论文部分内容阅读
摘要：客舱释压是民航客机重点管控故障，日常维护中应加强对增压系统及部件的状态监控。本文介绍利用QAR数据，通过CPC异常指令、客舱密封性及外流活门等多项数据的建模分析，建立对增压系统性能趋势的监控。
关键词：释压；座舱压力控制器；外流活门；增压系统；客舱高度；密封条
Keywords：pressure relief；CPC；outflow valve；pressurization system；cabin altitude；sealing strips
0 引言
客舱释压是民航客机常见的SDR事件且很难避免。客舱释压是飞机在飞行过程中客舱高度增高且超过安全值，导致客舱压力与外部的压差比预定值显著减小甚至为零，即飞机客舱高度与环境高度一致，飞机失去增压功能。在万米高空，如果机舱内氧气含量越来越少，会远远超出常人的生理承受能力，加上高空低温，很容易造成旅客及机组昏迷，从而导致严重的空中事故征候。
1 增压系统原理
本文以空客A320飞机为例分析增压系统工作及其故障原理。
客舱增压系统有4个增压过程，分别为地面空置、预增压、空中增压、释压。系统包括2个座舱压力控制器（CPC）、一个余压控制组件（RPCU）、1个外流活门、1个控制面板和2个安全活门。外流活门是客舱压力控制的主要装置，内含3个独立的马达，其中2个为自动操作，1个为人工操作。3个独立的电动马达中的任何一个都可为外流活门提供动力。正常情况下，两个客舱压力控制器中的一个通过相应的自动马达来操作放气活门。在正常操作中，座舱增压是全自动的，机组监控系统的操作，无需采取任何动作控制。座舱气压遵循系统从飞行管理和引导系统（FMGS）以信号形式接收的外部计划。当FMGS数据不可用于自动增压时，机组只需选择着陆机场标高，增压系统就会将人工选择的着陆机场标高用于内部计划。在人工方式中，机组通过增压控制面板控制外流活门的人工马达来控制座舱高度。客舱增压原理如图1所示。
A320飞机有两个相同但各自独立控制的CPC，这两个CPC接收来自大气数据惯性基准系统（ADIRS）、飞行管理引导计算机（FMGC）、发动机接口组件（EIU）和起落架控制接口组件（LGCIU）的信号。当系统处于自动或半自动方式时，一个CPC工作，另一个作为备用。
外流活门位于后货仓尾部。作动器包含两个自动马达和人工马达。自动马达以自动方式操作活门，人工马达以人工方式操作活门。在自动方式中，工作的控制器将活门位置信号发送至飞机电子集中监控系统（ECAM）。在人工方式中，1号CPC的备用部分将活门位置信号发送至ECAM。
在自动增压方式下，两套增压控制系统是相同且独立的自动控制系统，一次只有一个CPC工作，两套系统会在每次着陆70s后或者CPC故障后自动转换为另一部CPC控制。CPC自动控制客舱压力，在巡航状态下将客舱压力限制在8000ft以下（高原机场为14100ft以下）。CPC通常使用来自FMGC的着陆标高和QNH（修正海平面气压）以及来自ADIRS的气压高度。如果FMGC数据不可用，CPC将使用机长侧的基准气压（来自ADIRS）以及选择的LDG ELEV。
如果两套自动系统均失效，机组可通过客舱控制面板上的人工/自动方式对座艙增压进行人工控制。
2 CPC异常指令模型及监控
从增压方式原理可以看出，参与飞机增压的部件分别为CPC、客舱整体密封条、外流活门。对此空客在ISI 21.31.00041中提到，在超长服役的CPC计算机中存在电路板虚焊状态，这类CPC件号为PN 20791*，其供应商（Nord Micro）进行的调查发现，焊接裂纹可能由于老化而出现，出现疲劳焊点的大多数CPC已工作13～15年左右，存在疲劳焊点的CPC间歇性存在着陆场标高（LFE）值损坏、客舱压力信号损坏等情况，此时的CPC无法区分其自身是否存在故障，导致无法自动切换至备用CPC控制客舱增压而出现释压。
另外，自动压力正常控制方式中，CPC使用来自FMGC的着陆标高和QNH以及来自ADIRU的气压高度。如果FMGC数据不可用，则CPC使用来自ADIRU的机长气压基准和着陆标高选择。A320飞机为CPC获取着陆机场的QNH值以计算着陆机场的真实气压，从而正确控制下降过程中的客舱高度。正常情况下CPC使用MCDU中进近页面机组数据的着陆机场QNH值，如果因其他因素MCDU未输入且CPC已经进入下降模式，则CPC会使用FCU上显示的气压基准值。如飞行过程中未使用MCDU中数据目的地机场的QNH值，也未调整FCU气压基准数值，飞机会直接将QFE转换成STD，则可能使用了错误的着陆机场标高，导致座舱高度异常。
以上两种都是CPC异常指令导致客舱高度异常从而导致释压的情况。从原理上分析，CPC会控制客舱高度呈现稳定下降或上升状态，当出现CPC内部虚焊或未输入QNH等情况时，必然造成客舱高度控制异常。针对上述情况，从QAR中提取客舱高度参数，计算异常客舱高度监控，建立以下算法。
通过历史累计数据分析得出，历史上三次异常点都存在客舱高度异常急剧变化，这都是CPC非指令控制导致客舱高度异常的表现。从QAR中调出异常点数据曲线，对比异常点1、2、3，如图4所示，从中可见在短期内（通常5min）飞机客舱高度急剧变化，并且呈无规则变化状态，乘客会感觉到剧烈的压耳和不适感。 3 客舱密封性预测
对于客舱密封性的监控，主要研究飞机在巡航阶段飞机整体密封性的状态，包括客舱门密封条的密封性、余水孔的密封性、各类电子舱门的密封性。监控原理为：假设飞机在空中的客舱压力为恒定值，空调进气量与外流活门排气量和密封条渗漏的和值相等。以此为基础选取条件为双开空调状态，气压高度为24000±4000ft，客舱高度为2200±200ft，前置条件为持续5min稳定状态。飞机进气量设为M1，空调一流量（kg/sec）设为α1，空调二流量（kg/sec）设为α2，则M1=（α1+α2）×T（单位：kg）。飞机出气量设为M2，飞机出气量M2等于外流活门出气M3与蒙皮密封条渗漏M4之和。
将以上算法代入QAR数据，利用计算机语言实现并得出历史状态曲线。图6所示为20000飞行小时的飞机密封条渗漏率曲线，系数跳变经常超过1.0，后采取密封条润滑及修补措施后，最大系数值为0.89，恢复出厂状态。
4 外流活门监控
外流活门作为客舱增压控制的主要部件，工作性能直接影响客舱增压。外流活门作动器包含2个自动马达和1个人工马达。其中，2个旋翼可变差动传感器（RVDT）用于外流活门位置监控，并将位置信号发送至ECAM。两个RVDT分别安装在外流活门的两个齿轮盒内。对RVDT的历史数据进行分析，外流活门在空中增压时角度大约为8°左右，分别建立两个RVDT差值和均值的计算公式，得出外流活门齿轮机构性能，如图7所示。
当外流活门驱动齿轮存在磨损或卡滞等情况，或者活门处于亚健康状态时，活门在运动过程中RVDT显示的角度存在不一致，间接反映了外流活门的物理状态。结合外流活门角度和本文第3节，可以建立客舱密封性整体趋势监控。
5 結束语
客舱释压的管理一直是民航关注的重点，也是民航客机常见的比较有社会影响的安全事件，给航空公司和民航管理当局带来很大的压力。民航客机客舱增压有多套冗余设计，确保飞机不会突然释压，但从REASON模型可知，恰恰是多个综合的安全因素导致了客舱释压的发生。
为此，本文从维护角度出发，将客舱释压的事后处理变为预防性监控，利用QAR数据建立增压系统多个部件的性能趋势监控曲线，并建立客舱压力的大数据库，使用计算机进行实时分析，可有效预防客舱释压事件的发生。
关键词：释压；座舱压力控制器；外流活门；增压系统；客舱高度；密封条
Keywords：pressure relief；CPC；outflow valve；pressurization system；cabin altitude；sealing strips
0 引言
客舱释压是民航客机常见的SDR事件且很难避免。客舱释压是飞机在飞行过程中客舱高度增高且超过安全值，导致客舱压力与外部的压差比预定值显著减小甚至为零，即飞机客舱高度与环境高度一致，飞机失去增压功能。在万米高空，如果机舱内氧气含量越来越少，会远远超出常人的生理承受能力，加上高空低温，很容易造成旅客及机组昏迷，从而导致严重的空中事故征候。
1 增压系统原理
本文以空客A320飞机为例分析增压系统工作及其故障原理。
客舱增压系统有4个增压过程，分别为地面空置、预增压、空中增压、释压。系统包括2个座舱压力控制器（CPC）、一个余压控制组件（RPCU）、1个外流活门、1个控制面板和2个安全活门。外流活门是客舱压力控制的主要装置，内含3个独立的马达，其中2个为自动操作，1个为人工操作。3个独立的电动马达中的任何一个都可为外流活门提供动力。正常情况下，两个客舱压力控制器中的一个通过相应的自动马达来操作放气活门。在正常操作中，座舱增压是全自动的，机组监控系统的操作，无需采取任何动作控制。座舱气压遵循系统从飞行管理和引导系统（FMGS）以信号形式接收的外部计划。当FMGS数据不可用于自动增压时，机组只需选择着陆机场标高，增压系统就会将人工选择的着陆机场标高用于内部计划。在人工方式中，机组通过增压控制面板控制外流活门的人工马达来控制座舱高度。客舱增压原理如图1所示。
A320飞机有两个相同但各自独立控制的CPC，这两个CPC接收来自大气数据惯性基准系统（ADIRS）、飞行管理引导计算机（FMGC）、发动机接口组件（EIU）和起落架控制接口组件（LGCIU）的信号。当系统处于自动或半自动方式时，一个CPC工作，另一个作为备用。
外流活门位于后货仓尾部。作动器包含两个自动马达和人工马达。自动马达以自动方式操作活门，人工马达以人工方式操作活门。在自动方式中，工作的控制器将活门位置信号发送至飞机电子集中监控系统（ECAM）。在人工方式中，1号CPC的备用部分将活门位置信号发送至ECAM。
在自动增压方式下，两套增压控制系统是相同且独立的自动控制系统，一次只有一个CPC工作，两套系统会在每次着陆70s后或者CPC故障后自动转换为另一部CPC控制。CPC自动控制客舱压力，在巡航状态下将客舱压力限制在8000ft以下（高原机场为14100ft以下）。CPC通常使用来自FMGC的着陆标高和QNH（修正海平面气压）以及来自ADIRS的气压高度。如果FMGC数据不可用，CPC将使用机长侧的基准气压（来自ADIRS）以及选择的LDG ELEV。
如果两套自动系统均失效，机组可通过客舱控制面板上的人工/自动方式对座艙增压进行人工控制。
2 CPC异常指令模型及监控
从增压方式原理可以看出，参与飞机增压的部件分别为CPC、客舱整体密封条、外流活门。对此空客在ISI 21.31.00041中提到，在超长服役的CPC计算机中存在电路板虚焊状态，这类CPC件号为PN 20791*，其供应商（Nord Micro）进行的调查发现，焊接裂纹可能由于老化而出现，出现疲劳焊点的大多数CPC已工作13～15年左右，存在疲劳焊点的CPC间歇性存在着陆场标高（LFE）值损坏、客舱压力信号损坏等情况，此时的CPC无法区分其自身是否存在故障，导致无法自动切换至备用CPC控制客舱增压而出现释压。
另外，自动压力正常控制方式中，CPC使用来自FMGC的着陆标高和QNH以及来自ADIRU的气压高度。如果FMGC数据不可用，则CPC使用来自ADIRU的机长气压基准和着陆标高选择。A320飞机为CPC获取着陆机场的QNH值以计算着陆机场的真实气压，从而正确控制下降过程中的客舱高度。正常情况下CPC使用MCDU中进近页面机组数据的着陆机场QNH值，如果因其他因素MCDU未输入且CPC已经进入下降模式，则CPC会使用FCU上显示的气压基准值。如飞行过程中未使用MCDU中数据目的地机场的QNH值，也未调整FCU气压基准数值，飞机会直接将QFE转换成STD，则可能使用了错误的着陆机场标高，导致座舱高度异常。
以上两种都是CPC异常指令导致客舱高度异常从而导致释压的情况。从原理上分析，CPC会控制客舱高度呈现稳定下降或上升状态，当出现CPC内部虚焊或未输入QNH等情况时，必然造成客舱高度控制异常。针对上述情况，从QAR中提取客舱高度参数，计算异常客舱高度监控，建立以下算法。
通过历史累计数据分析得出，历史上三次异常点都存在客舱高度异常急剧变化，这都是CPC非指令控制导致客舱高度异常的表现。从QAR中调出异常点数据曲线，对比异常点1、2、3，如图4所示，从中可见在短期内（通常5min）飞机客舱高度急剧变化，并且呈无规则变化状态，乘客会感觉到剧烈的压耳和不适感。 3 客舱密封性预测
对于客舱密封性的监控，主要研究飞机在巡航阶段飞机整体密封性的状态，包括客舱门密封条的密封性、余水孔的密封性、各类电子舱门的密封性。监控原理为：假设飞机在空中的客舱压力为恒定值，空调进气量与外流活门排气量和密封条渗漏的和值相等。以此为基础选取条件为双开空调状态，气压高度为24000±4000ft，客舱高度为2200±200ft，前置条件为持续5min稳定状态。飞机进气量设为M1，空调一流量（kg/sec）设为α1，空调二流量（kg/sec）设为α2，则M1=（α1+α2）×T（单位：kg）。飞机出气量设为M2，飞机出气量M2等于外流活门出气M3与蒙皮密封条渗漏M4之和。
将以上算法代入QAR数据，利用计算机语言实现并得出历史状态曲线。图6所示为20000飞行小时的飞机密封条渗漏率曲线，系数跳变经常超过1.0，后采取密封条润滑及修补措施后，最大系数值为0.89，恢复出厂状态。
4 外流活门监控
外流活门作为客舱增压控制的主要部件，工作性能直接影响客舱增压。外流活门作动器包含2个自动马达和1个人工马达。其中，2个旋翼可变差动传感器（RVDT）用于外流活门位置监控，并将位置信号发送至ECAM。两个RVDT分别安装在外流活门的两个齿轮盒内。对RVDT的历史数据进行分析，外流活门在空中增压时角度大约为8°左右，分别建立两个RVDT差值和均值的计算公式，得出外流活门齿轮机构性能，如图7所示。
当外流活门驱动齿轮存在磨损或卡滞等情况，或者活门处于亚健康状态时，活门在运动过程中RVDT显示的角度存在不一致，间接反映了外流活门的物理状态。结合外流活门角度和本文第3节，可以建立客舱密封性整体趋势监控。
5 結束语
客舱释压的管理一直是民航关注的重点，也是民航客机常见的比较有社会影响的安全事件，给航空公司和民航管理当局带来很大的压力。民航客机客舱增压有多套冗余设计，确保飞机不会突然释压，但从REASON模型可知，恰恰是多个综合的安全因素导致了客舱释压的发生。
为此，本文从维护角度出发，将客舱释压的事后处理变为预防性监控，利用QAR数据建立增压系统多个部件的性能趋势监控曲线，并建立客舱压力的大数据库，使用计算机进行实时分析，可有效预防客舱释压事件的发生。