針對空客機型客艙增壓異常的數(shù)據(jù)監(jiān)控研究

■ 茍俊哲 趙紅華 程偉/東方航空技術有限公司

1 客艙增壓系統(tǒng)原理

現(xiàn)代民航客機大多在高空飛行，隨著飛行高度的增加氣壓將逐漸降低，高度超過7000 ～8000m 后人體將因缺氧、低壓感到明顯不適，為了向乘客提供適宜的大氣環(huán)境，一般將客艙內的壓力調節(jié)到約與2500m左右的外界環(huán)境大氣壓力相同，該過程主要通過客艙壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

整個增壓過程中，飛機引氣系統(tǒng)的高溫高壓引氣通過空調系統(tǒng)PACK 組件冷卻后給客艙供氣，客艙壓力控制計算機（CPC）控制外流活門給客艙放氣，相互配合維持客艙壓力和客艙高度平衡穩(wěn)定。圖1 所示為客艙增壓系統(tǒng)駕駛艙示意圖，其中安全活門為保護開關，電子設備艙通風系統(tǒng)的入口和出口也與增壓系統(tǒng)相關，在地面溫度較高的情況下保持在全開位，飛機起飛后關閉。

圖1 客艙增壓系統(tǒng)駕駛艙示意圖

從客艙增壓系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，結合航空公司在實際運行中發(fā)現(xiàn)的問題，導致客艙壓力不穩(wěn)定的原因除了控制計算機本身故障外，還有部件漏氣和氣源無法正常增壓兩方面原因。涉及漏氣部分包括電子艙通風系統(tǒng)的蒙皮出口活門、空調系統(tǒng)的波紋管破損、外流活門異常開關等，涉及增壓部分包括雙空調系統(tǒng)故障、雙引氣系統(tǒng)故障等。

2 典型故障案例和監(jiān)控

2.1 電子艙蒙皮出口活門故障案例和監(jiān)控

案例一：2015 年1 月26 日，B-67XX（A320-214）飛機執(zhí)行合肥-北京航班，空中出現(xiàn)電子艙通風警告，顯示蒙皮出口活門故障，座艙壓力無法保持，機組返航合肥，地面更換蒙皮出口活門測試正常，航班延誤180min。更換蒙皮出口活門后監(jiān)控正常。

案例二：2016 年3 月22 日，B-65XX（A320-232）飛機執(zhí)行贛州-上海航班，起飛后機組反映客艙壓力無法保持，遠程監(jiān)控顯示電子艙蒙皮出口活門指示XX，飛機返航贛州。地面檢查確認蒙皮出口活門卡在開位。按MEL 將蒙皮出口活門鎖在關位，打開小門后放行，航班最終因機組超時取消。更換蒙皮出口活門后監(jiān)控正常。

A320 電子艙通風系統(tǒng)用于冷卻電子艙計算機設備，蒙皮出口活門作為電子艙通風系統(tǒng)的一個重要部件，處于整個電子艙通風系統(tǒng)的下游，作用是將電子艙通風系統(tǒng)中產生的熱氣排出。按照設計邏輯，如果起飛前蒙皮出口活門為打開狀態(tài)，在開始起飛階段將逐步關閉，如果未能在規(guī)定時間內完成關閉，卡阻在一個比較大的角度，飛機客艙將會出現(xiàn)不平衡的漏氣，導致客艙壓力無法正常建立。過去三年中，A320 機隊電子艙通風系統(tǒng)故障共造成近50 起不正常事件，其中包含10 起返航、備降事件，多為蒙皮出口活門無法正常關閉。根據(jù)從2019 年對飛機蒙皮活門故障開展的預測性維修研究，活門在起飛和著陸階段會根據(jù)外界的溫度特點進行自動開關，因此，本文通過計算蒙皮出口活門作動時長和進出口活門的同步性，同時去除推力影響和大氣溫度等外界因素，通過趨勢監(jiān)控實現(xiàn)了活門故障前的預警，在運行實踐中已發(fā)現(xiàn)多起故障隱患。蒙皮活門監(jiān)控實例如圖2 所示。

圖2 A320機型蒙皮出口活門監(jiān)控實例

2.2 外流活門的案例和監(jiān)控

案例：2020 年3 月B-24XX（A320-214）飛機陸續(xù)反映落地階段客艙壓力有短時波動，外流活門無法全部打開。

外流活門作為客艙增壓系統(tǒng)的重要組成和作動部件，根據(jù)CPC 指令來調節(jié)客艙壓力進行放氣，在巡航穩(wěn)定狀態(tài)下將保持在一個較穩(wěn)定的角度，在著陸階段起落架放下時，將逐漸打開至全開位。當外流活門出現(xiàn)卡阻或異常波動時，在起飛和著陸階段會出現(xiàn)作動時長異常或無法打開到全開位情況。根據(jù)統(tǒng)計，外流活門從空中狀態(tài)到全部打開，時長在60s 以內，如圖3 所示。對落地階段外流活門的作動時長進行跟蹤，可以找出外流活門作動存在缺陷的故障隱患。

圖3 A320機型外流活門落地階段打開時長統(tǒng)計

2.3 空調系統(tǒng)波紋管路破損導致客艙釋壓的案例和監(jiān)控

圖4 所示為兩個案例。其一：2019年11 月12 日，B-60XX（A330-343）飛機執(zhí)行深圳-虹橋航班，空中出現(xiàn)座艙高度咨詢信息，且座艙高度有正上升率，機組實施下降，在下降過程中出現(xiàn)座艙超限信息，飛機備降南昌。地面檢查發(fā)現(xiàn)空調艙內波紋管嚴重破損，更換波紋管后執(zhí)行航班監(jiān)控正常。其二：2019 年12 月18 日，B-24XX（A320-214）執(zhí)行常州-重慶航班，航前起飛后機組反映客艙高度上升快，機組申請低高度（8000m 降到5000m）并切換CPC 后確認客艙壓力可以保持，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)航班，落地重慶后停場排故，航班換機執(zhí)行。地面檢查發(fā)現(xiàn)客艙空調艙內波紋管嚴重破損，更換波紋管后執(zhí)行航班監(jiān)控正常。

圖4 空客機型空調系統(tǒng)波紋管破損實例

飛機在正常巡航過程中為了維持客艙壓力平衡，客艙壓力控制計算機（CPC）根據(jù)旅客的數(shù)量和其他需求，控制空調系統(tǒng)空氣流量的供給并控制外流活門開度。在空中穩(wěn)定狀態(tài)下，為了保持客艙壓力均衡，外流活門和空調系統(tǒng)流量供給互相配合，屬于正相關關系，而當二者相關關系在數(shù)據(jù)上出現(xiàn)偏離，則說明相應部件可能存在缺陷。在空調正常流量情況下，當外流活門開度變小或空調系統(tǒng)流量自動正常增大時，CPC計算機會控制外流活門到一個較小的角度以避免漏氣。這兩種情況都間接反映出客艙為了維持自身的壓力平衡需要進行調節(jié)，而超過一定程度的偏離則能反映出系統(tǒng)部件可能存在漏氣。

空客機型涉及漏氣的部件一般包括機體自身、外流活門、蒙皮出口活門、空調系統(tǒng)部件等，其中，空調系統(tǒng)波紋管路破損非常隱蔽，且管路破損惡化后易造成嚴重漏氣的客艙釋壓。結合系統(tǒng)工作原理，利用QAR 大數(shù)據(jù)分析工具，通過對20 余萬航班巡航穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，外流活門的開度穩(wěn)定在6°～14°之間，如圖5 所示。對比故障航班和檢查出問題的飛機數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當外流活門角度小于4°并持續(xù)一定時間時存在漏氣的可能。針對該現(xiàn)象制定監(jiān)控方案，重點檢查空調波紋管路，已在實際工作中發(fā)現(xiàn)了幾起波紋管路破損情況。該監(jiān)控方案已在機隊中推廣實施。

圖5 A320機型外流活門巡航段開度統(tǒng)計

2.4 空調引氣系統(tǒng)的案例和監(jiān)控

案 例：2017 年4 月7 日，B-64XX（A319-115）飛機執(zhí)行南昌-西安航班，起飛后雙發(fā)引氣超壓關斷，機組重置引氣電門無效，返航南昌。飛機停場排故，航班換機執(zhí)行，延誤385min。譯碼顯示飛機起飛滑跑階段N2 達到90%后，雙發(fā)引氣壓力同時迅速上升，最高超過120psi（引氣壓力大于57psi，持續(xù)時間超過15s，觸發(fā)警告，PRV 超壓關斷）。機組在ECAM 上確認故障并參考QRH重置雙發(fā)引氣電門，左發(fā)引氣重置后故障依舊，右發(fā)引氣在重置后正常，但右發(fā)推力增大后再次因超壓斷開，機組選擇返航。

作為客艙增壓的輸入氣源，飛機空調和引氣系統(tǒng)的故障直接決定了下游增壓的正常和穩(wěn)定性，在客艙釋壓的故障案例中，當失去氣源時，雙空調或雙引氣系統(tǒng)故障將導致客艙無法增壓。航空公司針對空調引氣系統(tǒng)制定了多種監(jiān)控方案，根據(jù)運行經驗，雙空調故障案例相對較少。針對空調系統(tǒng)，采取監(jiān)控空調出口溫度以提高客艙環(huán)境舒適度，可通過分析監(jiān)控空調系統(tǒng)的壓氣機出口溫度、空調流量等參數(shù)以發(fā)現(xiàn)散熱器堵塞、ACM 卡阻等故障隱患。另外，空調系統(tǒng)FCV 活門異常擺動也會造成供給空調系統(tǒng)的流量不斷變化，從而導致客艙壓力異常波動，因此特意加入了對空調PACK 組件流量波動的監(jiān)控。

針對引氣系統(tǒng)，從引氣失效的邏輯即超壓、超溫、低壓和低溫等方面入手，對引氣系統(tǒng)進行監(jiān)控，趨勢監(jiān)控如圖6、圖7 所示。根據(jù)運行經驗，引氣系統(tǒng)的失效集中體現(xiàn)在壓力部分。有別于引氣傳統(tǒng)使用的ACMS 實時報文，利用經二次處理后的QAR 數(shù)據(jù)，從引氣壓力波動、高壓頻率以及引氣壓力最大值等維度制定適合的監(jiān)控指標，對監(jiān)控指標進行趨勢比較，結果表明具有明顯的預測性效果，達到了提前發(fā)現(xiàn)故障隱患的目的。

圖6 某A320飛機引氣系統(tǒng)壓力異常故障趨勢監(jiān)控

圖7 某A320飛機引氣壓力波動趨勢監(jiān)控

2.5 監(jiān)控措施

根據(jù)客艙釋壓故障源的特點，采取了下列監(jiān)控措施：

1）針對電子艙蒙皮出口活門卡阻現(xiàn)象，在起飛和落地階段，根據(jù)時長和活門同步性特征制定監(jiān)控方案；

2）針對外流活門開關異常，在起飛和降落階段，對開關時間和開度進行監(jiān)控；

3）針對較隱蔽的空調系統(tǒng)波紋管路破損導致漏氣情況，由于破損嚴重時將導致供氣量不足，主要對外流活門異常變小和PACK 流量異常增加的情況進行監(jiān)控；

4）為避免空調引氣出現(xiàn)雙系統(tǒng)故障，分別對空調引氣系統(tǒng)制定監(jiān)控方案，對引氣的壓力、溫度、空調系統(tǒng)工作性能進行監(jiān)控；同時，對因空調流量和引氣壓力波動引起的客艙壓力波動進行專門監(jiān)控。

3 總結

客艙增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障將使旅客感覺不適甚至可能對飛行安全造成嚴重后果，發(fā)生故障后機組大多選擇快速下降高度或返航備降。東航機隊在客艙增壓系統(tǒng)故障排除工作中積累了一定運行經驗，以運行中出現(xiàn)的實際問題為導向，結合故障特點從不同的角度多管齊下，利用預測性維護方法取得了良好的效果，在工程實踐中已發(fā)現(xiàn)多起不同原因的故障隱患，客艙增壓涉及的故障呈明顯下降趨勢。