飛機座艙壓力控制系統失效規律分析

戴文元

（中國國際貨運航空有限公司機務分部，上海201207）

0 引言

民用航空是一個高風險的行業，飛機在高空飛行時高度不斷變化，空中的大氣環境與人所適應的大氣環境有很大的不同，這會給飛行員的工作造成很大的困難，影響飛行安全，危及旅客的生命和財產。對于運輸機和客機的座艙設計最基本的出發點就是要創造一個人工氣壓環境為駕駛員和乘員提供低壓和缺氧保護，保證其工作能力和生命安全。因此，飛機座艙壓力系統既要滿足正常飛行高空缺氧防護，又要考慮應急減壓條件下的生命安全。本文先對飛機座艙壓力調節系統做一簡單了解，遵循實事求是、資料真實、立論有據、對策超前的原則對已有的事故及事故征候數據進行統計與分析，總結了重要事故和事故征候的特點和發生原因，找出一些規律，提出一些經驗教訓，對中國民航未來的飛行安全工作，具有積極地借鑒意義。充分認識飛行事故/事故征候的一些規律，從中吸取經驗教訓，可以防止飛行事故的再次發生。

1 座艙壓力調節系統的工作原理

座艙壓力控制系統的工作原理如圖1所示：座艙壓力控制器感受飛機座艙內的壓力與飛機座艙壓力制度進行比較得出控制器輸出偏差信號，然后驅動電機改變排氣活門的開度，進而控制排出座艙內的空氣流量，最終控制座艙內的壓力及其變化速率，使得座艙內的壓力變化能夠盡可能接近壓力制度[1]。

圖1 飛機座艙壓力控制系統原理圖

座艙壓力調節性能的好壞主要是看其在一定高度上能否保持相應的座艙高度。通過發動機壓氣機為座艙供氣，同時座艙排氣活門調節座艙排氣量。當座艙供氣量等于排氣量和漏氣量之和時，座艙壓力保持穩定；若不相等，在供氣量一定時，將排氣活門關小，座艙壓力會升高；反之，將排氣活門開大，座艙壓力便會降低。

2 座艙壓力制度

座艙內絕對壓力和余壓隨高度的變化規律稱為座艙壓力制度，或稱為座艙調壓規律。民用飛機的座艙壓力制度可以分為固定式和可調式兩種，現代大型飛機普遍采用可調式，由計算機作為壓力控制器的管理中心。

座艙壓力由壓力調節器通過改變排氣活門的開度，控制排出座艙的空氣來完成。如圖2所示，在0～2 000 m的高度范圍內，排氣活門處于全開位置，此時座艙壓力基本隨大氣壓力變化，稱為自由通風區。在2 000 m時為座艙增壓起始點，其值比起飛或著陸機場的實際大氣壓力低，相當于地面到500 m的飛行高度；在2 000～7 000 m的高度范圍內，排氣活門隨著高度增加逐漸關小，壓力變化速度減慢，調壓膜盒室內的壓力不斷下降，膜盒開始逐漸膨脹使調壓活門的開度逐漸關小。增壓空氣流過調壓活門時開始產生阻力，使流經調節活門限流孔的增壓空氣流量減小，限流孔前后的壓力差隨之減小，使調節活門開度逐漸減小，放氣量也減小，座艙內外壓力差逐漸增大。這種調節方式有利于座艙壓力變化率的穩定，稱為變絕對壓力調節。在飛機到達7 000 m左右的巡航高度時，座艙壓力繼續減小，但此時座艙壓力與外界大氣壓之差基本保持不變，亦即座艙余壓保持不變，為等余壓調節[2]。

圖2 某飛機座艙壓力制度

一般，座艙壓力制度為靜態特征，而壓力變化速度為動態特征。座艙壓力制度對座艙壓力變化速度是有影響的。由公式

式中：Vy為飛機垂直方向速度；dPc/dh為座艙壓力調節規律曲線斜率。

由此可見，當座艙壓力隨飛行高度變化率dPc/dh減小時，則飛機在爬升或下降過程中所引起的座艙壓力的劇烈程度是可以改善的。

3 座艙壓力事故及事故征候總體規律

每一次飛行都是對飛機復雜系統的安全性考驗，本文對近30年的國內外的與座艙壓力控制系統相關的事故/事故征候信息進行搜集和整理。據統計，共計481起相關事故/事故征候信息，約有31%的數據來自國內，約69%的數據來自國外數據庫。

圖3列出了1980～2013年國內外有記錄的座艙壓力事故及事故征候次數。圖中事故及事故征候的高發和低發年代相互交錯，表明事故發生的確具有很大的偶然性。但按照統計學的方法進行分析，不難看出座艙的壓力事故/事故征候出現次數呈現一種穩定的上升趨勢[3]。

圖3 1980～2013年座艙壓力事故及事故征候次數

在所統計的事故當中，有27起事故，約占總數的6%.其時間分布如圖4所示。

圖4 座艙壓力事故占當年壓力事故/事故征候的比例

從圖4中可以看出，座艙壓力事故發生隨時間增長密度增大，大致上分為兩個階段。第一階段1980～1999年，事故率呈下降趨勢；第二階段2000～2013年，也呈下降趨勢，但整體上看，除個別年份事故率數值較高外，其他年份當年座艙壓力事故發生率呈現一種不明顯的下降趨勢。這與民航業運輸周轉量的增加，事故及事故征候次數必然增加，同時技術的發展、人員素質的提高也使得事故率下降的總趨勢是一致的。

若按事故/事故征候發生的月份來看，如圖5所示，飛機座艙壓力事故/事故征候各個月份的發生次數抑制居高不下，雖有波動但總體趨勢還是比較穩定的。

圖51980 ～2013年平均每月事故/事故征候次數

4 座艙壓力事故及事故征候原因分析

從1980年至今有記錄的座艙壓力事故/事故征候發生階段如表1所示。

表1 座艙壓力事故/事故征候不同飛行階段比較

一般情況下，進近和著陸兩個飛行階段所用的時間占整個飛行航段飛行時間的15%，但從表中統計的數據看，在進近和著陸階段發生的事故卻占16.2%.進近和著陸是整個飛行航段的最后階段，也是飛行安全的關口。在這兩個飛行階段中，飛行員工作負荷最重，可能遇到的特殊情況也最多，盡管現代航空器和先進的地面保障系統，為減輕飛行員在進近和著陸階段的工作負荷做了很多努力，但此階段事故仍然多發。

在巡航階段座艙壓力事故/事故征候的比例接近一半。事故多發主要原因是此階段飛行時間占整個飛行航段飛行時間最長。飛機座艙在這個階段最容易發生增壓和失壓故障，造成座艙壓力異常，危及飛行員的安全飛行[4]。

起飛和爬升階段所用的時間占整個飛行航段飛行時間的15%，事故率為27.7%，主要原因是此階段飛機內外環境變化最為劇烈，壓力變化速度大，飛機動態變化大，飛行員操作較為復雜。此類事故/事故征候大多發生在機場附近。

在對造成座艙壓力異常的事故/事故征候發生原因進行分析結果如表2所示：引起座艙壓力事故/事故征候的原因有很多，涉及到15個相關系統。其中由空調系統引起的座艙壓力異常事故/事故征候達340起，約占70%多。引起這類事故/事故征候的主要原因又可以細分為：壓力控制子系統失效（外流活門、增壓控制組件、指示器等）、相關系統機械失效（系統管路泄露、艙門泄露、機身裂縫、導線短路等）。另外一個需要注意的原因是由艙門和窗戶引起，兩者共計88起，約占總數的18%.這類事故/事故征候主要原因是由于艙門或窗戶密封不嚴或結構受損引起。典型事故是1988年4月28日下午，美國阿洛哈航空公司一架波音737在執行243航班從夏威夷飛往檀香山的途中，飛機客艙結構破損，造成飛機失壓，飛機緊急著陸，一號位乘務員被氣流吸出去，不幸罹難。飛機結構上的損傷通常是由于飛機使用時間過久，傷痕不斷積累，而地面維護又無法精確檢測這種隱患最終釀成悲劇。

表2 座艙壓力事故/事故征候相關系統

另外電氣系統、發動機、防火、放冰排雨等系統異常都會造成座艙壓力事故。例如1996年5月11日下午14∶00，一架DC-9-32飛機在執行邁阿密到亞特蘭大的592航班時，因為貨艙起火，燒壞了飛機電氣系統和操縱系統，導致機上110人全部罹難的特大事故。因此飛機的系統是相互關聯的，一個系統的故障往往會引發另外的系統故障，造成空難[5]。

5 座艙壓力事故/事故征候經驗教訓

前車覆，后車戒。民航在改變現代人生活的同時，也提出了新的課題。作為民航系統的一員，應該把別人的可能的或者已經發生的故障當成自己的確定性問題，從事故致中總結規律，獲得啟示，使客機更加安全的運行。

由于飛機座艙壓力異常多發生在遠離地面的情況下，都是在人員有了較大的反應之后才得以察覺，以至于不能及時的采取有效措施。因此在對搜集和整理數據信息開綜合了表面的信息后，深入挖掘了民航實際運行的規律性信息，希望民航人員能夠從中得到一些啟示，并產生實效。總結如下：

（1）在地面時要對座艙氣密性進行檢查，防止艙門、窗戶或機身蒙皮等部位密封不嚴或破損。

（2）要檢查限流孔和通氣孔是否受損堵塞，防止調壓器失效。

（3）及時檢查清理座艙排氣活門，防止異物堵塞（特別是起飛和降落階段），保持座艙進出氣通暢，維修人員在進入座艙時，一定要保持座艙清潔。

（4）巡航時，機組人員要時刻注意座艙高度變化，一旦出現壓力異常情況要及時采取措施，增強責任心，避免僥幸心理。

（5）要加強人員的培訓管理，提高機長素質，搞好機組協調配合，加大航空器的維護力度，同時要保證各人員之間及時交流信息。

（6）要加大科研投入，對飛機維護工作要科學管理，根據飛機的實際情況進行維護：對于老齡飛機要及時掌握使用情況，減少隱患造成的損失。

（7）要加強適航飛行安全管理體系建設。加強適航飛行安全管理體系建設主要包括：制定頒布適航標準和規定，對民用航空器設計、生產和使用進行審定、監督、檢查和管理，以保證航空安全；大型客機必須經過民航局適航審定合格發放適航證后，才能進入民用航空市場；對航空器使用者提出要求和使用限制，監督他們保證航空器在適航條件下使用；對維修民用航空器的人員進行考核，發放執照，保證維修人員的技術水平。不斷加強適航審定技術研究和隊伍能力建設，深入開展適航工作。

6 結束語

飛機座艙壓力控制系統是飛機環境控制系統的重要組成部分，一個良好的座艙壓力是保證飛行的基本條件之一，造成座艙壓力控制異常的原因有很多，涉及的系統范圍也很廣。隨著我國對大飛機項目的不斷深入研究，對座艙壓力控制要求也越來越高。保證座艙壓力變化精度及其動態特性，減少座艙壓力事故/事故征候的發生就需要地面人員、機組人員和科技人員攜手把關，預防此類事故的發生。

參考文獻：

[1]沈燕良，王建平，曹克強.飛機座艙壓力控制控制系統性能分析[J]. 機床與液壓，2005（11）：77-79.

[2]朱 磊，付永領，趙競全.數字式座艙壓力調節系統的非線性控制方法[J].機床與液壓，38（3）：4-6.

[3]陳希遠.飛機座艙環控事故分析與模擬仿真系統研究[D].北京：中國民航大學，2014.

[4]鄭新華，謝利理，劉麗卓.負壓活門特性[J].中國機械工程，25（22）：3033-3037.

[5]趙維義，張泰峰，楊曉華.飛機環控系統典型故障分析[J].裝備環境工程，9（2）：82-85.