民用飛機(jī)座艙溫度異常事故仿真研究

官頌，邱吉超，楊建忠，楊士斌

民用飛機(jī)座艙溫度異常事故仿真研究

官頌，邱吉超，楊建忠，楊士斌

飛機(jī)座艙溫度異常事故模擬仿真問(wèn)題，飛機(jī)座艙溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類型較多，為深入分析座艙溫度控制系統(tǒng)故障機(jī)理，同時(shí)，為相關(guān)的適航條款的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)流體和能量守恒建立座艙溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；用蒙特卡洛方法通過(guò)調(diào)用座艙溫度控制系統(tǒng)模型對(duì)隨機(jī)故障注入進(jìn)行仿真研究。得到座艙 Simulink動(dòng)態(tài)仿真曲線，分析其變化過(guò)程；并對(duì)溫度變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。仿真結(jié)果表明，故障與理論結(jié)果一致，隨機(jī)故障注入結(jié)果表明，數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)的條款驗(yàn)證修改能夠提供數(shù)據(jù)支撐。表明對(duì)座艙溫度異常事故仿真研究具有重要的參考價(jià)值。

座艙溫度；事故/事件；隨機(jī)故障

0 引言

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)是滿足飛機(jī)在各種條件下飛機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、環(huán)保的關(guān)鍵系統(tǒng)。解決飛機(jī)在高空中的溫度問(wèn)題是保證飛機(jī)正常使用的重要方面。隨著我國(guó)客機(jī)適航體系的不斷完善，對(duì)于大飛機(jī)座艙內(nèi)的熱舒適性要求的不斷提高。目前，涉及CCAR 25部運(yùn)輸類飛機(jī)座艙溫度控制的專門研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)也做了很多研究[1-4]，對(duì)座艙溫度控制系統(tǒng)的評(píng)估和改善有很大的幫助。目前國(guó)內(nèi)研究人員在進(jìn)行安全性分析時(shí)，往往由于缺乏故障數(shù)據(jù)而導(dǎo)致工作無(wú)法進(jìn)行；對(duì)于飛機(jī)系統(tǒng)故障研究集中于單一故障部件。但是事實(shí)上引起座艙溫度異常的失效部件及其失效模式的不同，不同的故障組合導(dǎo)致的事故的發(fā)生、發(fā)展變化也就不同。飛機(jī)事故/事件進(jìn)行分析的卻很少，不能充分利用有限的信息對(duì)安全性工作進(jìn)行有效的指導(dǎo)。因此，如何使這些故障隨機(jī)的組合發(fā)生，并利用有限的事故/事件信息為安全性分析工作提供分析數(shù)據(jù)，是本文研究的重點(diǎn)。

本文在深入分析研究座艙溫度控制原理的上，建立完整的數(shù)學(xué)模型，之后建立隨機(jī)故障模型，并以空氣配平活門發(fā)生故障為例，驗(yàn)證了溫度控制系統(tǒng)模型的正確性，為相關(guān)條款的制定修改提供了指導(dǎo)。隨機(jī)故障模型的建立對(duì)于座艙溫度異常事故的研究具有重要的意義。

1 座艙溫度異常事故/事件統(tǒng)計(jì)

由于飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多部件對(duì)外界變化敏感，因此環(huán)控系統(tǒng)故障一直是影響座艙空氣質(zhì)量的原因之一。本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)SDR 1994年到2012間發(fā)生的大飛機(jī)事故/事件共計(jì)404起，與空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的有268起，其中溫度異常的事件出現(xiàn)22次，占所有空調(diào)事件的8%多。造成溫度異常的原因如圖1所示：

圖1 座艙溫度異常部件比例

其中與活門有關(guān)的占到46%，由此可見(jiàn)活門的性能好壞是影響座艙溫度的關(guān)鍵因素。另外空調(diào)組件和溫度控制器所占比例也較大。所以本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)座艙溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

2 座艙溫度調(diào)節(jié)原理

座艙溫度調(diào)節(jié)原理如圖2所示：

圖2 座艙溫度控制原理簡(jiǎn)圖

座艙溫度控制系統(tǒng)的作用是保持座艙有合適的溫度。其中的空氣最初是從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)出來(lái)的是高溫引氣，經(jīng)過(guò)流量控制與關(guān)斷活門（FCSOV）調(diào)節(jié)，在FCSOV處分成兩路，其中一路熱空氣供給左右空調(diào)組件，經(jīng)過(guò)空調(diào)組件冷卻后，形成冷路空氣，進(jìn)入混合總管；另一路熱空氣則直接到達(dá)混合總管處。圖中的黑點(diǎn)表示座艙溫度傳感器，它們感受座艙溫度信號(hào)并將信號(hào)傳給座艙區(qū)域溫度控制器，然后座艙區(qū)域溫度控制器根據(jù)接收的溫度信號(hào)控制配平活門來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入混合總管的冷熱空氣比例控制供氣溫度，進(jìn)而調(diào)控座艙各區(qū)域溫度。

本文根據(jù)某機(jī)型座艙溫度控制原理，建立了座艙區(qū)域溫度控制模型。模型主要包括空調(diào)組件、空氣配平活門、混合組件、溫度控制器和座艙等模塊。

3 座艙溫度控制系統(tǒng)建模

對(duì)于大型飛機(jī)座艙，座艙內(nèi)部的熱載荷不確定，干擾因素多，傳統(tǒng)方法建立模型困難。因此，本文從系統(tǒng)中氣體熱焓變化角度進(jìn)行建模。仿真過(guò)程不考慮流阻，因此也就不考慮管道模型。建立數(shù)學(xué)模型前作如下假設(shè)：

1）座艙內(nèi)空氣作為理想氣體來(lái)處理，艙內(nèi)氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程。

2）組件、活門泄漏流量忽略不計(jì)。

3）座艙內(nèi)壓力保持一定，即由溫度引起的座艙壓力變化忽略不計(jì)。

4）溫度變化不影響座艙體積。

5）組件、配平活門以及座艙內(nèi)的熱焓保持不變，且與外界沒(méi)有熱量交換。

6）沒(méi)有其他氣體來(lái)源。

3.1 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)是座艙溫度控制系統(tǒng)最重要的制冷組件。如圖3所示：

圖3 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)物理模型圖

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)物理模型圖[5]。本文對(duì)空氣循環(huán)及建模主要包括熱交換器、壓氣機(jī)和渦輪3部分。

其工作原理：從FCSOV出來(lái)的高溫引氣首先進(jìn)入主熱交換器，通過(guò)沖壓空氣進(jìn)行冷卻，進(jìn)入壓氣機(jī)，變成高溫高壓氣體。然后進(jìn)入次熱交換器再次被沖壓空氣冷卻。最后在渦輪中進(jìn)一步膨脹降溫，推動(dòng)渦輪做功，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作。此時(shí)，空氣的溫度和壓力會(huì)大幅下降。這一步是對(duì)空氣溫度進(jìn)行粗調(diào)。

3.1.1 熱交換器

熱交換器一般是間壁式熱交換器，即熱流體通過(guò)隔板與冷流體進(jìn)行對(duì)流換熱。是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要的冷卻部分。熱交換器數(shù)學(xué)模型，假設(shè)：

1）在任一時(shí)刻，流體與壁的物性參數(shù)如比熱、密度及對(duì)流換熱系數(shù)在熱交換器中處處一致。

2）在任一時(shí)刻，熱交換器內(nèi)的兩流體熱容與芯體熱容相比可以忽略。

3）熱量在熱交換器芯體內(nèi)傳遞，僅沿流體流動(dòng)方向之法向進(jìn)行。在此方向上，材料對(duì)熱傳導(dǎo)而言熱阻可以忽略。

4）熱交換器外殼內(nèi)表面與流體絕熱，對(duì)流體溫度不論是動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)都無(wú)影響。

5）流體不可壓。

本文假設(shè)熱交換器[6]里的是理想氣體，滿足能量守恒和熱量方程得公式（1）：

3.1.2 壓氣機(jī)和渦輪

壓氣機(jī)和渦輪在同一根軸上，壓氣機(jī)用機(jī)械方法對(duì)氣流進(jìn)行壓縮，進(jìn)入次級(jí)熱交換器預(yù)冷，然后進(jìn)入渦輪膨脹做功，變成低溫低壓空氣。渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的動(dòng)態(tài)性能在一個(gè)大系統(tǒng)仿真中處置成比例模型?？刂品匠蘙7]如下公式（3）、（4）：表示輸出、輸入溫度，表示壓氣機(jī)的壓縮比和效率，分別取為1.35和0.78，表示渦輪的膨脹比和效率，分別取為6.02和0.745。

3.2 混合組件

熱空氣和冷空氣在混合組件中按照一定的比例進(jìn)行混合成合適溫度的空氣。根據(jù)及能量守恒，可得

3.3 空氣配平活門

空氣配平活門是用來(lái)調(diào)節(jié)冷熱空氣混合比例的一個(gè)執(zhí)行部件，受溫度控制器控制。通過(guò)調(diào)節(jié)熱空氣的比例，微調(diào)客艙溫度，使達(dá)到舒適狀態(tài)。

對(duì)比4.2節(jié)混合組件原理，經(jīng)類似計(jì)算可得公式（6）：

3.4 座艙

座艙內(nèi)部的空氣熱焓主要來(lái)自3部分，分別是外界新鮮空氣、再循環(huán)空氣及座艙內(nèi)起初的一部分空氣。座艙內(nèi)部的空氣溫度是目標(biāo)控制參數(shù)。忽略機(jī)組人員對(duì)駕駛艙溫度的影響。

在Simulink中對(duì)座艙模型進(jìn)行二次建模，座艙溫度控制Simulink模型如圖4所示：

圖4 座艙溫度控制Simulink模型

受系統(tǒng)各部件中空氣溫度、流量的影響，座艙溫度變化不穩(wěn)定，因此模型中使用PID控制器通過(guò)調(diào)節(jié)座艙溫度與目標(biāo)值之間的差值對(duì)座艙溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 隨機(jī)故障模型

建立隨機(jī)故障模型，首先要解決隨機(jī)故障的生成。由于座艙溫度控制系統(tǒng)復(fù)雜，座艙溫度異常的原因可能是單一故障也可能是組合故障，且不同的失效部件及其不同的失效模式下，對(duì)溫度異常事故的發(fā)生、發(fā)展變化影響也就不同，具有隨機(jī)性。隨著溫度控制系統(tǒng)功能的增多、結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，給隨機(jī)故障的研究帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

本文主要采用蒙特卡洛方法來(lái)解決隨機(jī)故障的問(wèn)題。根據(jù)蒙特卡洛法的基本原理，編寫程序調(diào)用座艙溫度控制系統(tǒng)模型，模擬隨機(jī)故障生成。座艙溫度變化是受環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部件以及不同部件的不同故障類型的影響。因此在這個(gè)過(guò)程中需要確定系統(tǒng)中部件的概率模型、部件的故障類型概率模型。通過(guò)改變模型中故障部件的參數(shù)來(lái)進(jìn)行故障注入。

1）系統(tǒng)部件概率模型 飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件眾多，部件故障對(duì)座艙溫度有很大的影響。本文認(rèn)為部件發(fā)生故障是隨機(jī)的，且相互獨(dú)立。

p為事故/事件數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)故障率。

2）單個(gè)部件故障類型概率模型 由于缺少數(shù)據(jù)，因此本文假定每個(gè)部件的不同故障類型隨機(jī)發(fā)生，且其概率為公式（10）：

n 表示單個(gè)部件中故障類型數(shù)，其中p(c1)+p(c2)+...+p(cn)=1。

同一部件不同故障類型發(fā)生的概率均相同。設(shè)隨機(jī)數(shù)u2～(0,1)服從均勻分布。則其故障概率模型為公式（11）：表示不同故障類型發(fā)生概率。

蒙特卡洛仿真次數(shù)的確定是根據(jù)統(tǒng)計(jì)的飛行事故率來(lái)估算。事故率簡(jiǎn)化后的分母就是蒙特卡洛仿真次數(shù)的參考值為公式（12）：

用蒙特卡洛法結(jié)合所建立的座艙溫度控制模型進(jìn)行仿真，程序流程如圖5所示：

圖5 隨機(jī)故障程序流程圖

模型主要包括三個(gè)作用：隨機(jī)確定系統(tǒng)故障部件；隨機(jī)確定故障部件的故障類型；運(yùn)行座艙溫度控制仿真模型并重復(fù)循環(huán)。隨機(jī)故障模型每一次循環(huán)，內(nèi)部故障參數(shù)就會(huì)自動(dòng)更新一次。仿真模型輸出的溫度曲線數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)保存到指定路徑。

5 仿真分析

飛機(jī)座艙溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)部件為敏感氣路控制，所以該系統(tǒng)很容易發(fā)生故障。空氣配平活門通常是蝶形閥設(shè)計(jì)。通過(guò)活門的調(diào)節(jié)，可以使活門出口流量保持在設(shè)定值。設(shè)各個(gè)部件及部件參數(shù)相互獨(dú)立。設(shè)置仿真時(shí)間1000s，駕駛艙目標(biāo)溫度為297K，座艙（經(jīng)濟(jì)艙）目標(biāo)溫度293K，座艙初始溫度都是288K，根據(jù)第2節(jié)事故/事件統(tǒng)計(jì)對(duì)空氣配平活門進(jìn)行故障仿真分析，以 200s時(shí)活門故障，開(kāi)度由30度變?yōu)?0度為例。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示：

圖6 座艙誤差變化曲線

圖7 活門故障仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看出活門發(fā)生故障開(kāi)度變大時(shí)，導(dǎo)致熱空氣比例變大，使座艙溫度會(huì)明顯偏高，有升高趨勢(shì)。客艙熱慣性大，溫度變化較駕駛艙變化相對(duì)緩慢。與事故描述一致。誤差變化在100s時(shí)間內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，該溫度控制系統(tǒng)模型具有很好地調(diào)節(jié)效果。

對(duì)于隨機(jī)故障模擬首先要確定部件故障率。經(jīng)過(guò)計(jì)算部件故障大約為5×10-6，因此將蒙特卡洛循環(huán)次數(shù)數(shù)量級(jí)定為109次。用MATLAB仿真并對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)活門不同開(kāi)度、座艙溫度變化范圍等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合適航條款CCAR25.831(g)和飛機(jī)氣密座艙溫度要求進(jìn)行分析。

以座艙加熱為例，仿真時(shí)間1000s,設(shè)置在200s時(shí)活門發(fā)生故障。氣體常數(shù)值為287KJ/Kg，空氣比熱值1000KJ/Kg，引氣溫度473K，座艙初始溫度值288K，目標(biāo)值297K。經(jīng)過(guò)多次仿真試驗(yàn)，空氣配平活門在不同開(kāi)度區(qū)間出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)如表1所示：

表1 空氣配平活門異常頻次統(tǒng)計(jì)表

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，不同活門開(kāi)度區(qū)間出現(xiàn)異常的次數(shù)基本持平。但在[50,60)和[80,90]開(kāi)度內(nèi)，出現(xiàn)次數(shù)有所增加，活門這兩個(gè)開(kāi)度區(qū)間對(duì)座艙溫度的影響也相應(yīng)較大，是其相對(duì)薄弱處。并且活門故障時(shí)的座艙溫度維持在302K以上的次數(shù)較多，可以認(rèn)為活門開(kāi)度在50以上時(shí)，就應(yīng)注意避免座艙超溫。

在本次仿真試驗(yàn)中空氣配平活門異常共出現(xiàn)211次，經(jīng)計(jì)算故障率近似為2×10-7。用MATLAB對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)空氣配平活門開(kāi)度異常引起的座艙溫度異?，F(xiàn)象的整個(gè)仿真過(guò)程座艙溫度變化范圍是 288K到 303K。根據(jù)CCAR 25.831（g）款：任何不可能的失效情況發(fā)生后，在給定溫度下的持續(xù)時(shí)間不得超出下面曲線所定出的值，如圖8所示：

圖7 時(shí)間——溫度曲線

由表1可以知道超過(guò)CCAR25.831（g）款的溫度異?，F(xiàn)象一次也沒(méi)有出現(xiàn)，滿足任何不可能失效的情況發(fā)生的概率（10-5-10-7）。仿真結(jié)果與條款規(guī)定一致。

座艙溫度異?，F(xiàn)象與各個(gè)部件的故障機(jī)理有關(guān)，改變故障機(jī)理的概率分布模型，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。不同故障部件的不同故障機(jī)理的組合會(huì)對(duì)座艙溫度異常規(guī)律及安全性分析研究造成不同影響。

6 總結(jié)

座艙溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障原因繁多，由于研究人員的水平所限及缺少故障數(shù)據(jù)，對(duì)其安全性分析較為困難；同時(shí)系統(tǒng)故障原因的隨機(jī)性，使得研究成果難以滿足要求。本文對(duì)座艙溫度控制原理進(jìn)行分析，建立了較為準(zhǔn)確的模型，在此基礎(chǔ)上又建立了隨機(jī)故障模型，結(jié)合座艙溫度異常事故/事件進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，本文隨機(jī)故障模型可以為安全性分析工作提供指導(dǎo)，對(duì)進(jìn)一步研究座艙溫度變化規(guī)律及推進(jìn)適航安全性分析工作有重要意義。

[1] 屠毅，林貴平.大型飛機(jī)座艙溫度控制系統(tǒng)仿真[J].航空學(xué)報(bào)，2011，32（1）：49-57.

[2] 袁修干著, 旅客機(jī)空氣參數(shù)調(diào)節(jié)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1980.

[3] Rubens Romani，Luiz Carlos de Góes. Cabin Temperature Control Model for Commercial Aircraft[J].AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012：1-15.

[4] Y.Tu，G.P.Lin. Dynam ic Simulation of Aircraft Environmental Control System Based on Flowmaster[J]. JOURNAL OF AIRCRAFT,2011,48(6):2031-2041.

[5] 何永勃，楊燕輝，王麗哲.飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)建模與故障仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012,29（8）：72-76.

[6] 袁修干.飛機(jī)座艙熱力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].北京航空學(xué)院學(xué)報(bào)，1982,4:47-59.

[7] HEJun, ZHAOJing-quan. Dynam ic Simulation of theAircraft Environmental Control System[J]. CHINESE JOURNAL OF AERONAUTICS, 2001,14(3):129-133.

[8] 壽榮中，何慧姍著, 飛行器環(huán)境控制[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

The Research of Simulation about Cabin Temperature Accidents

Guan Song1, Qiu Jichao2, Yang Jianzhong3, Yang Shibin3
(1. Engineering Techniques Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China; 2. College of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China; 3. Tianjin Key Lab for Airworthiness and Maintenance of Civil Aircraft, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China)

The paper researches on simulative problem about abnormal temperature accident in the airplane cabin. Due to the complicated temperature-control system and numerous bug in the cabin, the paper analyzed the bug mechanism in the cabin temperature-control system. On the other hand, it supplied data support for relevant proof of airworthiness provisions. According to the fluid and the conservation of energy, the paper established mathematical model of cabin temperature control system. With the help of Monte Carlo method, the paper conducts simulative research on random fault injection by calling the cabin temperature control system simulation model. After getting the Simulink dynamic simulation curve, the paper analyzed its change and carried on statistics according to its temperature change. The simulative result indicated that the fault is fit for the theory result. Random fault injection result shows that the data is able to supply data support for the verification and modification of relevant provision, which shows significant value for the research of simulative problem about abnormal temperature accident in the airplane cabin.

Cabin Temperature; Accidents/Incidents; Random Failures

V223

A

2014.09.16）

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）；大型客機(jī)座艙內(nèi)空氣環(huán)境控制的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究（2012CB720100）

官 頌（1964-），女（漢族），遼寧省沈陽(yáng)市，中國(guó)民航大學(xué)，工程技術(shù)訓(xùn)練中心，研究員，碩士，研究生導(dǎo)師，研究方向：航空維修工程管理與適航管理，天津，300300

邱吉超（1988-），男（漢族），山東省青島市，航空自動(dòng)化學(xué)院，碩士研究生，研究方向：飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)仿真建模，天津，300300

楊建忠（1974-），男（漢族），天津市人，天津民航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向：飛行器環(huán)控系統(tǒng)，天津，300300

楊士斌（1982-），男（漢族），天津市人，天津民航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，講師，研究方向：飛行器動(dòng)力學(xué)與控制研究，天津，300300

1007-757X(2014)11-0012-04