波音787 飛機客艙空氣壓縮機故障模式分析

■ 周文強 尹松 高榮斌 王棣貞/海航航空技術有限公司

0 引言

作為全新的全電飛機，波音787 寬體客機的空調供氣系統采用專用的增壓器——客艙空氣壓縮機（CAC）取代了傳統的發動機引氣供氣系統，減輕了對發動機引氣的需求，可使發動機的核心機布局更加緊湊，燃油消耗率更低[1]。在使用了最新的座艙空氣系統后，波音787 飛機成為了第一款巡航時座艙高度達到6000ft（傳統型為8000ft）的飛機。波音787 飛機的客艙氣壓由電動客艙空氣壓縮機維持，低的巡航客艙高度帶來更高的空氣氧含量、濕度，減少了壓耳、頭昏等癥狀，使部分之前不適合乘坐飛機的人員有機會實現航空旅行，滿足航空運輸大眾化的需求[2]。

為不斷提升和保持航空運輸品質，本文從維修角度出發，在持續保持和改進客艙空氣系統的穩定性和正常率方面進行研究和討論。

由于客艙空氣系統使用頻率高以及部件的多樣性，相較于其他飛機系統，故障率長期偏高。近期，波音發布的FLEET TEAM DIGEST 文件顯示，對全球范圍內的客戶機隊延誤分析發現，CAC 導致的空調系統故障造成的延誤仍位于TOP 榜中。在沒有使用外部空調或電源的情況下，波音787 飛機客艙空氣系統的使用基本覆蓋所有的運行階段，一旦出現故障會對飛機運行品質和旅客感受度造成很大影響。由于未采用發動機引氣增壓，客艙空氣系統使用4 臺電動的客艙空氣壓縮機提供氣源，客艙空氣系統在失效的同時也會導致飛機增壓失效，嚴重危及飛行安全。

1 CAC 機隊故障數據分析

1.1 機隊歷史數據分析

本研究需要選定一家國內航空公司波音787 機隊運行維修數據進行充分調查和研究，為提高數據的可靠性和真實性，所選航司需具備足夠數量的波音787 運行架次和飛行小時。A 航司自2013 年7 月引進波音787 機型，機型架次為40（包含787-8/9），截至2021 年7月累計不間斷運行8余年，平均機齡4.5年，機隊數量和運行歷史滿足研究所需。經查詢，該機隊歷史記錄中共有355 條與CAC 相關的故障歷史信息。

經分析，導致CAC 損壞的故障現象可以分為6 類，如表1 所示。從中可以看出，前兩類故障占了CAC 總故障數的70%，對于機隊的CAC 故障影響十分明顯。其中，CAC 發生喘振導致的概率接近50%，其產生的危害及對航空器運行的不利影響最為嚴重。

表1 CAC故障源分類表

對故障發生的時間數據進行分析，對各個年份相同月份發生的故障進行匯總，如圖1 所示。從中可以看出，CAC故障發生情況呈現明顯的周期性和季節性分布，冬春交替（12 月、1 月、2 月）時期CAC 的故障率偏高，夏季（6 月、7 月）CAC 的故障率也有上升趨勢，其他時段則較為平衡，平均月份發生率為25 起，結合機隊平均機齡（4.5 年/架次），機隊平均每月發生5.6 次故障，而故障高發時段平均每月發生11 次故障，故障率翻倍。因此，季節性的環境變化對CAC故障發生頻次的影響不可忽視。

圖1 CAC故障各月份數據

結合波音787 機隊的區域性運行特點，同時綜合考慮國內季節性氣候特點，受季節性影響的原因如下：

1）夏季溫度高，對空調組件運轉效率要求較高，部件的頻繁高負荷工作導致故障。

2）該航司波音787 機隊地面運行主要在北方（如京津區域），冬春交替時節北方區域降雨少、空氣干燥，易形成揚沙天氣，且在楊柳交替飄絮的季節，大量楊絮、柳絮及沙塵等空氣污染物從飛機的沖壓進氣口入口和CAC 入口飄入，導致CAC 內部部件發生磨損出現損傷，進而引起部件失效。

3）夏季當地面環境溫度大于43℃時，PECS 液溫過高，導致其冷卻的相關部件不工作（見圖2），進而觸發其他系統故障。PECS 冷卻系統不能充分為CMSC 等相關部件散熱，導致CAC 不工作。同時，在冬春季節，沙塵和柳絮都會加大PECS 散熱器和相關管道的堵塞概率，導致PECS 冷卻性能不足。

圖2 PECS冷卻系統與飛機各個系統的關系

4）當散熱器堵塞嚴重時，會造成RAM FAN 轉速與流速不匹配情況，進而使RAM FAN 發生失速或喘振，最終影響RAM FAN 工作。當RAM FAN 失效后，PECS 系統將工作在卸載模式下，主散熱系統停止工作；在該模式下，為避免PECS 冷卻液溫度過高，同一側的FUEL、HYD 等部件的工作被自動抑制，而ATRU、PECS 泵體冷卻只能利用PECS 后段—廚房廁所通氣系統來進行散熱。

1.2 CAC 故障成本性分析

結合單個航材CAC 的售價、送修成本、返修、檢測等費用進行綜合分析。

根據廠家報價，單個CAC 價值大約為37 萬美元，折合人民幣大約為240萬元（以匯率大約為6.484 計算）。目前，機隊飛機在翼CAC 數量約為160 臺，在修和備用庫共計約10 臺，CAC 單項航材資產占據航司資產累計約4 億元人民幣。在送修歷史記錄中，因故障導致送修的機隊歷史部件次數達到320 余次，單次送修平均價格預估約為12 萬美元，折合人民幣價格為78 萬元，公司歷史為保障CAC 的修復金額達到人民幣約2.5 億元。

由此可見，基于CAC 部件的高價值和高送修成本，對CAC 的故障率控制將影響到航司的維修成本控制。

1.3 機隊SDR 數據分析

由于客艙空氣系統對機隊運行產生SDR 數據的情況較少，且單機中CAC部件有4 個，高裕度特點進一步降低了CAC 故障導致SDR 事件的發生。由于數據較少，不能形成有效分析，因此不對SDR 數據作進一步分析。

2 CAC 故障相關的機組操作程序和故障模式處理

2.1 與CAC 故障相關的運行操作模式

全面梳理波音787 機型的飛行機組操作手冊（FCOM）[3]、快速檢查單（QRH）以及最低設備清單（MEL），以便綜合分析CAC 出現故障時可能導致的運行操作問題。

1）當左/右客艙空氣系統中任意一側只出現一個CAC 故障時，可以維持正常航班運行，需要將不工作的CAC解除工作，并確保出現故障的CAC 空調組件可以正常運行。但是對客艙溫度的控制仍然有限制，在客艙溫度較高的情況下需要選擇關閉客艙娛樂系統（IFE），以降低客艙的加熱負載。

2）當單側空調兩個CAC 都故障時，單側的空調組件功能不可用，出現的運行限制較多。在滿足相應條件情況下，可以維持正常航班運行。飛行航路必須保持60min 內有合適的可著陸機場；同時，空調運行降級，巡航座艙高度可能增加到8000ft，會出現客艙空氣系統達不到目標客艙溫度和通風速率的情況。

3）當出現兩個CAC 不工作且設備冷卻系統在超控方式，或者3 個CAC不工作、飛機高度受限、出現“PACK ALTITUDE LIMIT”故障信息、駕駛艙伴隨“嘟嘟”警告音時，如果飛機高度在35000ft 以上，機組需要下降到35000ft 或以下，保持高度不高于35000ft。機艙溫度可能比正常情況高一些。

2.2 CAC 故障對航空器運行的安全性和舒適性的影響分析

綜上所述，由于空調增壓系統采用的是四余度系統，4 個CAC 中一個出現故障對于飛機安全無較大影響，仍可維持航空器的適航性。但是，隨著航空旅游業的不斷發展，加之旅客對高舒適性需求的追求，導致CAC 故障對航空運行品質的影響十分顯著[2]，主要體現在以下幾點。

1）旅客易疲勞。由于787 寬體客機一般運行長遠程航線，較高的座艙高度易使旅客產生壓耳、缺氧、意識不清晰等不適癥狀，長時間的航班運行更易使旅客疲勞，對航空運行品質不利。

2）不舒適。機上客艙溫度難以調節到一個舒適的范圍內，對旅客的體感會造成一定的影響。

3）無娛樂。為了降低客艙產熱，關閉了機上娛樂系統，以維持航空器客艙空氣系統調溫的正常運作，大大降低了長、遠程航線旅客的旅行體驗，使航空旅行變得乏味單調，在現今競爭激烈的航空市場條件下易造成客戶流失。

3 CAC 故障模式分析

根據航司波音787 飛機機隊健康監控報告，還有多份歷史CAC 部件返廠維修報告，通過數據分析和對比發現，導致CAC 不能正常工作的故障模式可以歸納為5 類，如圖3 所示。

圖3 CAC故障模式

3.1 CAC 工作時氣流不穩定造成喘振

由于壓縮機是根據設計點的氣動參數進行設計的，當工作在非既定狀態時，各級的速度三角形和設計點不同，即非設計狀態點的參數與壓縮機的幾何形狀不協調，這時各級流量系數與設計值不相符，將造成氣流攻角過大或過小，產生喘振或堵塞。

CAC 目前設計的防喘主要措施有兩種。

1）提供放氣通道。CAC 側端安裝有Add heat valve（AHV）加熱活門，在高空中通過加熱CAC 進口空氣提高其溫度來提高進口的空氣工作系數，同時在發生CAC 發生喘振時可以旁通CAC，為防喘提供備用控制。

2）調整可調擴散器葉片。該葉片安裝在CAC 靜子葉片處，通過一個Variable Diffuser Actuator 進行推動，以改變靜子葉片的安裝角。

在CAC 工作中，可調擴散器葉片是主要的防喘措施，其由PCU 控制，進行有效防喘。當可調擴散器葉片失效無法正常工作時，加熱活門為CAC 的防喘提供了一個備用控制。以上兩種措施可以有效保障波音787 客艙空氣系統的正常運行，但是，CAC 喘振仍時有發生。

3.2 CAC 硬件缺陷

波音787 飛機投入運行后，特別是自2013 年以來，世界機隊不斷發現即使飛機在狀態正常的情況下仍然會發生客艙空氣壓縮機喘振或故障的情況。對此，CAC 的部件生產廠商柯林斯航天工業公司（Collins Aerospace）聯合波音公司多次通過服務通告（SB）的形式，就硬件改進、系統操作、飛機維護建議三個方面給出改進措施。經過調查，結合相關技術通告文件，發現現有的CAC仍存在一定的設計缺陷。航空公司應不斷跟進CAC部件廠家的設計更新情況，采購最新型的CAC部件進行裝機運行。目前，發現的設計問題主要有以下幾類。

1）CAC 葉片磨損

因CAC 本身設計原因，空調組件運行中會發生CAC 葉片磨損情況。當CAC 葉片出現損傷后，CAC 壓縮機出口壓力會突然下降，造成外界空氣無法及時從出口排除，使壓縮機葉輪流動通道形成時堵時通的情況，增大了產生喘振的概率。且因CAC 設計出廠時的喘振裕度參數并不是很高，較低的喘振裕度使CAC 參數在發生不穩定的變化時很容易達到其設計的最低允許值，導致氣流及葉片產生低頻率的振動，形成喘振。

2）CAC/軸承過熱

一項關鍵發現表明，定子高溫可能是CAC 損傷的一個根本原因。高溫不僅降低了定子的絕緣性能，導致短路，而且由于不可接受的熱負載和電機相位不平衡，定子故障還會蔓延到徑向軸承，導致軸承上的過大負載。

高溫還會使徑向軸承O 型圈密封中的壓縮永久變形，從而降低徑向軸承的保持力和承載能力。O 型圈失效被認為是軸承的主要失效模式，而外部動態載荷多變是導致失效的另一個誘因[4]。

3）線路或傳感器布局

因設計原因，CAC 馬達靜子電路布局不合理導致電路經常發生短路、斷路、過熱，甚至燒穿CAC 殼體的事故時有發生，這些情況都會引起CAC 結構部件的故障。同時，傳感器位置設計也不盡合理。有的傳感器位置暴露，沒有必要的保護，在特定條件下（如壓力傳感器口堵塞時）無法準確反饋數據，導致CAC 本體溫度過高無法正常工作。

4）馬達/馬達靜子性能衰退

根據返廠維修時廠家提供的數據和故障返修報告，波音787 飛機CAC 的故障主要來自于特定運行情況下因低熱裕度造成的馬達靜子衰退。為此，需要采取一定的措施，盡量減少CAC 在地面的低熱裕度運轉。

另外，之前的調查發現CAC 本體損壞的第二大原因是馬達失效。對此，柯林斯公司推出了安裝Arnon 5 定子的方法，以期進一步提升馬達的可靠性。

3.3 CAC 軟件缺陷

CAC 的主要控制軟件在PCU 中。PCU 作為空調組件工作的大腦，在機隊運行中仍存在需要提升的地方，通過協調和更正邏輯關系來控制CAC 合理高效地工作。根據目前情況分析得出，位于同一側空調組件的兩個壓縮機同時運轉時，PCU 才能發揮應有的作用，對壓縮機工作發生的喘振進行監控。而當只有一個壓縮機工作時，則無法進行監控。

只有一個壓縮機工作時，壓縮機工作參數（如出口溫度、進口壓力、流量等）發生變化，空調控制組件無法及時調節控制CAC 轉速和CAC 壓縮機擴壓器的調節開度，導致CAC 流量降低到相同轉速下工作穩定區內的喘振流量，從而造成喘振，并在喘振故障發生后無法提供及時有效的保護，進一步導致CAC損壞。這是屬于PCU 軟件本身設計的邏輯問題。在實際商業航班運行中，確實存在因為軟件與硬件未能有效配合而導致故障發生的案例。

4 預防CAC 不工作故障的管控措施

上述CAC 的故障數據表明，排在第1 位的是CAC 喘振導致的故障，發生概率為47.89%；排在第2 位的是飛機CAC 供電控制相關故障，其中大部分是由于CMSC 故障或本身冷卻不足導致的工作卸載。綜合考慮季節性和國內區域性的分布特點，相關通風口/進氣口堵塞對于CAC 故障發生的影響較大。在這些研究分析的基礎上，考慮建立預防CAC 不工作故障的管控機制，以期不斷提升旅客滿意度。

4.1 防喘

4.1.1 地域性管控

針對波音787 飛機在北方地區春/冬季沙塵季節以及飄絮期易發生CAC進氣口被柳絮/沙塵堵塞的問題，北方地區維護人員需在飄絮期間確保飛機盡可能地減少柳絮吸入。航后、航前、過站保障期間應注意是否有外來物進入CAC 進氣口，視情安裝薄膜等封堵物品進行適當保護。

4.1.2 季節性管控

綜合分析波音787 機隊的CAC 故障時間，發現故障具有一定的季節性特點，夏季空調運轉功率高，冬春季節易吸入空氣中的外來物（如飄絮、沙塵等）。航司在波音787 機隊地面運行/維護時應盡可能地使用地面空調，降低CAC 地面工作的頻次。對于運行中的波音787 飛機，持續下發空調性能數據采集工作，以監控機隊的CAC 故障情況。

在CAC 故障高發期，針對飛機狀態監控系統中出現的關于CAC的警示，應及時安排對CAC部件本體（如葉片等）進行充分檢查，保證CAC工作狀態良好。4.1.3 提升客艙空調溫度控制系統除水設計和氣路檢查實際維護工作中發現多起因客艙空調溫度控制系統（CACTCS）中部件損傷，如ACM 結冰、相關部件漏氣等導致的CAC 喘振。

在硬件方面，最初為確保CACTCS管道最低處沒有積水，波音公司對CACTCS 的后總管排水孔實施了改裝，可以更好地減少ACM結冰情況的發生。在日常維護方面，航空公司維修工程部門可以有計劃地下發CACTCS 除水和氣路檢查工作，以便在日常維護過程中執行CAC 的運轉測試。檢查CAC 部件的出氣口、排水口等有無堵塞，根據飛機的實際維護情況適當進行疏通。

4.1.4 改善運行階段空調使用方式

在日常運行中，機組成員和乘務人員可以從以下幾個方面對空調系統的運行進行前置保護。

1）通過客艙服務面板將旅客（含機組）人數手動設定到 318 人或更多（如果機艙內有超過 318 名旅客，則使用實際旅客人數）。軟件的邏輯控制將根據數據提升CAC 的使用可靠性。

2）在飛機地面運行時，同時將兩個空調組件設置在AUTO 位，這可以讓客艙空調系統和溫度控制系統根據系統邏輯進行配置，有助于防止機載設備溫度升高。此外，在外部電源操作期間，Ground Test Switch 電門應處于NORMAL 位。如 果 不 在NORMAL 狀態，CAC 馬達冷卻性能可能會降低，影響CAC 壽命。

3）當出現組件降級信息時，應安排對污染的散熱器的清潔和維護工作[5]。

4）當使用兩個外部電源時，不允許進行CAC 操作測試，必須在使用三個外部電源或接外部氣源的條件下進行。

4.2 提升CAC 供電正常率

4.2.1 提升PECS 冷卻系統正常率

1）在CAC 故障高發季節，有計劃地推進主次級和PECS 散熱器在位/離位清理程序，借助波音公司的飛機監控軟件，合理關注機隊散熱器的清洗頻次并建立預警機制，可以有效控制和維持PECS 的散熱能力，降低其散熱效率，減少其對飛機整體系統的影響。

2）研發散熱器（包括主次級散熱器和PECS 散熱器）運行中的更換程序和清潔程序，減少飛機的停場時間和人力，及時恢復整體冷卻系統（ICS）和客艙空氣系統（CAS）的性能。

4.2.2 提升CMSC 硬/軟件性能

由于CAC 供電邏輯處于CMSC 選擇的最低位，當出現CAC 正常狀態下不工作情況時，需要考慮是否與CMSC 供電邏輯有關。可以聯系生產廠家改進CMSC軟件設計邏輯，減少因邏輯供電問題出現的不必要的CAC 故障相關信息。

加強針對CMSC 部件裝機時間的控制和跟蹤，合理控制機隊裝機時間，有效減少因CMSC 故障導致觸發CAC 相關信息的頻次，有效提升旅客舒適度。

4.3 改進CAC 硬件設計

根據CAC 機隊故障歷史數據，CAC 進口加熱組件和CAC 進口溫度傳感器失效的故障率合計為12.96%，約占1/8。有效改進CAC 的溫度傳感器和加熱器位置，可以減少其被堵塞而導致故障的情況。

根據最新的設計，在受飄絮以及PM2.5 顆粒影響嚴重的情況下，在全機隊范圍內推廣安裝新構型的CAC 壓力傳感器J-Tube，可以提高客艙空氣壓縮機的運行可靠性，避免因不間斷的喘振導致潛在的客艙空氣壓縮機進口發生過熱或損傷。

同時，針對低熱裕度狀態下的CAC運轉易對部件馬達靜子造成損傷和性能衰退的情況，當飛機在地面運行或維護時，應采取有效措施規避不適當的CAC使用方法。

4.4 改進PCU 軟件設計

PCU 軟件的邏輯問題可以通過軟件升級解決。應積極向波音公司進行反饋，根據故障現象和機載維護系統給出的故障提示，核實軟件邏輯是否存在問題，并要求廠家和波音公司針對性地對軟件進行改進和升級。

目前，升級軟件經常會造成另外一些問題。例如，根據最新通報的波音更新 的《MOM-MOM-21-0006-01B》[6]，787 飛機在PCU 軟件升級至Y201 版本后，21 PCU OPS 軟件號變為HAM57-21PC-2010。當發動機啟動完畢后，PACK L 和PACK R 信息會出現大約20s，然后自動消失，這是正常現象，可以不執行相關維護措施，但可能對飛行員造成一定的干擾。

5 總結

鑒于波音787 飛機的特殊性，針對客艙空氣壓縮機故障情況，綜合考慮多個飛機系統，從電源系統、軟件構型、環境因素等多方面、多維度地進行分析，結合實際機隊運行數據和故障現象，分析了可能的故障原因，提出了相關的解決方法，填補了這方面的空白。希望本文有助于機務維修人員更加全面地了解客艙空氣系統的工作情況，從而在實際工作中做好預防性維護工作，進一步提高飛機環境控制系統的可靠性，在今后發生相關故障時可以及時進行維修或提出相關實用性建議，保證飛機的高品質運行。