A320 系列飛行數據記錄器工作原理淺析

■ 冷宇嘉 馮琦 李振江/北京飛機維修工程有限公司

1 飛行數據記錄器簡介

飛行數據記錄器（FDR）是記錄飛行狀態、操縱狀態，以及與航空器、發動機有關信息的機載自動記錄裝置，具有一定的抗沖擊、耐高溫、抗化學腐蝕的保護能力，以在飛機發生飛行事故后獲取所記錄的數據。FDR 的設計必須符合適航當局（民航監管機構）的強制性記錄要求，使運營商能夠履行法規規定的運營人職責，如EU-OPS（JAR-OPS）、FAR121.344 和其他國家法規[1]。

早在20 世紀40 年代世界各國已先后開始飛行數據記錄器的研制工作，50 年代時多國將其列為飛機的必選設備[2]。1957年，美國民用航空署（CAA）要求從1958 年7 月1 日起，質量大于5670kg（12500lb）、 飛 行 高 度 大 于7620m（25000ft）的運輸機必須裝備飛行數據記錄器，飛行數據記錄器由此正式在飛機上裝備使用[3]。中國民用航空局也在CCAR-91 部中明確了對于FDR 的具體要求。FDR 從最初只能記錄高度、空速、航向、垂直加速度和時間等5 個參數發展到記錄更多的參數種類，記錄介質也從最初的膠片、鋼帶、磁帶發展到固態存儲器（SSFDR）。各OEM 廠家以及各國局方都制定了關于飛行數據記錄的參數標準[4]，對FDR 在航空器墜毀后的幸存防護標準則從TSO C-51 逐步提高到TSO C-124c。中國民航局頒發的FDR 的標準規定CTSO C-124c 于2016年8 月4 日正式生效，規定了FDR 為獲得批準和使用適用的CTSO 標記進行標識所必須滿足的最低性能標準。FDR的用途已從發生特殊事故時的調查擴展到飛機維護保障和對飛行員飛行駕駛技術的考核評估。

2 A320 系列飛行數據記錄系統

2.1 DFDRS 系統概述

A320 系列飛機上的飛行數據記錄器也被稱為SSFDR（固態飛行數據記錄器），屬于DFDRS 系統（數字式飛行數據記錄系統）的一部分。在較新的A320 系列機型中，對飛機系統數據的搜集、記錄以及各種數據報文的生成、管理等功能進行了綜合，主要由飛行數據接口管理組件（FDIMU）進行控制（包含FDIU 和DMU 兩個部分）。因此，在DFDRS 系統中，作為核心部件的FDIU（飛行數據接口組件）接收和處理來自飛機系統的各種數據信息，并對采集到的信息進行格式轉換后傳輸給SSFDR 用于強制的數據存儲。同時，CFDIU（集中式故障顯示接口組件）也與FDIU 相連，用于系統測試和故障數據采集。SSFDR 是固態的飛機數據存儲設備，可存儲FDIU 收集的最近25h 的飛行系統數據，SSFDR 記錄以FIFO（先進先出）方式管理（一旦達到完整的記錄自主權，最老的數據將被覆蓋）。因此，發生特殊事件后，通常第一時間要求拆下數據記錄器下載飛行數據并解析，以防止數據被覆蓋。DFDRS 系統與其他輔助設備也存在關聯，例如，線性加速度計（LA）用于測量飛機在3 個軸向的加速度，通過SDAC（數據采集集中器）的模數轉換后，將信息發送給FDIU。圖1 為DFDRS 系統概圖，其中“DFDR event”電門位于駕駛艙頭頂板區域，用于對飛行員某時刻存儲在SSFDR 內的飛行數據進行事件標記[5]。

圖1 DFDRS系統概圖

SSFDR 的記錄配置和記錄參數的精度取決于以下因素：

1）飛機型號；

2）選擇安裝的記錄設備（FDIU 的硬件和軟件構型，SSFDR 的硬件和軟件構型）；

3）源系統接口與精確的飛機接線配置；

4）飛機上程序銷釘設置的選擇（如每秒64、128、256、1024 字節）。

在A320 飛機上可以進行以下記錄構型的配置：

1）64WPS（每秒字數）配置；

2）128WPS 配置；

3）256WPS 配置；

4）1024WPS配置（源自新的法規要求，即FAR 修正案25-124 和121-338《修改對語音記錄器和飛行數據記錄器的規定》）。

2.2 SSFDR 的工作邏輯

SSFDR 的記錄通過啟動和停止供電繼電器進行邏輯控制，該邏輯基于數個輸入信號，包括直接的發動機控制以及空/地信息（供電內鎖環路邏輯）。

當飛機處于以下條件之一時，SSFDR 自動進行數據記錄（需保證匯流條提供115V 交流電源）：

1）飛行中，發動機運行或停止；

2）地面上至少有一個發動機在運轉；

3）在飛機電力網絡通電后的前5min；

4）在發動機最后一次關閉后5min 且在地面。

在A320 系 列飛機上，用于控制SSFDR 的 啟 動/ 停止邏輯的發動機控制信號可通過繼電器12KS1 和12KS2 獲得，這兩個繼電器分別由EIU1 和EIU2 提 供 控制指令（由1 發和2發分別提供與滑油低壓OIL LOW PRESS 對地的GND 有關的信號，即發動機是否給出滑油低壓力的信號）。這一信號的觸發在A320 系列飛機不同選型的發動機之間存在差異。例如，A320 系列的IAE 發動機上為60psi，而CFM 發動機為13psi。因此，當發動機第一次啟動且轉速N1 和N2 達到一定閾值（N1 為15%，N2 為40%），才開始激活SSFDR 的數據記錄。

另一種記錄方式是人工激活，即飛機在地面時所有發動機停止工作（此時飛機由APU 或外部電源供電），機組或地面人員可以通過使用RCDR/GND CTL 電門，激活供電內鎖環路繼電器，使SSFDR 開始飛行數據的存儲。

3 SSFDR 供電邏輯介紹

由于SSFDR 和各輔助系統的正常工作需要連接到飛機供電系統的各個電源匯流條，在分析SSFDR 工作原理時需分析飛機電源系統的供電邏輯。

3.1 飛機系統供電

A320 系列飛機的供電系統包括一個三相115V/400Hz 恒頻交流供電系統和一個28V 直流供電系統。在正常狀態下，電源系統由2 臺發動機的發電機和1 臺APU 發電機組成。由于A320 系列飛機供電網絡為非并聯供電，每臺發電機均可為所有電氣匯流條提供交流電源，如果正常的交流電源不可用，一臺應急發電機可提供交流電源。當飛機處于地面時，外接電源可連入飛機供電網絡進行供電，如圖2 所示。

圖2 飛機供電網絡

在正常狀態下，1 發的IDG 負責對主交流匯流條AC BUS 1、交流重要匯流條AC ESS BUS 以及交流可卸載重要匯流條AC SHEDDABLE ESSENTIAL BUS供電，2 發負責主交流匯流條AC BUS 2的供電，APU 發電機作為備用供電。

供電網絡的電源選擇優先級依次為：本側發動機的發電機；外部電源（飛機在地面時）；APU 發電機；對側發動機的發電機。

各個發電機通過主交流匯流條AC BUS 1 和AC BUS 2 來覆蓋所有的飛機系統用戶的供電網絡。AC BUS 1 和AC BUS 2 的供電源選擇通過匯流條連接接觸器BTC 1 和2 對供電網絡進行控制，以便當任一發電機失效時可由另一臺發電機或APU 發電機對AC BUS 1 和AC BUS 2 供電。在駕駛艙頭頂板的電源面板區域設有一個BUS TIE 電門，該電門負責對BTC 1 和2 進行控制。正常情況下BUS TIE 電門處于按入位置（AUTO位），可自動根據電源網絡的供電情況控制BTC 1 和BTC 2 的閉合或斷開。

例如，當2 發的發電機失效，只有1 發工作時，BUS TIE 電門會自動通過相應繼電器控制BTC 1 和BTC 2 閉合，將1 發發電機的電源供給到AC BUS 2。若2 發的發電機失效時1 發和APU 發電機均在工作，BUS TIE 電門會自動控制BTC 1 斷開，BTC 2 閉合，此時AC BUS 1 由1 發供電，AC BUS 2 由APU供電。1 發失效時的供電邏輯同理。

A320 系列飛機供電系統中還包含應急發電機，可在緊急情況下為飛機的重要系統供電。但由于應急發電機僅在其他發電機系統都失效時才能工作，且只為交流重要匯流條AC ESS BUS 和DC ESS BUS 供電，因此當雙發發電機及APU 發電機均失效的情況下，飛機的供電網絡中只有與AC ESS BUS 和DC ESS BUS 關聯的系統用戶才能獲得供電，其他匯流條的網絡用戶（如僅與AC BUS 1 或AC BUS 2 連接的系統用戶）均無法獲得供電。

3.2 DFDRS 系統供電

FDIU 的主硬件FDIMU 是通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 同樣通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 的工作邏輯受到供電內鎖環路（power-interlock）的控制。供電內鎖環路的控制繼電器通過直流重要匯流條DC ESS BUS 提供28VDC 電源，如圖3 所示。

圖3 DFDRS供電圖

4 SSFDR 工作原理總結

4.1 DFDR 系統的工作供電邏輯分析

通過對SSFDR 的供電分析可以看出，SSFDR 與FDIMU 的工作電源均由交流匯流條202XP 提供。而202XP 匯流條屬于AC BUS 2 的匯流條用戶，因此202XP 的供電情況與AC BUS 2 存在直接關聯。

供電內鎖環路的電源來自401PP，直接與DC ESS BUS連接，可通過AC BUS 1、AC BUS 2 或應急供電網絡進行供電。

4.2 總結

通過對DFDRS 系統供電邏輯分析可知，SSFDR 正常存儲飛機數據的工作條件如下：

1）DC ESS BUS 需正常供電，供電內鎖環路繼電器正常工作，以確保SSFDR 的工作邏輯正常；

2）202XP 匯流條需正常供電，以保證FDIMU和SSFDR硬件的正常工作；

3）雙發發電機及APU 發電機至少有一個正常工作，可為AC BUS 2 匯流條供電，以此保證202XP 匯流條供電正常。

綜上，當雙發發電機及APU 發電機中至少有一個正常工作時，可確保SSFDR 正常記錄飛機數據；當處于特殊緊急情況，如雙發發電機及APU 發電機均無法正常工作時，雖然DC ESS BUS 仍可通過應急發電機正常供電，供電內鎖環路工作邏輯正常，但AC BUS 2 已無法正常工作為202XP 匯流條供電，SSFDR 與FDIMU 均無法工作。

因此，雖然FDR 對于飛行事故的事后分析與甄別具有重要意義，通常情況下即匯流條保證115V 交流電時能夠正常完成飛機數據記錄與保存，但在極特殊情況如飛機供電嚴重缺失時，FDR將無法進行正常的數據保存，無法保證飛行數據的完整記錄。