Введение

Для современных узкофюзеляжных самолётов особое значение приобретают интегрированные испытательные стенды, которые позволяют проверять взаимодействие аппаратных и программных модулей в условиях, близких к реальным. В отечественной практике подобные стенды получили название «железная птица» и «электронная птица». Например, при разработке нового пассажирского лайнера создан стенд «Железная птица» с реальными имитаторами оперения и механизмов, что значительно ускоряет процесс испытаний и повышает безопасность летных образцов [3]. Это подтверждается зарубежным опытом: корпорация Boeing ещё в 1960-х годах начала применять интеграционные стенды (Integration Test Vehicle) и отмечала значительную экономию времени и средств при сертификации новых самолётов [2]. Аналогичный подход успешно используется и в современных проектах: он позволяет обнаруживать и отрабатывать сложные отказные ситуации, недоступные при полётных испытаниях [1].

Известно, что классические методы раздельного тестирования аппаратных и программных компонентов не обеспечивают должного уровня достоверности и полноты интеграционных проверок. Для решения этой проблемы необходимо перейти к созданию комплексных стендов, объединяющих реальные агрегаты и программные модели в единой среде полунатурного моделирования. Цель настоящей работы — разработка облика такого комплексного стенда испытаний гидроагрегатов и бортового оборудования современного узкофюзеляжного самолёта с учётом системного подхода и современных стандартов авиастроения (ARP4754, DO-178C, DO-254 и др.) [4, 5]. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— Системный анализ существующих методов испытаний авиатехники и выявление их ограничений.

— Формирование и формализация требований к стенду (комбинация общих требований безопасности и специфичных требований к моделированию).

— Приоритезация требований с использованием экспертной оценки и метода анализа иерархий (AHP).

— Определение основных функций стенда, необходимых для комплексного тестирования.

— Разработка нескольких вариантов технических решений стенда с учетом модульности, масштабируемости и цифровизации.

— Сравнение предложенных вариантов по критериям эффективности и выбор оптимального решения.

Научная новизна заключается в определении новых функций обеспечивающих выполнение требований к испытательному стенду для современных узкофюзеляжных самолётов, применения комплексный системный подход и MBSE-методы. Предлагается интеграционные технические решения, сочетающая реальные гидравлические стенды с цифровыми моделями и высокоскоростной системой обмена данными. В работе разработаны аналитические таблицы приоритетов требований, сравнительный анализ архитектурных вариантов и соответствие функций стенда его техническим элементам, что обеспечивает полное раскрытие исследуемой проблемы.

Методы

Для решения поставленных задач использовались проверенные в авиастроении методы системного инжиниринга: функциональный анализ и QFD/HoQ (развертывание функций качества), формализация и моделирование в SysML с подходом MBSE, а также приоритезация требований методом анализа иерархий (AHP) [5]. Сначала были собраны требования от заказчика, сертификационных органов и конструкторского бюро. Общие требования (например, соответствие авиационным нормам безопасности) и частные требования (точность моделирования, интеграция «электронной» и «железной» частей и т. д.) оформлены в «Доме качества» (QFD) для системного сопоставления целей и характеристик. Затем требования формализовались с помощью SysML: построены диаграммы требований, варианты использования и структурные диаграммы облика стенда.

Далее проведена приоритезация требований: использован метод AHP, позволяющий разбить задачу на иерархическую структуру критериев, выполнить попарное сравнение требований по значимости и получить весовые коэффициенты на основе экспертной оценки. В таблице требований (см. табл. 1) приведены полученные веса и приоритеты для ключевых требований стенда. Наконец, на основе приоритезированных требований сформулированы функции стенда и выделены технические элементы. Несколько вариантов технических решений описаны словами; они сравнены по выбранным критериям (см. табл. 2). Для оценки использовался балльный метод (по шкале 1–5, где 5 — наилучший показатель) по подходу Гермейера к мультикритериальному анализу.

Верификация моделей и решений выполнялась с помощью прототипирования (например, HIL-имитаций) и экспертов из отрасли. Измерялись основные метрики: погрешность моделирования, время реакции системы, способность идентифицировать нештатные ситуации, скорость конфигурации стенда и т. д. Эти методы позволили корректировать облик стенда до соответствия всем целевым требованиям.

Результаты

В результате проведённого системного анализа были выделены следующие ключевые функции комплексного стенда: проведение статических и динамических испытаний гидроагрегатов под нагрузкой, проверка исполнительных механизмов и систем управления, воспроизведение реальных режимов работы бортового оборудования, мониторинг параметров (давление, температура, расход), интеграция физического оборудования с его виртуальными моделями и регистрация/анализ результатов испытаний. На основе этих функций сформирована функциональная иерархия стенда. Также выделены основные требования к стенду, которые затем были приоритизированы экспертами и с помощью AHP (табл. 1).

Таблица 1

Приоритезация требований к испытательному стенду (по AHP / эксперты)

На основе этих приоритетов определены основные требования: обеспечение высокой точности и достоверности, модульности и масштабируемости, а также эффективной автоматизации.

Далее рассмотрены три варианта реализации стенда, отличающиеся конфигурацией нагрузки, степенью цифровизации и балансом «железной» и «электронной» частей (табл. 2). Для сравнения выбраны критерии: точность моделирования , масштабируемость/модульность , гибкость управления и интеграция с бортовыми системами , уровень автоматизации , возможности обработки и хранения данных , степень цифровизации . Каждому варианту поставлены оценки от 1 до 5 (чем выше, тем лучше).

Таблица 2

Сравнение вариантов технических решений испытательного стенда

Из табл. 2 видно, что интегрированный вариант «железная птица + электронная птица» (Вариант 2) получает наибольшую суммарную оценку. Он сочетает высокую точность и полный охват сценариев (благодаря реальному оборудованию), при этом поддерживает модульные технические решения с современными цифровыми датчиками и ПО сбора данных. Вариант 3 (цифровой стенд с упором на цифровые двойники) отличается более высокой масштабируемостью и автоматизацией, но уступает по точности моделирования чисто виртуальных моделей. Классический подход (Вариант 1) хотя и прост в реализации, обеспечивает низкую интеграцию и автоматизацию. Таким образом, оптимальным признан Вариант 2, который далее уточнялся при детализации архитектуры.

Наконец, сопоставление функций стенда с конкретными техническими средствами приведено в табл. 3. Каждая функция обеспечивается набором инженерного оборудования и программного обеспечения. Например, испытания гидроагрегатов выполняются на силовых стендах с реальными насосами и регуляторами; симуляция бортовых режимов — программным обеспечением (Matlab/Simulink, цифровыми двойниками); мониторинг — сетью индустриальных шин и системой сбора данных SCADA; интеграция — протоколами CAN, ARINC и синхронизацией сигналов, а регистрация — SQL-серверами и аналитическим ПО.

Таблица 3

Функции стенда и соответствующие технические элементы

Сравнение результатов исследования с литературными данными показывает, что выбранные нами методы проектирования востребованы в современной авиации. Традиционно в сложных авиационных проектах широко применяется MBSE (SysML) для единообразного представления требований и облика. Использование AHP для приоритезации также обосновано: этот метод позволяет экспертам объективно ранжировать требования и последовательно формировать весовые коэффициенты. [3]

Выбранный интегрированный вариант архитектуры обеспечивает принципиально новый уровень испытаний за счёт одновременного тестирования физических систем и их виртуальных аналогов в синхронизированной среде. Такой подход позволяет отрабатывать критические и аварийные сценарии на реальном оборудовании без рисков для летательного аппарата, что многократно повышает достоверность и обоснованность получаемых результатов. Гибкая цифровая платформа управления на базе ПЛК и SCADA-систем в связке с разветвлённой сетью сбора данных обеспечивает не только автоматизацию испытаний, но и комплексную обработку информации.

Важнейшим преимуществом разработанного облика стенда является его способность к адаптивной реконфигурации для работы с различными типами агрегатов без изменения базовых узлов. Это достигается за счёт модульной конструкции с унифицированными интерфейсами и специализированного конфигурационного программного обеспечения, что кардинально сокращает время переналадки и расширяет номенклатуру тестируемых объектов. Безопасность и обоснованность каждого эксперимента гарантируется встроенной цифровой подсистемой валидации, которая выполняет предварительную самопроверку корректности режимов и сценариев на математической модели системы перед их применением к физическому оборудованию.

Для обеспечения сквозной цифровизации испытательного процесса стенд глубоко интегрирован с лабораторной информационной системой предприятия (ЛИС). Эта интеграция создаёт единое информационное пространство, обеспечивая автоматическое архивирование данных, их статистический анализ и формирование регламентированной отчётности. В результате формируется замкнутый жизненный цикл данных, характеризующийся полной прослеживаемостью, неизменяемостью протоколов испытаний и их соответствием строгим требованиям сертификационных органов.

Такие комплексные стенды особенно эффективны при внедрении электро дистанционных систем управления (ЭДСУ), которые требуют высокой точности и надежности взаимодействия компонентов. Наш облик учитывает эту тенденцию: мы используем реальные гидросистемы с полным комплектом датчиков и цифровых протоколов связи (ARINC, MIL-STD-1553B, AFDX), что соответствует практике ведущих авиастроителей.

Ограничения работы связаны с тем, что сравнение технических вариантов выполнено на экспертных оценках, а не на полном моделировании всех сценариев. В дальнейшем целесообразно провести программно-аппаратную реализацию прототипа и экспериментально проверить ключевые параметры (точность моделирования, время реакции, совместимость модулей). Также требуются тесты на отказоустойчивость и верификация по данным реальных полётных испытаний. Тем не менее приведённые таблицы и анализ позволяют сделать обоснованный выбор конфигурации стенда для современного узкофюзеляжного самолёта.

Заключение

В представленной работе разработан и обоснован системно-инжиниринговый подход к созданию архитектуры комплексного испытательного стенда для гидроагрегатов и бортового оборудования перспективных узкофюзеляжных самолётов. Ключевым результатом является синтезированный облик стенда, представляющий собой глубоко интегрированную платформу, объединяющую физические и цифровые компоненты в единую среду полунатурного моделирования.

Последовательное применение методологии MBSE на всех этапах проектирования позволило обеспечить целостность и трассируемость проектных решений. Разработанная архитектура реализует принципиально новые функции, включая адаптивную реконфигурацию для испытания различных типов агрегатов, встроенную цифровую подсистему валидации сценариев и глубокую интеграцию с лабораторной информационной системой предприятия.

Практическая значимость работы подкрепляется реализуемостью предложенного решения на базе существующих технологий, включая модульные гидравлические стенды, программируемые логические контроллеры и платформы для создания цифровых двойников. Найденные решения в будущем должны составить основу конструкции различных стендов.

Таким образом, внедрение разработанного стенда позволит существенно сократить сроки и затраты на проведение испытаний и сертификации новых модификаций самолётов, минимизировать технические риски и создать основу для сквозной цифровизации процессов валидации бортовых систем в авиастроении.

Литература:

1. Engineering Embedded Software: From Application Modeling to Software Synthesis. / Ferreira,R 1, L. Brisolara, J. C. Mattos [и др.]. — Текст: непосредственный // Hershey: IGI Global. — 2009. — № 1. — С. 24.
2. Efficient Driving Plan and Validation of Aircraft NLG Emergency Extension System via Mixture of Reliability Models and Test Bench / Чжу 2, Ю. Фэн, Ч. Лю, Ц. Фэй. — Текст: непосредственный // Applied Sciences. — 2019. — Vol.9, № 17. — С. 3578.
3. Ку, С. Influencing factors of low-altitude unmanned aircraft navigation using AHP / С. Ку, Х. Ан, Д. Ли. — Текст: непосредственный // International Journal of Advanced Culture Technology. — 2020. — № Vol. 8, № 1. — С. 173–181.
4. Ин, Ю. Fault Analysis and Solution of an Airplane Nose Landing Gear’s Emergency Lowering / Ю. Ин, Х. Ние, С,Х,и Вэй. — Текст: непосредственный // Journal of Aircraft. — 2016. — № Vol. 53, № 3. — С. 1022–1032.
5. Реконфигурация систем управления воздушных судов / Желтов,С 5, И. А. Каляев, В. В. Косьянчук [и др.]. — Москва: РАН, 2021. — 204 c. — Текст: непосредственный.
6. Сыпало, К. И. Моделирование процессов функционирования интегрированных систем ЛА на основе методологии ОО-проектирования / К. И. Сыпало, К. К. Веремеенко, Д. А. Козорез. — Москва: МАИ-Print, 2020. — 93 c. — Текст: непосредственный.