測試和維修技術(shù)在航空裝備設(shè)計中的應(yīng)用分析

引言

測試技術(shù)是航空維修的重要組成部分，不僅使飛機的作戰(zhàn)性能提高，而且直接關(guān)系到軍機維修思想、維修方式、甚至維修體制的變革。故對測試技術(shù)與軍機維修體制變革進行研究。

1 測試技術(shù)概述

測試技術(shù)是指應(yīng)用測試設(shè)備、工具和方法，按照標準，對裝備的狀況進行判斷。內(nèi)涵如圖1，包含嵌入式測試支持技術(shù)、測試設(shè)備和測試程序等。

測試技術(shù)分外部測試和內(nèi)部測試，分別由自動測試設(shè)備（ATE）和機內(nèi)測試設(shè)備（BIT）來體現(xiàn)。

1.1 ATE技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，采用ATE技術(shù)能夠使測試效率提高10倍以上，故障隔離效率提高30％，并可在裝備壽命周期內(nèi)節(jié)省20％以上的測試費用。因此，ATE技術(shù)已成為保持裝備戰(zhàn)斗力的高效設(shè)備。

早在20世紀50年代美國就開始了ATE的開發(fā)研制，其發(fā)展經(jīng)過了4個階段：20世紀60年代以前主要以人工或?qū)Ｓ脺y試儀器進行測試的早期階段；60～70年代中期發(fā)展成由計算機控制的專用化半自動、自動測試設(shè)備的發(fā)展階段；80年代中期則以微型計算機、獨立操作系統(tǒng)、IEEE2488、CAMAC、RS2232總線結(jié)構(gòu)為標準，多功能、易組合、可擴展式ATE階段；80年代中期至今進入以VXI總線為標準的低成本、高性能、便攜式ATE的完善期階段。

現(xiàn)在航空裝備設(shè)計中廣泛采用外場可更換單元（LRU）技術(shù)，LRU種類、數(shù)量不斷增多。由于部件的自檢測能力有限，導(dǎo)致多種類別和結(jié)構(gòu)形式的ATE大量出現(xiàn)，測試過程變得復(fù)雜。美國空軍在1985年提出ATE的研制要求，即體積小、成本低、性能高、可移動、模塊化、多用途和標準化的ATE。

1.2 BIT技術(shù)

BIT技術(shù)是指系統(tǒng)設(shè)備依靠內(nèi)部專設(shè)的自檢測電路和軟件，來完成自身工作參數(shù)的檢測和故障自診斷，然后執(zhí)行故障隔離的一種綜合能力。由于BIT能夠監(jiān)控主要工作參數(shù)、向操作和維修人員報告工作狀態(tài)、預(yù)測未來可能發(fā)生的故障，已成為現(xiàn)代裝備不可缺少的組成部分，主要用于維修和維護檢測，對于裝備的安全可靠運行和維修具有重要意義。

1）BIT的發(fā)展歷程

20世紀60年代，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，航空電子設(shè)備日趨復(fù)雜，維修工作量迅速增加。為了改善設(shè)備的維修性，減少故障隔離時間，美軍開始研究BIT技術(shù)。70年代初，測試、檢測和故障診斷困難成為制約裝備發(fā)展的一個主要原因，軍機維修重點也從以往的拆卸和更換逐漸轉(zhuǎn)向故障檢測和隔離，這一現(xiàn)象在電子裝備上表現(xiàn)得更為突出?，F(xiàn)在BIT技術(shù)已經(jīng)開始向綜合化和智能化發(fā)展，并開始與ATE融合，但ATE存在著費用高、種類多、操作復(fù)雜、人員培訓困難和只能離線檢查等方面的不足，所以BIT的地位越來越突出。

2）BIT技術(shù)的應(yīng)用

航空裝備研制過程中，BIT技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。80年代初期開始服役的F-18飛機，其80％的電子設(shè)備和系統(tǒng)都設(shè)計有BIT功能；F-15飛機的電子設(shè)備中的敵我識別器和應(yīng)答機、平視顯示器、中央計算機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等也都有BIT能力。

BIT技術(shù)在航空電子設(shè)備和機電系統(tǒng)上的應(yīng)用，提高了飛機的戰(zhàn)備完好性和出勤率，降低了維護費用。例如，F(xiàn)-16飛機在設(shè)計之初，就對BIT技術(shù)與其機載設(shè)備的結(jié)合進行了全面考慮，從而使F-16一度成為美軍完好率和出勤率最高的飛機，且需要的備件很少；F-22飛機作為最新一代戰(zhàn)斗機，BIT技術(shù)的應(yīng)用就更加廣泛深入了。

3）智能BIT技術(shù)

智能BIT技術(shù)就是將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能理論和方法引入到BIT的故障診斷之中，以降低BIT虛警率、提高裝備故障診斷能力。

隨著航空裝備復(fù)雜性的增加，用于改善裝備維修性、測試性和自診斷能力的BIT技術(shù)，不斷暴露出自身無法克服的診斷能力差、虛警率高、不能識別間歇故障等不足。所以，80年代以來，美、英等國相繼開展智能BIT研究，利用計算機模擬人的思維過程和處理問題的方法對基本BIT的輸出結(jié)果進行分析、推理和判斷，以提高BIT的故障診斷檢測與隔離能力，減少BIT虛警，并能測試和隔離問歇故障。智能BIT技術(shù)已在美國空軍F-15、F-16的改進型和新裝備的F-22中得到應(yīng)用。

2 維修體制變革

由于維修觀念的更新以及新技術(shù)不斷應(yīng)用于航空維修領(lǐng)域，飛機維修體制經(jīng)歷了飛機使用單位直接維修的單級體制、直接維修與基地結(jié)合的兩級維修體制，最后形成了基層級、中繼級和基地級的三級維修體制。大體上可分為探索階段、固定模式和最新發(fā)展3個階段。

2.1 探索階段

20世紀二三十年代，航空技術(shù)剛起步，飛機都是以機械部件為主，電子設(shè)備、機種方面的設(shè)備幾近空白，對維修的要求較低，所以由使用單位進行單級維修就可完成。

隨著飛機復(fù)雜程度的增加，單級模式不再適應(yīng)航空裝備發(fā)展要求。60年代初，美軍飛機維修逐步演化為直接維修與基地維修結(jié)合的兩級體制。再后來，由于美軍海外基地增多、戰(zhàn)線延長、飛機復(fù)雜性增加，導(dǎo)致維修工作量增大，需要增加中繼級維修以提高維修工作的及時性并緩解對維修基地的壓力。美軍嘗試采用三級和四級維修體制，經(jīng)過使用中的總結(jié)，最終穩(wěn)定在以基層級、中繼級和基地級為代表的三級體制，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)役的如飛機中。

2.2 固定模式

三級維修體制的確定，對航空裝備的發(fā)展起到了重要作用。目前，國外大多軍用飛機都采用這種維修體制。

基層級維修是直接使用飛機的單位對其編制內(nèi)裝備所進行的維修。主要承擔飛機的日常維護、保養(yǎng)和一般保障勤務(wù)，檢查和排除故障，調(diào)整和校正，機件的更換，小修，以及周期性工作。

中繼級維修是在某一個地區(qū)范圍內(nèi)，為直接保障訓練、戰(zhàn)斗的需要對航空裝備所進行的維修，相比基層級有較高的維修能力，承擔基層級所不能完成的維修工作。主要包括：飛機及其設(shè)備、機件的中修、大修，部分零件的修配和制作，系統(tǒng)、設(shè)備的測試和校驗，改裝，以及較大的周期性工作。

基地級維修是由后方固定設(shè)施所進行的維修，主要承擔航空裝備的大修，翻修和飛機較復(fù)雜的改裝，零備件制造等，可以是修理廠或生產(chǎn)廠，能提供修理所需要的生產(chǎn)設(shè)備、測試設(shè)備，并配有高水平的人員。三級維修的維修過程如圖2。

2.3 最新發(fā)展

通過海灣戰(zhàn)爭等實戰(zhàn)檢驗，美軍越來越感到三級維修存在著人力物力消耗大、維修周期長、費用高等缺點。例如，要保掙中級維修能力所需的測試設(shè)備，其運轉(zhuǎn)保障費每年要占到設(shè)備購置費的15％～30％。另外，由于機載設(shè)備可靠性的提高和BIT技術(shù)的應(yīng)用，中級維修的作用已日趨減弱。為此，90年代初，美軍又開始對維修體制進行改革，以兩級維修逐步取代三級維修，但現(xiàn)在的兩級維修并不是簡單回歸，而是螺旋式進步。

所謂兩級維修，就是將外場不能修理的零部件直接送到空軍基地修理，而不經(jīng)過飛行作戰(zhàn)部隊修理廠這一級，它要求部件快速傳送與修理。外場維修人員的工作就是將故障部件拆下，換上正常部件。這種維修體制主要有以下優(yōu)點：

1）取消了中間級維修，減少了中間級保障設(shè)備、人員以及零備件的儲備等，從而節(jié)約了大量經(jīng)費；

2）基地級維修供應(yīng)線上故障維修所耗經(jīng)費減少，使供應(yīng)需求大大下降；

3）有限經(jīng)費所能采購的備件可以保障更多的系統(tǒng)，可用性大大提高，這意味著擁有的設(shè)備更有效或擁有更多的設(shè)備；

4）縮短了維修周期，減少了部隊管理人員，縮短了后勤保障線。

3 測試技術(shù)與軍機維修體制的關(guān)系

測試技術(shù)在飛速發(fā)展，一并對軍機維修變革起到促進作用。而軍用飛機一直在探索最佳維修方式，并且隨著科技水平的提高、各種維修輔助設(shè)備的出現(xiàn)，維修方式和維修體制也在不斷變化。

3.1 測試技術(shù)是維修體制變革的先決條件

維修體制的變革，必須建立在相關(guān)技術(shù)條件成熟的基礎(chǔ)上，其中測試技術(shù)就是很重要的一項，即依賴于測試設(shè)備的檢測能力。也就是說，飛機維修體制的變革建立在測試技術(shù)發(fā)展到可以支持新的維修體制的基礎(chǔ)之上。

航空發(fā)展的早期，技術(shù)裝備比較簡單，測試技術(shù)也停留在較低的水平上，主要靠五官來感覺機件、系統(tǒng)的狀態(tài)和狀況是否正常，是否符合標準。后來逐漸發(fā)展了簡單的測試工具，如放大鏡、千分墊、直尺等，但仍不需要建立復(fù)雜的維修體制，采用使用單位維修的單級模式就足以完成任務(wù)。

四五十年代，機上設(shè)備和測試技術(shù)都有了很大發(fā)展，為擴大檢查內(nèi)容和深度，出現(xiàn)了一定的測試設(shè)備、檢查儀等，這就迫切地需要一種新的維修體制來替代原來的單級維修模式，開始探索兩級維修，后來又逐漸嘗試了三級和四級維修。

80年代，地面故障檢測設(shè)備電子化，自動化日益發(fā)展，自動測試設(shè)備和嵌入式故障自檢系統(tǒng)得到應(yīng)用。所有這些技術(shù)都為維修體制的固定提供了條件，形成了現(xiàn)在仍然適用的三級維修體制，但此時的測試主要是一些外部設(shè)備，或者較簡單的BIT，存在著高虛警率，故障診斷模糊等問題。

智能BIT和高性能ATE的研制成功，以及人工智能的應(yīng)用，較好地解決了上述問題。測試技術(shù)的日趨完善，使得原來的一線維修不再依賴地面檢測設(shè)備，形成了一般性故障利用機上自檢設(shè)備和一線檢測設(shè)備，可以完成故障件的隔離與換件，而對于復(fù)雜故障、大型系統(tǒng)故障則必須依賴更復(fù)雜的檢測設(shè)備，所以中繼級維修的必要性大大降低。另外，機載設(shè)備上設(shè)置了機內(nèi)測試功能或設(shè)備，能自動進行故障的檢測、隔離、監(jiān)控和報警；地面上也有自動測試設(shè)備，能縮短故障的查找和隔離時間。這些技術(shù)為兩級維修的實現(xiàn)提供了前提條件，美軍在F-16飛機發(fā)動機和航電系統(tǒng)、以及新機F-22上成功實施兩級維修，就證實了這一點。

3.2 維修體制變革促進測試技術(shù)的發(fā)展

維修體制變革要求有高水平的測試技術(shù)為基礎(chǔ)，所以必定會促進測試技術(shù)的發(fā)展。

例如，三級維修體制確定后，現(xiàn)役的測試設(shè)備存在模塊化、標準化和系列化水平較低等問題，為更好地進行維修，必須考慮減少維修費用，在不影響效能的前提下簡化工作內(nèi)容。這就促使人們探索更加先進的技術(shù)，而事實也證明這期間測試技術(shù)，如ATE、BIT等得到了快速發(fā)展。

另外，現(xiàn)代裝備提倡兩級維修，就必須提高基層級故障診斷能力、提高系統(tǒng)或設(shè)備的故障診斷與隔離能力、減少檢測和隔離時間，這也成為各種測試設(shè)備的設(shè)計目標。實行兩級維修后，基層級故障診斷職能的加強和基地級維修工作量的加大，需要機載狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)和故障診斷技術(shù)、ATE和BIT技術(shù)等一系列測試技術(shù)的發(fā)展作為保證，促進了測試性及測試技術(shù)的改進和革新。

兩級維修的實現(xiàn)要求減少故障虛警，如果出現(xiàn)故障誤指示，維修人員將會把好的部件拆下來并送到后方維修基地修理，這是既費時又費錢的工作。所以必須有先進的測試技術(shù)來支持故障檢測，減少虛警的出現(xiàn)，可見維修體制對測試技術(shù)的重要拉動作用。測試技術(shù)與維修體制的關(guān)系如圖3。

4 結(jié)論

測試技術(shù)與軍機維修體制的發(fā)展是相互依賴和促進的，美軍成功實施兩級維修的事實表明，測試技術(shù)是兩級維修的關(guān)鍵技術(shù)之一。如今，智能化、虛擬儀器、VXI、PXI等已在軍用測試領(lǐng)域內(nèi)采用，并朝著通用、多功能、抗干擾、小型化和模塊化的方向發(fā)展。航空維修體制正在從相對穩(wěn)定的三級維修向更加先進的兩級維修轉(zhuǎn)變，應(yīng)該在探索裝備維修體制的同時，保證航空維修工作的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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