飛機空調系統原理及故障分析

陳成

摘要：隨著越來越多的新技術和新材料在現代民航飛機上的應用，飛機座艙空調系統的可靠性和自動化程度獲得了長足的進步。雖然現代民航飛機能對空調系統進行自檢自測，某些部件的狀態和參數也能實時監控，但由于空調系統部件眾多、結構復雜，很多故障單靠系統自測往往不能準確判斷。該文通過對空客A320系列飛機空調系統進行原理分析，結合實際維修經驗，論述空調系統常見故障的成因及排除方法。

關鍵詞：空調系統 空客A320 系統原理 故障分析

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

1 引言

現代民航飛機巡航高度在6000至12000米之間，高空環境低溫、低壓、缺氧。根據航空醫學的要求，飛機座艙溫度應保持在15～26℃，壓力不高于2400米的座艙高度。這就需要空調系統對座艙環境進行控制。飛機空調系統給飛機氣密座艙增壓并調節溫度、壓力，保障空中人員的人體生理和機上設備的正常工作。

2 空調系統原理

空調系統分為四個子系統：空氣冷卻系統、溫度控制系統、空氣分配系統和增壓控制系統。來自飛機發動機高壓壓氣機的熱引氣經過初步的壓力及溫度調節后輸送到飛機空調系統，此時熱引氣溫度在200℃左右、壓力在44PSI左右。熱引氣經過流量控制活門（FCV）調節流量后，在進入初級散熱器之前被分成兩路，一路經過冷卻系統消耗能量，溫度降低到0℃左右，再進入混合總管；另一路則作為配平熱空氣與混合總管出來的冷空氣摻混在一起，進入駕駛艙和前后客艙，在溫度控制系統的調節下，達到座艙需要的溫度。配平熱空氣管路上有1個配平空氣壓力調節活門（TAPRV）調節壓力，3個配平空氣活門（TAV）分別調節通向駕駛艙和前后客艙的熱空氣流量。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻系統有兩套空氣調節組件（PACK），原理圖如圖1所示。每套PACK組件包含兩套熱交換器稱作主次散熱器，他們利用機外的沖壓空氣來給熱引氣散熱。PACK組件還包括渦輪壓氣機風扇式（又稱三輪式）空氣循環制冷機（ACM）、再加熱器、冷凝器、水分離器、旁通閥、防冰閥以及用于控制與指示的溫度傳感器、壓力傳感器。熱引氣經過FCV調節流量后，進入次級散熱器降溫，再進入ACM壓氣機，壓氣機對氣流做功，氣流溫度升高、壓力增大，從壓氣機出來的氣流經過主級散熱器降溫后，通過再加熱器、冷凝器、水分離器，進入ACM渦輪膨脹做功，帶動ACM渦輪旋轉。由于ACM渦輪、壓氣機、風扇同軸，壓氣機、風扇也高速旋轉，高溫高壓氣流的內能轉化為機械功，溫度大大降低。渦輪出口的氣流再次經過冷凝器，防止渦輪出口氣流冰物質的形成，之后進入混合總管。

2.2 溫度控制

溫度控制分為PACK溫度控制和駕駛艙客艙溫度控制。PACK溫度控制：駕駛艙空調控制面板上有三個區域溫度選擇旋鈕分別用來選擇駕駛艙和前后客艙的需求溫度，ACSC以選擇的溫度為基礎，綜合客艙FAP（乘務員面板）上的溫度選擇和座艙側壁熱量的流失，計算出所需混合總管溫度，以此來確定PACK出口溫度。ACSC調節沖壓空氣進氣門開度和旁通閥開度使PACK出口溫度達到目標值。駕駛艙客艙溫度控制（如圖2所示）：混合總管的溫度調節到滿足最低的溫度需求，有較高溫度需求的區域則由ACSC打開對應區域的TAV來調節。駕駛艙以及前后客艙各裝有一個區域溫度傳感器，ACSC比較區域溫度的實際值和區域溫度選擇旋鈕上的選擇值，用于控制駕駛艙客艙區域的TAV開度，使區域溫度滿足要求。

2.3 空氣分配和座艙增壓

調節好的空氣由空氣分配系統分配到駕駛艙、客艙、電子設備艙、貨艙以及廁所、廚房，再由外流活門排出機外。增壓控制系統有兩臺客艙壓力控制器（CPC）通過控制外流活門的開度來控制客艙壓力。兩臺CPC輪流起主控作用，另一臺熱備份。在每次飛機著陸，起落架壓縮的時候切換，或在一臺CPC故障時自動切換到另一臺。在自動模式下CPC使用來自飛行管理和導航計算機（FMGC）以及大氣數據和慣性基準組件（ADIRU）的數據來控制外流活門開度，使座艙壓力符合座艙壓力制度。

3 常見故障成因及排除方法

3.1 故障確認

空調系統出現故障信息，首先要確認故障是否為真。復位相關跳開關（CB）、斷電、通過中央故障顯示系統（CFDS）做溫控測試能夠排除假故障。若確認故障為真，參照排故手冊（TSM）進行排故。飛機綜合數據系統（AIDS）的ALPHA-CALL UP功能可以調取出空調系統的關鍵參數，用于故障隔離。常用的參數是COT（壓氣機出口溫度）、TP（組件出口溫度）、PF（組件流量）、PBV（旁通閥開度）、TW（水分離器出口溫度）、RI（沖壓空氣進氣門開度），這些參數對系統實時監控。

3.2 FCV故障

FCV是電控氣動活門，其控制原理圖如圖3所示。FCV主體是一個文氏管，通過1個壓差傳感器和1個壓力傳感器分別測量文氏管喉部壓差和入口處壓力來計算空氣流量，再由ACSC通過力矩馬達操縱FCV主控制腔放氣來實現流量控制。FCV上的壓差傳感器和壓力傳感器故障會使探測到的流量值錯誤，從而導致流量不能按需調節，引起空調系統故障。電控和氣控都可以使FCV關閉。電控關閉：壓氣機出口超溫、發動機啟動、發動機火警電門按出、水上迫降電門在ON位。發動機啟動電門信號通過發動機接口組件（EIU）送到ACSC，啟動電門或EIU故障可能會導致FCV始終關閉，從而引起空調系統故障。FCV氣控關閉：引氣壓力過低。還有一種情況是部分老構型飛機裝有壓氣機氣動過熱傳感器，其原理是把兩種膨脹系數不同的金屬套在一起，在高溫下兩種金屬之間會產生間隙，當壓氣機溫度超過230℃時，過熱傳感器和FCV之間的氣路（sensor line）通過兩種金屬之間的縫隙給FCV控制腔放氣。sensor line漏氣會導致FCV關閉。為判斷FCV故障原因，可以拔出FCV相關CB，如果氣控部分正常，來自FCV上游的氣壓就會克服FCV控制腔內的彈簧彈力使FCV蝶型活門打開，否則FCV氣控部分就存在問題。無論電控還是氣控，控制FCV關小或關閉，都是通過給主控制腔放氣來實現的，與主控制腔連接的控制氣路漏氣就會導致FCV關閉，在檢查FCV的時候需要留意。

3.3 壓氣機出口溫度超溫

COT正常情況下控制在180℃左右，當COT在215～260℃之間時，ACSC將通過控制FCV開度減小PACK流量。當COT超過260℃，將觸發超溫警告，ACSC將控制FCV關閉（在空中需要由飛行員來決定是否關閉）。COT過高，有可能是FCV故障在全開位，FCV故障前面已單獨分析過，這里不再贅述。沖壓空氣進氣門意外關閉會導致沖壓空氣不足，熱引氣不能有效降溫而引起COT溫度高，可檢查沖壓空氣進氣門是否打開。沖壓空氣進氣門作動筒故障或卡阻會導致進氣門打不開。剎車轉彎控制組件（BSCU）跟ACSC有交聯，1號輪速傳感器繼電器25GG或BSCU故障可能會使其給ACSC發送飛機處于起飛或著陸階段的錯誤信號，導致沖壓空氣進氣門關閉。溫度傳感器故障也可能導致超溫的假警告。通過測量COT溫度傳感器電插頭相應插針的電阻值，與TSM上的正常值比較來判斷是否是溫度傳感器故障，也可以通過串換件來確認故障。

3.4 PACK出口溫度超溫

TP是反應PACK組件性能的關鍵的參數。TP溫度過高會導致座艙溫度高。TP溫度高的原因可能是主次散熱器堵塞或ACM故障。此外，再加熱器堵塞、冷凝器漏氣、沖壓空氣進氣門意外關閉、旁通閥或防冰閥故障打開以及溫度傳感器本身故障都可能導致PACK出口溫度高。主次散熱器、再加熱器都是平板鰭片式散熱器，空氣通道較小容易堵塞。主次散熱器在沖壓空氣流經的氣路上由于沒有空氣濾，灰塵會逐漸累積堵塞通道，使其散熱能力下降。在環境溫度較高的地面，影響特別明顯。而在空中由于沖壓空氣溫度極低，主次散熱器熱交換效率又恢復正常，從而使TP降到正常溫度。所以，TP在地面溫度高而在空中正常，原因很可能是主次散熱器堵塞。再加熱器里面的鰭片比主次散熱器的更密，流過的氣流速度更快，灰塵和鰭片變型都會導致其堵塞。再加熱器堵塞會使渦輪進口氣流壓力降低，導致ACM啟動困難、轉速低，也會使PF、沖壓空氣流量偏低。如果發現有上述現象，可以優先考慮再加熱器堵塞故障，而不是直接更換ACM。冷凝器是管-管式結構，不容易堵塞，但其內部結構容易出現裂紋，導致熱空氣摻混到渦輪出口空氣中，使TP溫度高。如果PF值、沖壓空氣均正常，而主次散熱器又剛換過不久，可以考慮冷凝器故障。旁通閥和防冰閥故障在打位導致過量的熱引氣不經過ACM而直接旁通到渦輪出口，也會使TP溫度高。正常情況下防冰閥是始終關閉的，旁通閥的開度在21度左右，兩者的開度都可以從閥體上觀察到，閥體上也都有超控連桿，通過轉動超控連桿可以判斷活門是否卡阻。

3.5 駕駛艙、客艙溫度無法調節

當PACK出口溫度正常，而座艙溫度無法調節，座艙過冷或過熱，可能是駕駛艙客艙溫度控制系統故障。TAV故障一般在航后報告的故障信息里面會給出，做溫控測試也能確認，注意如果駕駛艙TAV故障或前、后客艙TAV同時故障將會使TAPRV自動關閉，這時候不要誤換TAPRV。一般駕駛艙或單獨某個客艙溫度無法調節，如果航后報告或者溫控測試沒有給出TAV故障信息，可以首先考慮駕駛艙或該客艙的區域溫度傳感器是不是有問題，在更換溫度傳感器之前，首先檢查傳感器本體、通風管道有沒有被污染、破損、漏氣，溫度傳感器必須通風良好，才能持續感知客艙溫度的變化，如果溫度傳感器的通風管堵塞，溫度傳感器將不能真實反映客艙區域的溫度，導致客艙溫度“超調”，客艙忽冷忽熱，或無法調節。三個管道溫度傳感器感知輸送到駕駛艙、前后客艙的管道溫度，用于超溫保護。正常情況下管道溫度會限制到8～50℃，特殊情況如單PACK運行時會放寬到2～70℃，管道溫度傳感器異常也可能導致駕駛艙或前、后客艙區域溫度不能正常調節。駕駛艙30VU面板有三個區域溫度選擇器，可以選擇溫度范圍18～30℃，溫度選擇器故障也會導致某個座艙區域溫度無法調節。TAPRV控制配平空氣壓力大于客艙壓力4.06PSI， 它的下游安裝有一個壓力電門，當壓力大于6.53PSI時接通，壓力下降到5.08PSI時斷開，用于發送活門的開、關信號。當測試給出TAPRV故障時，可能是活門本身故障，也可能是由于壓力電門故障發送了錯誤的信號給ACSC導致，可以考慮更換該電門再做測試來確認故障原因。

3.6 管路漏氣

除了部件本體故障外，在PACK組件內部，管路與管路之間、管路與部件之間的正確安裝，以及膠圈、膠墊是否完好且安裝到位都關系到空調系統的正常運作。膠圈、膠墊破損以及卡箍的不規范安裝導致的漏氣時有發生。特別是高溫氣流流經的管路，膠圈、膠墊更容易老化脫落導致漏氣，從使引起空調系統故障。此外，高溫氣體泄漏還會導致周圍的引氣環路跳警告。ACM壓氣機進口管路上的方形接口（如圖4所示）處常有漏氣現象，拆開后發現接口之間的方形膠墊已經殘缺老化，更換膠墊重新安裝后恢復正常，但2～3個月后膠墊再次破損漏氣。分析原因是由于老化的舊膠墊有殘留物粘連在接口上沒有清除干凈，導致新膠墊裝上去有縫隙。在安裝過程中擰緊螺桿的力矩過大使膠墊擠壓變形也會產生縫隙。高溫高壓的氣流會從微小的縫隙泄漏出來，并使縫隙周圍的膠墊迅速老化、脫落，縫隙越來越大，最終嚴重漏氣導致故障。為避免這一情況的發生，安裝前要將結合面徹底清理干凈，調整好管路使安裝口對齊貼緊，不要試圖用擰緊螺桿的方式來對齊安裝口，否則容易將方形膠墊以及方形接口上螺座的鋼絲螺套損壞。在PACK運轉時，用手沿著管路周圍游走來檢查管路是否漏氣，目視檢查各部件本體及其連接處有無裂紋、凹坑等損傷，電插頭及其線纜是否破損，與其他部件的間距是否足夠。

4 其他排故方法

除了利用AIDS、CFDS、TSM研究單個PACK故障外，還可以通過對比同一架飛機的兩個PACK的參數來判斷故障。由于同一架飛機上的兩個PACK處于相同環境下，他們的參數應該大致相當，可以從兩者差異較大的地方著手。另外，在空調系統發生故障時，會自動生成一份ECS（環境控制系統）報告，可以通過AIDS調取，這份報告記錄了故障發生時，飛機、空調系統以及環境的各項參數，包括活門位置等，可用于維修人員判斷故障。

5 結束語

排除飛機空調系統故障需要維修人員熟悉空調系統的基本原理，熟知各個部件的功能、特點以及可能發生故障的原因，掌握各種參數的意義和參數值的正常范圍。飛機各個系統之間互有交聯，有時候我們遇到一個部件或系統報故障，有可能是這個部件或系統自身故障，也可能是其他部件或系統故障引發的，這就要求我們要透過故障現象，多方面收集數據，善用邏輯推理，快速準確的找出故障的本源，徹底排出故障。

參考文獻

[1] 任仁良，張鐵純主編.渦輪發動機飛機結構與系統[M].北京：兵器工業出版社，2008.

[2] A320 AIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL AIRBUS COMPANY. 2016.

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