飛機座艙失壓模擬仿真研究

白 杰，陳希遠(yuǎn)，楊建忠，楊士斌

（中國民航大學(xué)a.航空工程學(xué)院；b.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

飛機座艙失壓模擬仿真研究

白 杰a，b，陳希遠(yuǎn)a，b，楊建忠a，b，楊士斌a，b

（中國民航大學(xué)a.航空工程學(xué)院；b.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

針對近年來頻發(fā)的飛機座艙環(huán)控系統(tǒng)飛行事故/事件，對國內(nèi)外發(fā)生的飛機座艙環(huán)境相關(guān)的飛行事故/事件進行了分析。分析表明，壓力控制子系統(tǒng)中壓力控制器部件失效是造成座艙壓力異常事故/事件最重要的原因?；赟imulink和AEMSim建立了環(huán)控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對一起典型壓力異常事故進行仿真復(fù)現(xiàn)，對事故中關(guān)鍵部件、關(guān)鍵參數(shù)及其風(fēng)險進行評估，為事故深入調(diào)查及預(yù)防提供了指導(dǎo)意義，也為環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計和維修提供了依據(jù)。

飛機座艙；事故分析；環(huán)控系統(tǒng)；壓力調(diào)節(jié)；事故仿真

為了在飛行時保證旅客和空勤人員正常生活和設(shè)備可靠工作，環(huán)境控制系統(tǒng)已成為先進飛行器必不可少的組成部分。特別是客機，艙內(nèi)舒適的溫度環(huán)境、合理的壓力、人耳無感覺的壓力變化率、清新的空氣和適宜的風(fēng)速，都已成為招徠旅客的重要條件[1]。

飛機客艙與房屋、辦公室的室內(nèi)環(huán)境有很多不同之處，如乘員密度高、乘員不能隨意離開、需要加壓等。在飛行過程中，乘員普遍暴露于低濕度、低氣壓，還可能接觸像臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、各種有機化學(xué)物（VOC）、生物制劑等污染物。此外，飛機座艙的環(huán)境也很脆弱，有時一些微小的故障或操作不當(dāng)都有可能引起飛機座艙環(huán)境的惡化，甚至發(fā)生安全事故或事件[2]。

國內(nèi)外對于飛機座艙環(huán)控系統(tǒng)的仿真已開展了許多研究[3-12]，主要是利用計算機仿真技術(shù)，對環(huán)控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)（空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、座艙壓力控制系統(tǒng)、座艙溫度控制系統(tǒng)等）進行建模仿真，通過仿真研究部件參數(shù)特性，以指導(dǎo)環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。然而關(guān)注座艙環(huán)境事故/事件的分析和研究卻很少。對事故模擬仿真能夠根據(jù)有限的信息對事故/事件的發(fā)生、發(fā)展進行復(fù)現(xiàn)，有效提高事故調(diào)查能力，找出事故原因，提出相應(yīng)的維修、設(shè)計或駕駛員訓(xùn)練建議，從而提高民航的安全性水平。本文在對所收集與座艙環(huán)境相關(guān)事故/事件數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，選取對座艙環(huán)境影響最大的事故/事件類型——座艙失壓作為研究對象，建立了事故模擬仿真模型，分析了事故/事件原因，研究關(guān)鍵部件的關(guān)鍵參數(shù)對事故/事件發(fā)展的影響，并提出了相應(yīng)的安全性建議。

1 座艙環(huán)境事故/事件分析

本文對近10年中國和美國發(fā)生的與飛機座艙環(huán)境相關(guān)的飛行事故/事件信息進行了搜集和整理，據(jù)不完全統(tǒng)計，共計399條信息，約75%數(shù)據(jù)來自國內(nèi)，約25%來自美國。其中143起并沒有出現(xiàn)明顯的座艙環(huán)境異?，F(xiàn)象，主要是因為事件發(fā)生時，座艙內(nèi)乘客并沒有出現(xiàn)不適感，飛行過程中也沒有出現(xiàn)任何異常，但是飛機駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)了告警信息，或在飛機航前或航后的檢查中發(fā)現(xiàn)部件損壞的情況。

剩余的256起事故/事件均對座艙內(nèi)的空氣環(huán)境造成了一定影響并使機組人員或乘客出現(xiàn)了不適。按照事故類型劃分，將256起事故/事件分為8類：壓力異常、溫度異常、煙霧或異味、起火、異響、CO2污染、VOC污染及O3污染，如圖1所示。

圖1 飛機環(huán)控系統(tǒng)飛行事故分類Fig.1 Classification of aircraft environmental control system accidents

從圖1可以看出，出現(xiàn)次數(shù)最多的事故為座艙內(nèi)壓力異常，達(dá)到了133起。因此有必要對座艙壓力異常事故進行進一步分析。

對座艙壓力異常事故/事件發(fā)生原因進行分析，結(jié)果如圖2所示：①“其他”主要指由于結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致，如飛機蒙皮破裂或一些部位出現(xiàn)裂紋。在由環(huán)控系統(tǒng)引起的壓力異常事件中，事件發(fā)生的主要原因又可細(xì)分為：壓力控制子系統(tǒng)失效、環(huán)控系統(tǒng)部件機械失效（系統(tǒng)中管路連接不嚴(yán)、短路以及人為因素等問題）、以及空氣分配子系統(tǒng)失效（主要由于空氣分配系統(tǒng)中通風(fēng)管道泄漏造成）3類；②壓力控制子系統(tǒng)失效導(dǎo)致的座艙內(nèi)壓力異常事件共有109起。在這109起事件中，主要原因有壓力控制器故障、釋壓活門故障及壓力指示系統(tǒng)故障3類，而其中出現(xiàn)頻率最高的失效部件為壓力控制器，出現(xiàn)的頻次達(dá)到了65起；③在壓力控制器失效造成的事件中，主要由CPC（座艙壓力控制器，cabin pressure controller）計算機故障引起，其次，壓力控制組件和外流活門故障也會在很大程度上對座艙內(nèi)壓力造成影響?？梢源_定，在座艙內(nèi)壓力異常的事故/事件中，壓力控制器及其子部件為該類安全事件的關(guān)鍵部件，接下來將對座艙壓力異常事件進行事故建模和仿真研究。

圖2 座艙內(nèi)壓力異常事故原因分析Fig.2 Reason analysis of abnormal pressure accidents in cabin

2 座艙調(diào)壓原理

為了對座艙壓力異常事件建模和仿真，本節(jié)將介紹座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理。飛機座艙的氣源來源于發(fā)動機壓氣機的高溫高壓引氣，供氣量為G供；座艙并不是完全密封的，有一部分氣體將從座艙泄漏到大氣中，漏氣量為G漏；座艙壓力控制器有主動向大氣排出氣體的作用，排氣量為G排。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，座艙空氣參數(shù)關(guān)系可表達(dá)為

其中：Pc為座艙內(nèi)空氣壓力；Vc為座艙容積為座艙空氣質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；Tc為座艙空氣絕對溫度。

在研究座艙壓力控制時，假設(shè)座艙溫度和容積保持不變，式（1）對時間t進行求導(dǎo)，可得座艙壓力變化的微分方程為

由式（2）可以看出，要保持座艙壓力不變，應(yīng)保持座艙供氣量等于排氣量與漏氣量之和，即G供=G排+ G漏。要控制座艙壓力升高，就需使得G供>G排+G漏。由于漏氣量不可控制，所以座艙壓力及壓力變化率應(yīng)通過控制供氣量G供和排氣量G排來實現(xiàn)。目前飛機上的座艙壓力調(diào)節(jié)通常采用不改變供氣量而改變排氣量的辦法來實現(xiàn)對座艙壓力控制。飛機壓力調(diào)節(jié)裝置通常由控制機構(gòu)和排氣活門兩部分構(gòu)成，當(dāng)座艙高度高于給定值時，控制機構(gòu)將調(diào)整排氣活門開度增加，使得G供G排+G漏，座艙內(nèi)壓力升高；當(dāng)座艙內(nèi)壓力等于給定值時，保持排氣活門開度不變。

現(xiàn)階段飛機座艙壓力控制系統(tǒng)主要由被控對象（座艙壓力）、驅(qū)動裝置（控制電機）、實現(xiàn)裝置（外流活門）和控制器（座艙壓力控制器）構(gòu)成。具體工作原理為座艙壓力控制器接受來自座艙壓力傳感器、大氣數(shù)據(jù)計算機及駕駛艙壓力控制面板的信號，通過內(nèi)部程序判斷飛機的飛行狀態(tài)，通過比較根據(jù)座艙壓力制度計算出的座艙壓力理想值與座艙壓力傳感器實測的座艙壓力實測值，得到偏差信號，控制器根據(jù)此偏差信號輸出電機電壓來驅(qū)動電機，外流活門根據(jù)此電壓輸出活門的開度來改變座艙排氣流量，以實現(xiàn)整個反饋回路對飛機座艙內(nèi)壓力值的控制。

3 座艙壓力控制系統(tǒng)建模

本文采用Simulink和AMESim仿真軟件共同完成座艙失壓事故模擬仿真。AMESim是一款多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件，可以利用其中豐富的跨學(xué)科元件庫建立期望的系統(tǒng)模型。首先根據(jù)座艙壓力控制系統(tǒng)工作原理，在Simulink中建立飛行座艙壓力控制系統(tǒng)簡化模型，進行仿真計算并對PID控制器參數(shù)進行調(diào)節(jié)，然后利用AMESim高精度元件庫進行建模，并仿真驗證座艙壓力控制系統(tǒng)，最后通過故障注入研究座艙失壓事故模擬仿真。建立的飛機座艙壓力控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 座艙壓力控制系統(tǒng)模型Fig.3 Model of cabin pressure control system

3.1 座艙壓力制度模型

在飛行高度0

其中：h為海拔高度；?為平均溫度直減率；Ph為高度h上的大氣壓力；P0為海平面上的大氣壓力；R為氣體常數(shù)，在各高度上值不變；g為重力加速度?？刂谱搲毫δ繕?biāo)值與飛行高度的關(guān)系為

其中：Pc即為座艙壓力的目標(biāo)值；m為增壓率；C為常數(shù)。飛機在近地面時，流阻為3 300 Pa，同時根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)飛機升限12 km時，座艙高度為2 440 m，代入計算，可得m與C值。

3.2 座艙模型

在對座艙進行建模的過程中，假設(shè)：①座艙的空氣溫度為常數(shù)，此假設(shè)目的在于實現(xiàn)座艙溫度與壓力的解耦；②座艙容積Vc始終保持不變；③忽略座艙漏氣量；④座艙內(nèi)供氣量為恒定值；⑤將座艙內(nèi)氣體視為理想氣。

在以上假設(shè)基礎(chǔ)上，根據(jù)式（2）可得

其中：GK（S）為供氣量，GB（S）為排氣量。

3.3 外流活門模型

當(dāng)飛機處于不同飛行狀態(tài)時，外流活門向機外排氣分為兩種狀態(tài)：亞臨界流動狀態(tài)和超臨界流動狀態(tài)。根據(jù)絕能流量公式，在亞臨界流動狀態(tài)（Ph/Pc>0.528）時，有

其中：μ為流量系數(shù)；FBg為外流活門最大流通面積；α為活門開度；Pc為座艙內(nèi)壓力；Tc為座艙內(nèi)溫度。

在超臨界流動狀態(tài)（Ph/Pc≤0.528）時，有

3.4 電機模型

直流電動機角速度微分方程為

其中：TD為電樞回路時間常數(shù)；TM為電動機機械時間常數(shù)；k1為速度常數(shù)；k2為速度轉(zhuǎn)矩常數(shù)。角速度ω為輸出量；來自控制器的控制電壓uD和負(fù)載力矩ML為輸入量。

由于電樞電感很小，可以忽略，而電動機中的減速器減速比很大，負(fù)載本身不大，因此折合到電機轉(zhuǎn)軸處的負(fù)載及由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦阻尼均較小，可以忽略，根據(jù)以上原則，將式（9）進行拉氏變換并化簡，得到電機最終模型為

其中：?為減速器減速比；α（s）為外流活門開度[10]。

3.5 AMESim模型實現(xiàn)

綜上所述，習(xí)近平總書記提出的文化自信，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興構(gòu)筑起堅不可摧的思想根基，進一步明確了中華文化的人民主體地位和強大的民族精神。堅定文化自信，有利于繁榮中國特色社會主義文化，提升國家文化軟實力，為人類文明交流互鑒提供中國方案，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興。同時，在實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的“中國夢”的過程中，能夠使廣大人民群眾自覺地增強中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信。

AMESim仿真軟件目前主要包括液壓系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)、多相流系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等專業(yè)元件庫。其中氣體混合庫可以實現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)中不同溫度、壓力及濕度的氣體混合時的計算。本文利用AMESim中氣體混合庫（gas mixture）和信號與控制庫（signal control）中的成熟元件進行建模，模型參數(shù)的輸入及不同模型之間的數(shù)據(jù)傳遞都在簡單的圖形界面中完成。

4 仿真與分析

在實現(xiàn)仿真的過程中，本文首先對環(huán)控系統(tǒng)正常工作情況下全飛行剖面進行了仿真，在驗證所建座艙壓力控制系統(tǒng)模型能夠正常工作之后，根據(jù)一起典型的由于外流活門漏氣引起座艙內(nèi)壓力異常的事件信息注入故障并進行了仿真，在完成對整起事故信息中座艙高度（將座艙壓力等效為海拔高度）及高度變化率的完整復(fù)現(xiàn)后，又對事故信息中未知的等效漏氣面積、漏氣量關(guān)鍵參數(shù)進行了計算，最后，對不同飛行員反應(yīng)時間假設(shè)下的事故風(fēng)險進行了評估，并計算出會導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生的臨界飛行員反應(yīng)時間。

首先對環(huán)控系統(tǒng)正常工作狀態(tài)進行仿真：正常飛行狀態(tài)下飛機依次經(jīng)過起飛、爬升、巡航、降落階段正常下降的過程進行仿真，觀察座艙壓力控制系統(tǒng)工作情況，如圖4所示。在仿真過程中，各仿真參數(shù)如表1所示。

圖4 正常飛行狀態(tài)下座艙高度變化情況Fig.4 Changing of cabin height under normal flight state

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parametres

圖4顯示了整個飛行過程中，座艙高度隨時間變化的情況。圖中虛線為座艙高度值，實線為飛行高度值。從圖中結(jié)果可以看出，壓力控制子系統(tǒng)工作良好，在巡航階段使座艙高度（工程中一般將座艙壓力等效成海拔高度）維持在1 500 m左右，下降階段的座艙高度變化率也完全符合適航要求。圖中顯示在地面階段，座艙高度值低于海平面，是因為在實際起飛和著陸過程中，往往需要將座艙壓力增高一點，以確保排氣活門處于關(guān)閉狀態(tài)，避免座艙壓力出現(xiàn)波動。

本文選取了一起典型的由于外流活門漏氣引起座艙內(nèi)壓力異常的事件，該事件的描述信息為：某型號飛機在巡航高度9 000 m飛行，機組發(fā)現(xiàn)座艙壓力高度以700 m/min緩慢升高，即座艙內(nèi)壓力逐漸下降，但排氣活門仍在關(guān)位。機組決定下降高度，在下降過程中座艙高度曾經(jīng)超過10 000 ft（1 ft=0.304 8 m，下同），警告喇叭響。在3 900 m保持平飛后，座艙高度與氣壓高度一致，座艙高度下降率與飛機飛行高度下降率一致，機組按檢查單執(zhí)行，最終緊急迫降。機務(wù)人員檢查發(fā)現(xiàn)外流活門漏氣嚴(yán)重，更換外流活門并更換控制器，增壓試驗正常，該機回程飛行正常。

由于在事件發(fā)生過程中，座艙高度隨時間變化為非線性，因此本節(jié)首先對不同外流活門開度下座艙高度的變化進行了參數(shù)化研究。定義事件發(fā)生在飛行剖面的2 000 s，對應(yīng)不同活門開度在事件發(fā)生后100 s內(nèi)的座艙高度隨時間變化動態(tài)過程，如圖5所示。漏氣發(fā)生的初始階段座艙高度迅速上升，隨后座艙高度變化進入線性段，最終階段座艙高度趨于平緩。這是因為在漏氣發(fā)生的初始，座艙內(nèi)外壓差大，外流活門處于超臨界狀態(tài)，艙內(nèi)空氣以超音速漏出外流活門，而隨著艙內(nèi)空氣逐漸漏出，座艙內(nèi)外壓差逐漸縮小，導(dǎo)致座艙高度變化趨于平緩。

圖5 外流活門不同開度下座艙高度隨時間變化關(guān)系Fig.5 Cabin heights under different open ratios of outflow valve vs.time

根據(jù)事件描述信息，機組發(fā)現(xiàn)的座艙高度上升率應(yīng)該對應(yīng)持續(xù)時間較長的線性變化階段，因此將外流活門不同開度下對應(yīng)的座艙高度變化率進行了參數(shù)研究，如圖6所示。按照事件描述信息，當(dāng)外流活門開度為0.23（等效漏氣面積5 520 mm2）時，其對應(yīng)曲線的線性段中座艙高度變化率為700 m/min。

圖6 外流活門開度不同時座艙高度變化率Fig.6 Changing rate of cabin height under different open ratios of outflow valve

經(jīng)過計算，整個事故過程中飛機的飛行高度與座艙高度對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7中虛線為座艙高度，實線為飛機飛行高度，可見在第2 000 s（t1）事故發(fā)生至2 240 s時，座艙高度從1 000 m升至3 700 m，其座艙高度變化率近似為700 m/min，而飛行員在20 s后（t2）作出反應(yīng)，飛行高度開始下降，在第2 350 s（t3）時，座艙高度與飛行高度相等，飛行員采取手動模式使座艙處于自由通風(fēng)狀態(tài)，與事故信息中的描述相吻合，并且在事故發(fā)生的整個過程中，飛機座艙高度超過了10 000 ft，導(dǎo)致座艙高度報警。從仿真結(jié)果可以看出，所建立的事故仿真模型能夠完整地對事故進行復(fù)現(xiàn)。

由于事故信息中活門的面積與漏氣量為未知量，本文在完成對事故的仿真后，可對事故中等效漏氣量進行估算，經(jīng)過估算，該環(huán)控系統(tǒng)事故中的等效漏氣量約為482 g/s。

根據(jù)AC25-20，飛行事故中飛行員平均反應(yīng)時間為25 s，仿真過程中選取此平均值做為邊界條件，研究此參數(shù)對事故嚴(yán)重性的影響。所以，本文還對同一起事件中，飛行員不同反應(yīng)時間情況下座艙高度出現(xiàn)的最大值進行了仿真計算，以評估飛行員的反應(yīng)時間對失壓事件的影響，如圖8所示。

圖8 不同飛行員反應(yīng)時間下座艙最大高度Fig.8 Biggest cabin height under different pilot reacting durations

由圖8中結(jié)果可以看出，隨著飛行員反應(yīng)時間延長，事故中最大座艙高度會隨之增加，但是最大座艙高度增加的速度逐漸減慢。經(jīng)計算，由于座艙內(nèi)部壓力與引氣系統(tǒng)進氣量和排氣量均有關(guān)系，在引氣系統(tǒng)以恒定供氣量向座艙供氣時，即使在事故發(fā)生之后飛行員不做出任何反應(yīng)保持平飛，飛機座艙內(nèi)出現(xiàn)的最大座艙高度也不會超過18 000 ft。根據(jù)CCAR25.841中規(guī)定，任何情況下飛機座艙高度超過25 000 ft的時間不得大于2 min，所以此次事件的外流活門漏氣程度并不會對飛行安全造成嚴(yán)重影響。

最后，本文又選取不同活門面積及開度，經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)同類外流活門漏氣事故發(fā)生且當(dāng)?shù)刃饷娣e達(dá)到81 600 mm2且飛行員反應(yīng)時間為20 s時，座艙高度超過25 000 ft時間為2 min，會造成嚴(yán)重飛行事故的發(fā)生并危害座艙內(nèi)乘客的生命安全。因此，該漏氣面積即為該飛行條件下此類失壓事件的臨界尺寸，如果漏氣面積大于該臨界面積或飛行員反應(yīng)時間長于20 s，將會釀成安全事故，影響飛行員安全駕駛或?qū)Τ丝驮斐捎谰眯詡Α?/p>

5 結(jié)語

本文首先對近10年國內(nèi)外飛機座艙環(huán)境相關(guān)飛行事故/事件信息進行了梳理和分析，得出環(huán)控系統(tǒng)中壓力子系統(tǒng)的壓力控制器部件失效或故障最容易引起環(huán)控系統(tǒng)事故的發(fā)生。隨后，根據(jù)飛機座艙環(huán)控系統(tǒng)壓力控制子系統(tǒng)的工作原理，建立了座艙壓力控制系統(tǒng)模型，并選取正常飛行剖面曲線對模型進行仿真，結(jié)果表明所建立的壓力控制系統(tǒng)模型基本能夠?qū)崿F(xiàn)對座艙壓力的控制。在此基礎(chǔ)上，又對一起典型的由于外流活門漏氣導(dǎo)致座艙失壓的環(huán)控系統(tǒng)事故進行仿真，從數(shù)值層面復(fù)現(xiàn)事故，并對事故信息中未知的漏氣量和等效漏氣面積進行反推和估算。而后對不同飛行員反應(yīng)時間假設(shè)下的事故風(fēng)險進行了評估，計算出可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生的臨界飛行員反應(yīng)時間。本文的工作對各類飛行事故分析以及風(fēng)險評估提供了一種有效的方法和思路。

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（責(zé)任編輯：黨亞茹）

Simulation of aircraft cabin pressure loss

BAI Jiea，b，CHEN Xi-yuana，b，YANG Jian-zhonga，b，YANG Shi-bina，b
（a.College of Aeronautical Engineering；b.Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

Based on the aircraft cabin environment related accidents in and abroad in recent years,the flight accidents/incidents data of ECS are analyzed.The result shows that most of the environmental control system accidents/incidents are due to failure or fault of controller component of pressure control subsystem.Subsequently，the ECS system is modeled based on Simulink and AEMSim.A typical accident of ECS in aircraft is implemented in such accident simulation model.The key components and parameters as well as the risk assessment are also researched.This work will increase the efficiency of accident investigation relating to cabin environment.The simulation model can also support the design and maintenance of environment control system.

aircraft cabin；accident analysis；ECS；pressure regulating；accident simulation

V223

：A

：1674-5590（2014）06-0001-06

2013-09-11；

：2013-11-14

：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2012CB720104）

白杰（1963—），男，天津人，教授，碩士，研究方向為航空發(fā)動機適航審定研究.