基于波音787 飛機電子冷卻系統的空氣濾芯動態監控手段

■ 梁劍武 梁偉杰/中國南方航空股份有限公司工程技術分公司

0 引言

隨著航空器綜合航電技術的不斷發展，飛機航電系統集成化程度進一步提高，尤其以波音787 和空客A350 為代表的機型大量采用集成模塊化計算機，涵蓋了飛機大部分系統，飛機攜帶的電子設備種類和數量達到前所未有的水平，這也使航電設備的發熱量越來越大，相應的防護要求越來越高，電子設備的散熱問題日顯突出。由于電子設備冷卻系統跟不上航電技術的發展速度，飛機仍采用風冷散熱方式對電子設備艙進行冷卻，導致設備冷卻系統內部的空氣濾芯的污染程度直接影響冷卻效率，需定期更換空氣濾芯才能確保航電系統的可靠性。

本文基于波音787 飛機遠程診斷系統，建立空氣濾芯污染狀況監控系統，通過設定相關參數標準，判定濾芯污染程度，找到最優的濾芯更換時間點，在保證航電系統可靠性的同時提高濾芯更換的合理性。

1 飛機設備冷卻系統空氣濾芯基本作用

民用飛機電子設備的冷卻主要通過飛機設備冷卻系統實現，一般采用風冷卻方式，即采用自帶風機通過供氣管抽取空氣流經電子設備將熱量排出機外。在此過程中，空氣中的顆粒（如雜質、灰塵、粉塵等）會隨空氣進入電子設備艙，同時，電子設備工作時產生的大量靜電會引起灰塵積聚，造成電子設備散熱不暢，還會影響各模塊板卡的接觸，甚至加速電路板的腐蝕，因此，在飛機冷卻系統管路進口處設有微米級空氣濾芯以避免上述情況的發生。以波音787飛機為例，空氣濾芯精度達到50μm 標準（見圖1）。

圖1 波音787飛機空氣濾芯

當空氣濾芯被污染到一定程度（見圖2），將影響氣流進入供氣管路，進而影響通風冷卻效果，空氣顆粒的過濾效果也會下降。因此，飛機需要定期更換空氣濾芯，以保證設備冷卻系統的工作效率。

圖2 受污染的空氣濾芯

2 空氣濾芯更換間隔周期的設置

波音公司要求787 飛機以每8000FH 間隔更換空氣濾芯，廠家反饋該更換間隔標準是基于美國空氣質量而制定，即基于美國本土或美歐航線的長期航行數據得出。中國空氣質量總體遜于歐洲和北美地區，美國的PM2.5 標準更嚴格，例如，PM2.5日均濃度值35 ～75μg/m3，按中國標準為良，按美國標準為中度污染（見表1）。因此，不能把波音公司提供的更換標準直接套用于中國運行的飛機。

表1 中美空氣污染標準對比

由于前期沒有數據樣本，我司通過現場抽樣記錄以及借鑒其他機型的操作情況，以“一刀切”的方式將更換空氣濾芯的間隔設置為4000FH（波音標準的一半）。后續通過多次抽樣、分析、調整，但均無法找到恰當的更換周期間隔，原因是我司787 飛機為多地運行，涵蓋廣州、新疆、北京、武漢等城市，因各城市的空氣質量不同，使得在相同運行周期內不同地域運行的飛機的空氣濾芯受污染程度不一樣，南方地區執管飛機的空氣濾芯污染情況普遍較輕。另外，抽樣發現空氣濾芯的污染狀況與航路有關，我司機隊的運行情況是787-8飛機通常執行國內航線，787-9 飛機通常執行國際航線，在相同的運行周期內787-9 飛機的空氣濾芯污染程度較輕。因此，有必要對波音787 飛機冷卻系統空氣濾芯污染程度引入動態監控的方式。

3 監控系統合理性分析

飛機設備冷卻系統（見圖3）是指對電子設備架上的電子設備進行冷卻的裝置，還包括對駕駛艙的面板及主儀表板的冷卻。波音787 飛機裝有前設備冷卻系統和后設備冷卻系統，系統基本組成相同，包括冷卻供氣管路和冷卻排氣管路，主要功能元件為供氣/排氣風扇、空氣流量傳感器和氣動排氣活門。在設備冷卻系統中，流量傳感器用于探測管道冷卻空氣流量變化，可側面反映出空氣濾芯的堵塞情況。

圖3 飛機冷卻系統

抽樣選取一架787-8 飛機和一架787-9 飛機的前設備冷卻系統管道空氣流量值的三年動態數據（見圖4），得出的數據和理論相符。空氣濾芯隨著使用時間發生堵塞，管道中的空氣流速下降，當冷卻空氣流量不足時，流量傳感器將觸發警告，更換新的空氣濾芯后，管道內流速恢復高位值。因此，可通過監控設備冷卻系統中空氣流量傳感器的流量值參數來判斷空氣濾芯的堵塞情況，進而更換空氣濾芯，實現動態管理。

圖4 電子設備艙管道空氣流量值與濾芯使用時間的關系

4 設定設備冷卻系統流量傳感器的門限值

波音787 飛機的系統參數儲存在飛機狀態監控系統（ACMS）中，經查詢，設備冷卻系統的流量傳感器參數位于AHM-340 Report 報表。統計2015 ～2020 年間我司波音787 機隊前設備冷卻系統進氣管道流量傳感器參數值，以此為樣本建立數據庫模型（見圖5），計算流量參數的最低值、最大值和平均值，分別為28ppm、62ppm、46ppm。根據波音公司提供的冷卻系統空氣流量設置門限表（見圖6），隨著客艙壓力的升高，空氣流量門限值也升高，當客艙壓力為15psi 且客艙溫度在15℃時，流量閾值位于26 ～27ppm 之間。另外，我司從運行787 飛機以來，從未發生過因濾網堵塞而導致的設備冷卻系統流量低警報。因此，結合我司運行數據和波音提供的設置參數，將前設備冷卻系統流量的門限值設置在28psi 較為合理。

圖5 前設備冷卻系統進氣管道流量傳感器參數

圖6 前冷卻系統空氣流量設置門限表

5 結束語

目前國內各民用航空公司運營的飛機以歐美生產的空客、波音飛機為主，占我國民用飛機數量近90%，但原廠制定的方案多基于該國本土情況考慮，我國航司不宜照搬，而是應制定適合自身的方案。本文以設備冷卻系統為案例，對空氣濾網堵塞情況進行統計分析，獲取最佳的濾芯更換時間點。每個機型上都有許多類似的空氣濾網，均可采用此方法建立濾芯的動態監控系統，對濾芯的運行數據進行記錄，繪制出其流量值/飛行小時圖表以及其正態分布圖，找出飛機空氣濾芯對應的最佳更換周期。

本方法可推廣至每個機型/型號飛機的空氣濾網中，基于飛機系統對維修方案進行優化，以科學的監控手段減少盲目更換濾芯，減少不必要的更換工時，最終達到降低航空公司的運營成本的目的。