测试和维修技术在航空装备设计中的应用分析

引言

测试技术是航空维修的重要组成部分，不仅使飞机的作战性能提高，而且直接关系到军机维修思想、维修方式、甚至维修体制的变革。故对测试技术与军机维修体制变革进行研究。

1 测试技术概述

测试技术是指应用测试设备、工具和方法，按照标准，对装备的状况进行判断。内涵如图1，包含嵌入式测试支持技术、测试设备和测试程序等。

测试技术分外部测试和内部测试，分别由自动测试设备（ATE）和机内测试设备（BIT）来体现。

1.1 ATE技术

据统计，采用ATE技术能够使测试效率提高10倍以上，故障隔离效率提高30％，并可在装备寿命周期内节省20％以上的测试费用。因此，ATE技术已成为保持装备战斗力的高效设备。

早在20世纪50年代美国就开始了ATE的开发研制，其发展经过了4个阶段：20世纪60年代以前主要以人工或专用测试仪器进行测试的早期阶段；60～70年代中期发展成由计算机控制的专用化半自动、自动测试设备的发展阶段；80年代中期则以微型计算机、独立操作系统、IEEE2488、CAMAC、RS2232总线结构为标准，多功能、易组合、可扩展式ATE阶段；80年代中期至今进入以VXI总线为标准的低成本、高性能、便携式ATE的完善期阶段。

现在航空装备设计中广泛采用外场可更换单元（LRU）技术，LRU种类、数量不断增多。由于部件的自检测能力有限，导致多种类别和结构形式的ATE大量出现，测试过程变得复杂。美国空军在1985年提出ATE的研制要求，即体积小、成本低、性能高、可移动、模块化、多用途和标准化的ATE。

1.2 BIT技术

BIT技术是指系统设备依靠内部专设的自检测电路和软件，来完成自身工作参数的检测和故障自诊断，然后执行故障隔离的一种综合能力。由于BIT能够监控主要工作参数、向操作和维修人员报告工作状态、预测未来可能发生的故障，已成为现代装备不可缺少的组成部分，主要用于维修和维护检测，对于装备的安全可靠运行和维修具有重要意义。

1）BIT的发展历程

20世纪60年代，随着半导体集成电路技术的飞速发展，航空电子设备日趋复杂，维修工作量迅速增加。为了改善设备的维修性，减少故障隔离时间，美军开始研究BIT技术。70年代初，测试、检测和故障诊断困难成为制约装备发展的一个主要原因，军机维修重点也从以往的拆卸和更换逐渐转向故障检测和隔离，这一现象在电子装备上表现得更为突出。现在BIT技术已经开始向综合化和智能化发展，并开始与ATE融合，但ATE存在着费用高、种类多、操作复杂、人员培训困难和只能离线检查等方面的不足，所以BIT的地位越来越突出。

2）BIT技术的应用

航空装备研制过程中，BIT技术得到了广泛应用。80年代初期开始服役的F-18飞机，其80％的电子设备和系统都设计有BIT功能；F-15飞机的电子设备中的敌我识别器和应答机、平视显示器、中央计算机、惯性导航系统等也都有BIT能力。

BIT技术在航空电子设备和机电系统上的应用，提高了飞机的战备完好性和出勤率，降低了维护费用。例如，F-16飞机在设计之初，就对BIT技术与其机载设备的结合进行了全面考虑，从而使F-16一度成为美军完好率和出勤率最高的飞机，且需要的备件很少；F-22飞机作为最新一代战斗机，BIT技术的应用就更加广泛深入了。

3）智能BIT技术

智能BIT技术就是将专家系统、神经网络等智能理论和方法引入到BIT的故障诊断之中，以降低BIT虚警率、提高装备故障诊断能力。

随着航空装备复杂性的增加，用于改善装备维修性、测试性和自诊断能力的BIT技术，不断暴露出自身无法克服的诊断能力差、虚警率高、不能识别间歇故障等不足。所以，80年代以来，美、英等国相继开展智能BIT研究，利用计算机模拟人的思维过程和处理问题的方法对基本BIT的输出结果进行分析、推理和判断，以提高BIT的故障诊断检测与隔离能力，减少BIT虚警，并能测试和隔离问歇故障。智能BIT技术已在美国空军F-15、F-16的改进型和新装备的F-22中得到应用。

2 维修体制变革

由于维修观念的更新以及新技术不断应用于航空维修领域，飞机维修体制经历了飞机使用单位直接维修的单级体制、直接维修与基地结合的两级维修体制，最后形成了基层级、中继级和基地级的三级维修体制。大体上可分为探索阶段、固定模式和最新发展3个阶段。

2.1 探索阶段

20世纪二三十年代，航空技术刚起步，飞机都是以机械部件为主，电子设备、机种方面的设备几近空白，对维修的要求较低，所以由使用单位进行单级维修就可完成。

随着飞机复杂程度的增加，单级模式不再适应航空装备发展要求。60年代初，美军飞机维修逐步演化为直接维修与基地维修结合的两级体制。再后来，由于美军海外基地增多、战线延长、飞机复杂性增加，导致维修工作量增大，需要增加中继级维修以提高维修工作的及时性并缓解对维修基地的压力。美军尝试采用三级和四级维修体制，经过使用中的总结，最终稳定在以基层级、中继级和基地级为代表的三级体制，并广泛应用于现役的如飞机中。

2.2 固定模式

三级维修体制的确定，对航空装备的发展起到了重要作用。目前，国外大多军用飞机都采用这种维修体制。

基层级维修是直接使用飞机的单位对其编制内装备所进行的维修。主要承担飞机的日常维护、保养和一般保障勤务，检查和排除故障，调整和校正，机件的更换，小修，以及周期性工作。

中继级维修是在某一个地区范围内，为直接保障训练、战斗的需要对航空装备所进行的维修，相比基层级有较高的维修能力，承担基层级所不能完成的维修工作。主要包括：飞机及其设备、机件的中修、大修，部分零件的修配和制作，系统、设备的测试和校验，改装，以及较大的周期性工作。

基地级维修是由后方固定设施所进行的维修，主要承担航空装备的大修，翻修和飞机较复杂的改装，零备件制造等，可以是修理厂或生产厂，能提供修理所需要的生产设备、测试设备，并配有高水平的人员。三级维修的维修过程如图2。

2.3 最新发展

通过海湾战争等实战检验，美军越来越感到三级维修存在着人力物力消耗大、维修周期长、费用高等缺点。例如，要保挣中级维修能力所需的测试设备，其运转保障费每年要占到设备购置费的15％～30％。另外，由于机载设备可靠性的提高和BIT技术的应用，中级维修的作用已日趋减弱。为此，90年代初，美军又开始对维修体制进行改革，以两级维修逐步取代三级维修，但现在的两级维修并不是简单回归，而是螺旋式进步。

所谓两级维修，就是将外场不能修理的零部件直接送到空军基地修理，而不经过飞行作战部队修理厂这一级，它要求部件快速传送与修理。外场维修人员的工作就是将故障部件拆下，换上正常部件。这种维修体制主要有以下优点：

1）取消了中间级维修，减少了中间级保障设备、人员以及零备件的储备等，从而节约了大量经费；

2）基地级维修供应线上故障维修所耗经费减少，使供应需求大大下降；

3）有限经费所能采购的备件可以保障更多的系统，可用性大大提高，这意味着拥有的设备更有效或拥有更多的设备；

4）缩短了维修周期，减少了部队管理人员，缩短了后勤保障线。

3 测试技术与军机维修体制的关系

测试技术在飞速发展，一并对军机维修变革起到促进作用。而军用飞机一直在探索最佳维修方式，并且随着科技水平的提高、各种维修辅助设备的出现，维修方式和维修体制也在不断变化。

3.1 测试技术是维修体制变革的先决条件

维修体制的变革，必须建立在相关技术条件成熟的基础上，其中测试技术就是很重要的一项，即依赖于测试设备的检测能力。也就是说，飞机维修体制的变革建立在测试技术发展到可以支持新的维修体制的基础之上。

航空发展的早期，技术装备比较简单，测试技术也停留在较低的水平上，主要靠五官来感觉机件、系统的状态和状况是否正常，是否符合标准。后来逐渐发展了简单的测试工具，如放大镜、千分垫、直尺等，但仍不需要建立复杂的维修体制，采用使用单位维修的单级模式就足以完成任务。

四五十年代，机上设备和测试技术都有了很大发展，为扩大检查内容和深度，出现了一定的测试设备、检查仪等，这就迫切地需要一种新的维修体制来替代原来的单级维修模式，开始探索两级维修，后来又逐渐尝试了三级和四级维修。

80年代，地面故障检测设备电子化，自动化日益发展，自动测试设备和嵌入式故障自检系统得到应用。所有这些技术都为维修体制的固定提供了条件，形成了现在仍然适用的三级维修体制，但此时的测试主要是一些外部设备，或者较简单的BIT，存在着高虚警率，故障诊断模糊等问题。

智能BIT和高性能ATE的研制成功，以及人工智能的应用，较好地解决了上述问题。测试技术的日趋完善，使得原来的一线维修不再依赖地面检测设备，形成了一般性故障利用机上自检设备和一线检测设备，可以完成故障件的隔离与换件，而对于复杂故障、大型系统故障则必须依赖更复杂的检测设备，所以中继级维修的必要性大大降低。另外，机载设备上设置了机内测试功能或设备，能自动进行故障的检测、隔离、监控和报警；地面上也有自动测试设备，能缩短故障的查找和隔离时间。这些技术为两级维修的实现提供了前提条件，美军在F-16飞机发动机和航电系统、以及新机F-22上成功实施两级维修，就证实了这一点。

3.2 维修体制变革促进测试技术的发展

维修体制变革要求有高水平的测试技术为基础，所以必定会促进测试技术的发展。

例如，三级维修体制确定后，现役的测试设备存在模块化、标准化和系列化水平较低等问题，为更好地进行维修，必须考虑减少维修费用，在不影响效能的前提下简化工作内容。这就促使人们探索更加先进的技术，而事实也证明这期间测试技术，如ATE、BIT等得到了快速发展。

另外，现代装备提倡两级维修，就必须提高基层级故障诊断能力、提高系统或设备的故障诊断与隔离能力、减少检测和隔离时间，这也成为各种测试设备的设计目标。实行两级维修后，基层级故障诊断职能的加强和基地级维修工作量的加大，需要机载状态监控技术和故障诊断技术、ATE和BIT技术等一系列测试技术的发展作为保证，促进了测试性及测试技术的改进和革新。

两级维修的实现要求减少故障虚警，如果出现故障误指示，维修人员将会把好的部件拆下来并送到后方维修基地修理，这是既费时又费钱的工作。所以必须有先进的测试技术来支持故障检测，减少虚警的出现，可见维修体制对测试技术的重要拉动作用。测试技术与维修体制的关系如图3。

4 结论

测试技术与军机维修体制的发展是相互依赖和促进的，美军成功实施两级维修的事实表明，测试技术是两级维修的关键技术之一。如今，智能化、虚拟仪器、VXI、PXI等已在军用测试领域内采用，并朝着通用、多功能、抗干扰、小型化和模块化的方向发展。航空维修体制正在从相对稳定的三级维修向更加先进的两级维修转变，应该在探索装备维修体制的同时，保证航空维修工作的协调发展。

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