數據分析在預防客艙釋壓中的運用

黨建平 顧楊波 楊威 俞珺

摘要：客艙釋壓是民航客機重點管控故障，日常維護中應加強對增壓系統及部件的狀態監控。本文介紹利用QAR數據，通過CPC異常指令、客艙密封性及外流活門等多項數據的建模分析，建立對增壓系統性能趨勢的監控。

關鍵詞：釋壓；座艙壓力控制器；外流活門；增壓系統；客艙高度；密封條

Keywords：pressure relief；CPC；outflow valve；pressurization system；cabin altitude；sealing strips

0 引言

客艙釋壓是民航客機常見的SDR事件且很難避免。客艙釋壓是飛機在飛行過程中客艙高度增高且超過安全值，導致客艙壓力與外部的壓差比預定值顯著減小甚至為零，即飛機客艙高度與環境高度一致，飛機失去增壓功能。在萬米高空，如果機艙內氧氣含量越來越少，會遠遠超出常人的生理承受能力，加上高空低溫，很容易造成旅客及機組昏迷，從而導致嚴重的空中事故征候。

1 增壓系統原理

本文以空客A320飛機為例分析增壓系統工作及其故障原理。

客艙增壓系統有4個增壓過程，分別為地面空置、預增壓、空中增壓、釋壓。系統包括2個座艙壓力控制器（CPC）、一個余壓控制組件（RPCU）、1個外流活門、1個控制面板和2個安全活門。外流活門是客艙壓力控制的主要裝置，內含3個獨立的馬達，其中2個為自動操作，1個為人工操作。3個獨立的電動馬達中的任何一個都可為外流活門提供動力。正常情況下，兩個客艙壓力控制器中的一個通過相應的自動馬達來操作放氣活門。在正常操作中，座艙增壓是全自動的，機組監控系統的操作，無需采取任何動作控制。座艙氣壓遵循系統從飛行管理和引導系統（FMGS）以信號形式接收的外部計劃。當FMGS數據不可用于自動增壓時，機組只需選擇著陸機場標高，增壓系統就會將人工選擇的著陸機場標高用于內部計劃。在人工方式中，機組通過增壓控制面板控制外流活門的人工馬達來控制座艙高度。客艙增壓原理如圖1所示。

A320飛機有兩個相同但各自獨立控制的CPC，這兩個CPC接收來自大氣數據慣性基準系統（ADIRS）、飛行管理引導計算機（FMGC）、發動機接口組件（EIU）和起落架控制接口組件（LGCIU）的信號。當系統處于自動或半自動方式時，一個CPC工作，另一個作為備用。

外流活門位于后貨倉尾部。作動器包含兩個自動馬達和人工馬達。自動馬達以自動方式操作活門，人工馬達以人工方式操作活門。在自動方式中，工作的控制器將活門位置信號發送至飛機電子集中監控系統（ECAM）。在人工方式中，1號CPC的備用部分將活門位置信號發送至ECAM。

在自動增壓方式下，兩套增壓控制系統是相同且獨立的自動控制系統，一次只有一個CPC工作，兩套系統會在每次著陸70s后或者CPC故障后自動轉換為另一部CPC控制。CPC自動控制客艙壓力，在巡航狀態下將客艙壓力限制在8000ft以下（高原機場為14100ft以下）。CPC通常使用來自FMGC的著陸標高和QNH（修正海平面氣壓）以及來自ADIRS的氣壓高度。如果FMGC數據不可用，CPC將使用機長側的基準氣壓（來自ADIRS）以及選擇的LDG ELEV。

如果兩套自動系統均失效，機組可通過客艙控制面板上的人工/自動方式對座艙增壓進行人工控制。

2 CPC異常指令模型及監控

從增壓方式原理可以看出，參與飛機增壓的部件分別為CPC、客艙整體密封條、外流活門。對此空客在ISI 21.31.00041中提到，在超長服役的CPC計算機中存在電路板虛焊狀態，這類CPC件號為PN 20791*，其供應商（Nord Micro）進行的調查發現，焊接裂紋可能由于老化而出現，出現疲勞焊點的大多數CPC已工作13～15年左右，存在疲勞焊點的CPC間歇性存在著陸場標高（LFE）值損壞、客艙壓力信號損壞等情況，此時的CPC無法區分其自身是否存在故障，導致無法自動切換至備用CPC控制客艙增壓而出現釋壓。

另外，自動壓力正常控制方式中，CPC使用來自FMGC的著陸標高和QNH以及來自ADIRU的氣壓高度。如果FMGC數據不可用，則CPC使用來自ADIRU的機長氣壓基準和著陸標高選擇。A320飛機為CPC獲取著陸機場的QNH值以計算著陸機場的真實氣壓，從而正確控制下降過程中的客艙高度。正常情況下CPC使用MCDU中進近頁面機組數據的著陸機場QNH值，如果因其他因素MCDU未輸入且CPC已經進入下降模式，則CPC會使用FCU上顯示的氣壓基準值。如飛行過程中未使用MCDU中數據目的地機場的QNH值，也未調整FCU氣壓基準數值，飛機會直接將QFE轉換成STD，則可能使用了錯誤的著陸機場標高，導致座艙高度異常。

以上兩種都是CPC異常指令導致客艙高度異常從而導致釋壓的情況。從原理上分析，CPC會控制客艙高度呈現穩定下降或上升狀態，當出現CPC內部虛焊或未輸入QNH等情況時，必然造成客艙高度控制異常。針對上述情況，從QAR中提取客艙高度參數，計算異常客艙高度監控，建立以下算法。

通過歷史累計數據分析得出，歷史上三次異常點都存在客艙高度異常急劇變化，這都是CPC非指令控制導致客艙高度異常的表現。從QAR中調出異常點數據曲線，對比異常點1、2、3，如圖4所示，從中可見在短期內（通常5min）飛機客艙高度急劇變化，并且呈無規則變化狀態，乘客會感覺到劇烈的壓耳和不適感。

3 客艙密封性預測

對于客艙密封性的監控，主要研究飛機在巡航階段飛機整體密封性的狀態，包括客艙門密封條的密封性、余水孔的密封性、各類電子艙門的密封性。監控原理為：假設飛機在空中的客艙壓力為恒定值，空調進氣量與外流活門排氣量和密封條滲漏的和值相等。以此為基礎選取條件為雙開空調狀態，氣壓高度為24000±4000ft，客艙高度為2200±200ft，前置條件為持續5min穩定狀態。飛機進氣量設為M1，空調一流量（kg/sec）設為α1，空調二流量（kg/sec）設為α2，則M1=（α1+α2）×T（單位：kg）。飛機出氣量設為M2，飛機出氣量M2等于外流活門出氣M3與蒙皮密封條滲漏M4之和。

將以上算法代入QAR數據，利用計算機語言實現并得出歷史狀態曲線。圖6所示為20000飛行小時的飛機密封條滲漏率曲線，系數跳變經常超過1.0，后采取密封條潤滑及修補措施后，最大系數值為0.89，恢復出廠狀態。

4 外流活門監控

外流活門作為客艙增壓控制的主要部件，工作性能直接影響客艙增壓。外流活門作動器包含2個自動馬達和1個人工馬達。其中，2個旋翼可變差動傳感器（RVDT）用于外流活門位置監控，并將位置信號發送至ECAM。兩個RVDT分別安裝在外流活門的兩個齒輪盒內。對RVDT的歷史數據進行分析，外流活門在空中增壓時角度大約為8°左右，分別建立兩個RVDT差值和均值的計算公式，得出外流活門齒輪機構性能，如圖7所示。

當外流活門驅動齒輪存在磨損或卡滯等情況，或者活門處于亞健康狀態時，活門在運動過程中RVDT顯示的角度存在不一致，間接反映了外流活門的物理狀態。結合外流活門角度和本文第3節，可以建立客艙密封性整體趨勢監控。

5 結束語

客艙釋壓的管理一直是民航關注的重點，也是民航客機常見的比較有社會影響的安全事件，給航空公司和民航管理當局帶來很大的壓力。民航客機客艙增壓有多套冗余設計，確保飛機不會突然釋壓，但從REASON模型可知，恰恰是多個綜合的安全因素導致了客艙釋壓的發生。

為此，本文從維護角度出發，將客艙釋壓的事后處理變為預防性監控，利用QAR數據建立增壓系統多個部件的性能趨勢監控曲線，并建立客艙壓力的大數據庫，使用計算機進行實時分析，可有效預防客艙釋壓事件的發生。