■ 茍俊哲 趙紅華 程偉/東方航空技術(shù)有限公司

1 客艙增壓系統(tǒng)原理

現(xiàn)代民航客機(jī)大多在高空飛行，隨著飛行高度的增加氣壓將逐漸降低，高度超過(guò)7000 ～8000m 后人體將因缺氧、低壓感到明顯不適，為了向乘客提供適宜的大氣環(huán)境，一般將客艙內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)到約與2500m左右的外界環(huán)境大氣壓力相同，該過(guò)程主要通過(guò)客艙壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)增壓過(guò)程中，飛機(jī)引氣系統(tǒng)的高溫高壓引氣通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)PACK 組件冷卻后給客艙供氣，客艙壓力控制計(jì)算機(jī)（CPC）控制外流活門(mén)給客艙放氣，相互配合維持客艙壓力和客艙高度平衡穩(wěn)定。圖1 所示為客艙增壓系統(tǒng)駕駛艙示意圖，其中安全活門(mén)為保護(hù)開(kāi)關(guān)，電子設(shè)備艙通風(fēng)系統(tǒng)的入口和出口也與增壓系統(tǒng)相關(guān)，在地面溫度較高的情況下保持在全開(kāi)位，飛機(jī)起飛后關(guān)閉。

圖1 客艙增壓系統(tǒng)駕駛艙示意圖

從客艙增壓系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，結(jié)合航空公司在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致客艙壓力不穩(wěn)定的原因除了控制計(jì)算機(jī)本身故障外，還有部件漏氣和氣源無(wú)法正常增壓兩方面原因。涉及漏氣部分包括電子艙通風(fēng)系統(tǒng)的蒙皮出口活門(mén)、空調(diào)系統(tǒng)的波紋管破損、外流活門(mén)異常開(kāi)關(guān)等，涉及增壓部分包括雙空調(diào)系統(tǒng)故障、雙引氣系統(tǒng)故障等。

2 典型故障案例和監(jiān)控

2.1 電子艙蒙皮出口活門(mén)故障案例和監(jiān)控

案例一：2015 年1 月26 日，B-67XX（A320-214）飛機(jī)執(zhí)行合肥-北京航班，空中出現(xiàn)電子艙通風(fēng)警告，顯示蒙皮出口活門(mén)故障，座艙壓力無(wú)法保持，機(jī)組返航合肥，地面更換蒙皮出口活門(mén)測(cè)試正常，航班延誤180min。更換蒙皮出口活門(mén)后監(jiān)控正常。

案例二：2016 年3 月22 日，B-65XX（A320-232）飛機(jī)執(zhí)行贛州-上海航班，起飛后機(jī)組反映客艙壓力無(wú)法保持，遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示電子艙蒙皮出口活門(mén)指示XX，飛機(jī)返航贛州。地面檢查確認(rèn)蒙皮出口活門(mén)卡在開(kāi)位。按MEL 將蒙皮出口活門(mén)鎖在關(guān)位，打開(kāi)小門(mén)后放行，航班最終因機(jī)組超時(shí)取消。更換蒙皮出口活門(mén)后監(jiān)控正常。

A320 電子艙通風(fēng)系統(tǒng)用于冷卻電子艙計(jì)算機(jī)設(shè)備，蒙皮出口活門(mén)作為電子艙通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，處于整個(gè)電子艙通風(fēng)系統(tǒng)的下游，作用是將電子艙通風(fēng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱氣排出。按照設(shè)計(jì)邏輯，如果起飛前蒙皮出口活門(mén)為打開(kāi)狀態(tài)，在開(kāi)始起飛階段將逐步關(guān)閉，如果未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成關(guān)閉，卡阻在一個(gè)比較大的角度，飛機(jī)客艙將會(huì)出現(xiàn)不平衡的漏氣，導(dǎo)致客艙壓力無(wú)法正常建立。過(guò)去三年中，A320 機(jī)隊(duì)電子艙通風(fēng)系統(tǒng)故障共造成近50 起不正常事件，其中包含10 起返航、備降事件，多為蒙皮出口活門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉。根據(jù)從2019 年對(duì)飛機(jī)蒙皮活門(mén)故障開(kāi)展的預(yù)測(cè)性維修研究，活門(mén)在起飛和著陸階段會(huì)根據(jù)外界的溫度特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)，因此，本文通過(guò)計(jì)算蒙皮出口活門(mén)作動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和進(jìn)出口活門(mén)的同步性，同時(shí)去除推力影響和大氣溫度等外界因素，通過(guò)趨勢(shì)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了活門(mén)故障前的預(yù)警，在運(yùn)行實(shí)踐中已發(fā)現(xiàn)多起故障隱患。蒙皮活門(mén)監(jiān)控實(shí)例如圖2 所示。

圖2 A320機(jī)型蒙皮出口活門(mén)監(jiān)控實(shí)例

2.2 外流活門(mén)的案例和監(jiān)控

案例：2020 年3 月B-24XX（A320-214）飛機(jī)陸續(xù)反映落地階段客艙壓力有短時(shí)波動(dòng)，外流活門(mén)無(wú)法全部打開(kāi)。

外流活門(mén)作為客艙增壓系統(tǒng)的重要組成和作動(dòng)部件，根據(jù)CPC 指令來(lái)調(diào)節(jié)客艙壓力進(jìn)行放氣，在巡航穩(wěn)定狀態(tài)下將保持在一個(gè)較穩(wěn)定的角度，在著陸階段起落架放下時(shí)，將逐漸打開(kāi)至全開(kāi)位。當(dāng)外流活門(mén)出現(xiàn)卡阻或異常波動(dòng)時(shí)，在起飛和著陸階段會(huì)出現(xiàn)作動(dòng)時(shí)長(zhǎng)異?；驘o(wú)法打開(kāi)到全開(kāi)位情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，外流活門(mén)從空中狀態(tài)到全部打開(kāi)，時(shí)長(zhǎng)在60s 以?xún)?nèi)，如圖3 所示。對(duì)落地階段外流活門(mén)的作動(dòng)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行跟蹤，可以找出外流活門(mén)作動(dòng)存在缺陷的故障隱患。

圖3 A320機(jī)型外流活門(mén)落地階段打開(kāi)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

2.3 空調(diào)系統(tǒng)波紋管路破損導(dǎo)致客艙釋壓的案例和監(jiān)控

圖4 所示為兩個(gè)案例。其一：2019年11 月12 日，B-60XX（A330-343）飛機(jī)執(zhí)行深圳-虹橋航班，空中出現(xiàn)座艙高度咨詢(xún)信息，且座艙高度有正上升率，機(jī)組實(shí)施下降，在下降過(guò)程中出現(xiàn)座艙超限信息，飛機(jī)備降南昌。地面檢查發(fā)現(xiàn)空調(diào)艙內(nèi)波紋管?chē)?yán)重破損，更換波紋管后執(zhí)行航班監(jiān)控正常。其二：2019 年12 月18 日，B-24XX（A320-214）執(zhí)行常州-重慶航班，航前起飛后機(jī)組反映客艙高度上升快，機(jī)組申請(qǐng)低高度（8000m 降到5000m）并切換CPC 后確認(rèn)客艙壓力可以保持，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)航班，落地重慶后停場(chǎng)排故，航班換機(jī)執(zhí)行。地面檢查發(fā)現(xiàn)客艙空調(diào)艙內(nèi)波紋管?chē)?yán)重破損，更換波紋管后執(zhí)行航班監(jiān)控正常。

圖4 空客機(jī)型空調(diào)系統(tǒng)波紋管破損實(shí)例

飛機(jī)在正常巡航過(guò)程中為了維持客艙壓力平衡，客艙壓力控制計(jì)算機(jī)（CPC）根據(jù)旅客的數(shù)量和其他需求，控制空調(diào)系統(tǒng)空氣流量的供給并控制外流活門(mén)開(kāi)度。在空中穩(wěn)定狀態(tài)下，為了保持客艙壓力均衡，外流活門(mén)和空調(diào)系統(tǒng)流量供給互相配合，屬于正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)二者相關(guān)關(guān)系在數(shù)據(jù)上出現(xiàn)偏離，則說(shuō)明相應(yīng)部件可能存在缺陷。在空調(diào)正常流量情況下，當(dāng)外流活門(mén)開(kāi)度變小或空調(diào)系統(tǒng)流量自動(dòng)正常增大時(shí)，CPC計(jì)算機(jī)會(huì)控制外流活門(mén)到一個(gè)較小的角度以避免漏氣。這兩種情況都間接反映出客艙為了維持自身的壓力平衡需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而超過(guò)一定程度的偏離則能反映出系統(tǒng)部件可能存在漏氣。

空客機(jī)型涉及漏氣的部件一般包括機(jī)體自身、外流活門(mén)、蒙皮出口活門(mén)、空調(diào)系統(tǒng)部件等，其中，空調(diào)系統(tǒng)波紋管路破損非常隱蔽，且管路破損惡化后易造成嚴(yán)重漏氣的客艙釋壓。結(jié)合系統(tǒng)工作原理，利用QAR 大數(shù)據(jù)分析工具，通過(guò)對(duì)20 余萬(wàn)航班巡航穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，外流活門(mén)的開(kāi)度穩(wěn)定在6°～14°之間，如圖5 所示。對(duì)比故障航班和檢查出問(wèn)題的飛機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外流活門(mén)角度小于4°并持續(xù)一定時(shí)間時(shí)存在漏氣的可能。針對(duì)該現(xiàn)象制定監(jiān)控方案，重點(diǎn)檢查空調(diào)波紋管路，已在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)了幾起波紋管路破損情況。該監(jiān)控方案已在機(jī)隊(duì)中推廣實(shí)施。

圖5 A320機(jī)型外流活門(mén)巡航段開(kāi)度統(tǒng)計(jì)

2.4 空調(diào)引氣系統(tǒng)的案例和監(jiān)控

案 例：2017 年4 月7 日，B-64XX（A319-115）飛機(jī)執(zhí)行南昌-西安航班，起飛后雙發(fā)引氣超壓關(guān)斷，機(jī)組重置引氣電門(mén)無(wú)效，返航南昌。飛機(jī)停場(chǎng)排故，航班換機(jī)執(zhí)行，延誤385min。譯碼顯示飛機(jī)起飛滑跑階段N2 達(dá)到90%后，雙發(fā)引氣壓力同時(shí)迅速上升，最高超過(guò)120psi（引氣壓力大于57psi，持續(xù)時(shí)間超過(guò)15s，觸發(fā)警告，PRV 超壓關(guān)斷）。機(jī)組在ECAM 上確認(rèn)故障并參考QRH重置雙發(fā)引氣電門(mén)，左發(fā)引氣重置后故障依舊，右發(fā)引氣在重置后正常，但右發(fā)推力增大后再次因超壓斷開(kāi)，機(jī)組選擇返航。

作為客艙增壓的輸入氣源，飛機(jī)空調(diào)和引氣系統(tǒng)的故障直接決定了下游增壓的正常和穩(wěn)定性，在客艙釋壓的故障案例中，當(dāng)失去氣源時(shí)，雙空調(diào)或雙引氣系統(tǒng)故障將導(dǎo)致客艙無(wú)法增壓。航空公司針對(duì)空調(diào)引氣系統(tǒng)制定了多種監(jiān)控方案，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雙空調(diào)故障案例相對(duì)較少。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)，采取監(jiān)控空調(diào)出口溫度以提高客艙環(huán)境舒適度，可通過(guò)分析監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)的壓氣機(jī)出口溫度、空調(diào)流量等參數(shù)以發(fā)現(xiàn)散熱器堵塞、ACM 卡阻等故障隱患。另外，空調(diào)系統(tǒng)FCV 活門(mén)異常擺動(dòng)也會(huì)造成供給空調(diào)系統(tǒng)的流量不斷變化，從而導(dǎo)致客艙壓力異常波動(dòng)，因此特意加入了對(duì)空調(diào)PACK 組件流量波動(dòng)的監(jiān)控。

針對(duì)引氣系統(tǒng)，從引氣失效的邏輯即超壓、超溫、低壓和低溫等方面入手，對(duì)引氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，趨勢(shì)監(jiān)控如圖6、圖7 所示。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，引氣系統(tǒng)的失效集中體現(xiàn)在壓力部分。有別于引氣傳統(tǒng)使用的ACMS 實(shí)時(shí)報(bào)文，利用經(jīng)二次處理后的QAR 數(shù)據(jù)，從引氣壓力波動(dòng)、高壓頻率以及引氣壓力最大值等維度制定適合的監(jiān)控指標(biāo)，對(duì)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)比較，結(jié)果表明具有明顯的預(yù)測(cè)性效果，達(dá)到了提前發(fā)現(xiàn)故障隱患的目的。

圖6 某A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)壓力異常故障趨勢(shì)監(jiān)控

圖7 某A320飛機(jī)引氣壓力波動(dòng)趨勢(shì)監(jiān)控

2.5 監(jiān)控措施

根據(jù)客艙釋壓故障源的特點(diǎn)，采取了下列監(jiān)控措施：

1）針對(duì)電子艙蒙皮出口活門(mén)卡阻現(xiàn)象，在起飛和落地階段，根據(jù)時(shí)長(zhǎng)和活門(mén)同步性特征制定監(jiān)控方案；

2）針對(duì)外流活門(mén)開(kāi)關(guān)異常，在起飛和降落階段，對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)度進(jìn)行監(jiān)控；

3）針對(duì)較隱蔽的空調(diào)系統(tǒng)波紋管路破損導(dǎo)致漏氣情況，由于破損嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致供氣量不足，主要對(duì)外流活門(mén)異常變小和PACK 流量異常增加的情況進(jìn)行監(jiān)控；

4）為避免空調(diào)引氣出現(xiàn)雙系統(tǒng)故障，分別對(duì)空調(diào)引氣系統(tǒng)制定監(jiān)控方案，對(duì)引氣的壓力、溫度、空調(diào)系統(tǒng)工作性能進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)，對(duì)因空調(diào)流量和引氣壓力波動(dòng)引起的客艙壓力波動(dòng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)監(jiān)控。

3 總結(jié)

客艙增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障將使旅客感覺(jué)不適甚至可能對(duì)飛行安全造成嚴(yán)重后果，發(fā)生故障后機(jī)組大多選擇快速下降高度或返航備降。東航機(jī)隊(duì)在客艙增壓系統(tǒng)故障排除工作中積累了一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以運(yùn)行中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，結(jié)合故障特點(diǎn)從不同的角度多管齊下，利用預(yù)測(cè)性維護(hù)方法取得了良好的效果，在工程實(shí)踐中已發(fā)現(xiàn)多起不同原因的故障隱患，客艙增壓涉及的故障呈明顯下降趨勢(shì)。