这个过程中要测出各点载荷、位移、应变及对时间变化率,就要求测试系统有较高的采样速率。在稳定性试验中,结构失稳是在几十毫秒内发生的,因此,要测得其失稳过程曲线,要求的采样速率则更高。风洞吹风试验时间短,特别是超声速风洞吹风的时间,一次只有几秒或几十秒,没有高的采样速率就根本无法获得测试数据。在国外,风洞试验中测量动态特性参数时的采样速率要求在每秒十多万次以上。

3.2.5数据量大

数据量大,这在航空测试中是显而易见的。例如,以某型发动机整机全流程参数测量为例,10个截面需测压力238点、温度185点、壁温142点,一个截面测流场90点,共计655点。发动机结构强度试验应力监测和风扇叶片颤振失速监测点近300点,其中旋转部件测点达100个,所获得的测试数据量可达到每小时数百万兆字节以上。发动机与进气道的匹配试验要求测量进口动态压力场,其数据量也达到百万数量级。波音727民航机在做静力试验时,飞机粘贴2000多片贴片,测量了30万个应变数据。

3.2.6数据处理速度快

在试验过程中需要迅速得出试验结果并对其进行判断,以便进行下一次试验,这就要求能实时看到试验结果。在计算机技术应用之前,获取试验结果需要相当长的时间,那时的风洞吹风试验,如果吹风吹上几十秒或开几次车,那么人工处理取得试验结果的时间就要花3个月至半年,这无疑大大延长了研制周期。由此可见,数据处理慢,就不能及时得到试验结果,从而影响对发动机工作状态的分析和调试。对于飞机静力试验而言,即使只有200个测量点,20个人进行测量(按每台应变仪测20点需2人计算),在测出的数据多达几十万个情况下,如果采用人工进行均方根差分析,那么4个人同时处理也需要两三个月的时间,这就很难实现试验调整及试验结果的实时分析。因此,要求测试系统不仅应具有在线处理分析功能,而且数据处理的速度要快速、准确,从而缩短研制周期,大幅提高试验设备利用率。如今,随着计算机技术的不断发展,嵌人式数据处理技术在航空测试领域得到广泛应用,可以提供更加快速准确的处理判断。

3.2.7测量—处理—显示—控制一体化

航空测试不仅是测量–些参数并对参数进行实时分析与处理,还要在试验过程中对试验设备和试验件及其所处环境、位置及各种过程等变化进行控制,以便符合客观变化规律,这样所测得的数据才更符合客观实际。例如,在气动试验中要对马赫数、模型姿态、尾喷管开度等进行控制;在结构强度试验中要求测试过程配合自动协调加载;在发动机试验测试中要求提供适当的环境条件,而这些试验条件与状态的改变(如由一工作点变化至另一工作点)是通过模拟控制与状态控制来实现的。由于各种过程均实现了自动控制,

从而使所做试验既准确又快速,重复性试验所测得的数据几乎每次都完全相同。这就是一体化功能的具体体现。

测量—处理一显示—控制一体化的实现,不仅能够大大提高数据的置信度和试验可靠性,大大降低人为错误操作因素,使试验成功率得到提高,而且也是科学研究试验本身发展的需要。其结果是,既节约了时间和经费,又能保证试验质量,高效率地完成科研与生产任务。

以上对航空测试技术的特点进行了简要描述。随着航空测试系统规模越来越大,技术要求越来越复杂,客观上很难完整地将这一任务完成得尽善尽美。因此,系统设计与配套技术也是测试技术的一项重要内容,目标是根据试验任务及测试要求,在了解对象特征的情况下,应用测试理论设计测试方案,合理选用仪表及系统硬件设备配置,结合测试对象的特性,研究建立数学模型,研制应用软件及效果良好的人机接口。同时,成套提供装置与设备,指导现场布线和安装,以及现场调试、系统启动试车、维护修理和提供备品备件、技术培训、技术咨询服务等。

航空测试技术的发展强烈依赖基础工业和相关共性技术领域的突破和进展,如电子元器件、先进传感器、电子计算机、先进功能性材料、通用仪器与设备等。另外,微电子技术和计算机技术的进步也极大地推动着测试技术和仪器的发展,并使常规的测试原理和仪器设计发生了重大变化,未来还将会产生更加新颖的测试理论及新的测试仪器和系统。应该特别指出的是,微电子技术的发展给测试技术各个领域带来了重大变革。随着大规模与超大规模集成电路的发展,制造高性能、高精度和高可靠性测试仪器成为可能。智能传感器及新一代自动化测试系统的出现,使得测试系统有一个崭新的变革,这将给本世纪许多重大科学技术带来新的突破。


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