飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)失效規(guī)律分析

戴文元

（中國國際貨運(yùn)航空有限公司機(jī)務(wù)分部，上海201207）

0 引言

民用航空是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，飛機(jī)在高空飛行時(shí)高度不斷變化，空中的大氣環(huán)境與人所適應(yīng)的大氣環(huán)境有很大的不同，這會(huì)給飛行員的工作造成很大的困難，影響飛行安全，危及旅客的生命和財(cái)產(chǎn)。對于運(yùn)輸機(jī)和客機(jī)的座艙設(shè)計(jì)最基本的出發(fā)點(diǎn)就是要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)人工氣壓環(huán)境為駕駛員和乘員提供低壓和缺氧保護(hù)，保證其工作能力和生命安全。因此，飛機(jī)座艙壓力系統(tǒng)既要滿足正常飛行高空缺氧防護(hù)，又要考慮應(yīng)急減壓條件下的生命安全。本文先對飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)做一簡單了解，遵循實(shí)事求是、資料真實(shí)、立論有據(jù)、對策超前的原則對已有的事故及事故征候數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，總結(jié)了重要事故和事故征候的特點(diǎn)和發(fā)生原因，找出一些規(guī)律，提出一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對中國民航未來的飛行安全工作，具有積極地借鑒意義。充分認(rèn)識(shí)飛行事故/事故征候的一些規(guī)律，從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以防止飛行事故的再次發(fā)生。

1 座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理

座艙壓力控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示：座艙壓力控制器感受飛機(jī)座艙內(nèi)的壓力與飛機(jī)座艙壓力制度進(jìn)行比較得出控制器輸出偏差信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變排氣活門的開度，進(jìn)而控制排出座艙內(nèi)的空氣流量，最終控制座艙內(nèi)的壓力及其變化速率，使得座艙內(nèi)的壓力變化能夠盡可能接近壓力制度[1]。

圖1 飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)原理圖

座艙壓力調(diào)節(jié)性能的好壞主要是看其在一定高度上能否保持相應(yīng)的座艙高度。通過發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)為座艙供氣，同時(shí)座艙排氣活門調(diào)節(jié)座艙排氣量。當(dāng)座艙供氣量等于排氣量和漏氣量之和時(shí)，座艙壓力保持穩(wěn)定；若不相等，在供氣量一定時(shí)，將排氣活門關(guān)小，座艙壓力會(huì)升高；反之，將排氣活門開大，座艙壓力便會(huì)降低。

2 座艙壓力制度

座艙內(nèi)絕對壓力和余壓隨高度的變化規(guī)律稱為座艙壓力制度，或稱為座艙調(diào)壓規(guī)律。民用飛機(jī)的座艙壓力制度可以分為固定式和可調(diào)式兩種，現(xiàn)代大型飛機(jī)普遍采用可調(diào)式，由計(jì)算機(jī)作為壓力控制器的管理中心。

座艙壓力由壓力調(diào)節(jié)器通過改變排氣活門的開度，控制排出座艙的空氣來完成。如圖2所示，在0～2 000 m的高度范圍內(nèi)，排氣活門處于全開位置，此時(shí)座艙壓力基本隨大氣壓力變化，稱為自由通風(fēng)區(qū)。在2 000 m時(shí)為座艙增壓起始點(diǎn)，其值比起飛或著陸機(jī)場的實(shí)際大氣壓力低，相當(dāng)于地面到500 m的飛行高度；在2 000～7 000 m的高度范圍內(nèi)，排氣活門隨著高度增加逐漸關(guān)小，壓力變化速度減慢，調(diào)壓膜盒室內(nèi)的壓力不斷下降，膜盒開始逐漸膨脹使調(diào)壓活門的開度逐漸關(guān)小。增壓空氣流過調(diào)壓活門時(shí)開始產(chǎn)生阻力，使流經(jīng)調(diào)節(jié)活門限流孔的增壓空氣流量減小，限流孔前后的壓力差隨之減小，使調(diào)節(jié)活門開度逐漸減小，放氣量也減小，座艙內(nèi)外壓力差逐漸增大。這種調(diào)節(jié)方式有利于座艙壓力變化率的穩(wěn)定，稱為變絕對壓力調(diào)節(jié)。在飛機(jī)到達(dá)7 000 m左右的巡航高度時(shí)，座艙壓力繼續(xù)減小，但此時(shí)座艙壓力與外界大氣壓之差基本保持不變，亦即座艙余壓保持不變，為等余壓調(diào)節(jié)[2]。

圖2 某飛機(jī)座艙壓力制度

一般，座艙壓力制度為靜態(tài)特征，而壓力變化速度為動(dòng)態(tài)特征。座艙壓力制度對座艙壓力變化速度是有影響的。由公式

式中：Vy為飛機(jī)垂直方向速度；dPc/dh為座艙壓力調(diào)節(jié)規(guī)律曲線斜率。

由此可見，當(dāng)座艙壓力隨飛行高度變化率dPc/dh減小時(shí)，則飛機(jī)在爬升或下降過程中所引起的座艙壓力的劇烈程度是可以改善的。

3 座艙壓力事故及事故征候總體規(guī)律

每一次飛行都是對飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的安全性考驗(yàn)，本文對近30年的國內(nèi)外的與座艙壓力控制系統(tǒng)相關(guān)的事故/事故征候信息進(jìn)行搜集和整理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共計(jì)481起相關(guān)事故/事故征候信息，約有31%的數(shù)據(jù)來自國內(nèi)，約69%的數(shù)據(jù)來自國外數(shù)據(jù)庫。

圖3列出了1980～2013年國內(nèi)外有記錄的座艙壓力事故及事故征候次數(shù)。圖中事故及事故征候的高發(fā)和低發(fā)年代相互交錯(cuò)，表明事故發(fā)生的確具有很大的偶然性。但按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行分析，不難看出座艙的壓力事故/事故征候出現(xiàn)次數(shù)呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的上升趨勢[3]。

圖3 1980～2013年座艙壓力事故及事故征候次數(shù)

在所統(tǒng)計(jì)的事故當(dāng)中，有27起事故，約占總數(shù)的6%.其時(shí)間分布如圖4所示。

圖4 座艙壓力事故占當(dāng)年壓力事故/事故征候的比例

從圖4中可以看出，座艙壓力事故發(fā)生隨時(shí)間增長密度增大，大致上分為兩個(gè)階段。第一階段1980～1999年，事故率呈下降趨勢；第二階段2000～2013年，也呈下降趨勢，但整體上看，除個(gè)別年份事故率數(shù)值較高外，其他年份當(dāng)年座艙壓力事故發(fā)生率呈現(xiàn)一種不明顯的下降趨勢。這與民航業(yè)運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量的增加，事故及事故征候次數(shù)必然增加，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展、人員素質(zhì)的提高也使得事故率下降的總趨勢是一致的。

若按事故/事故征候發(fā)生的月份來看，如圖5所示，飛機(jī)座艙壓力事故/事故征候各個(gè)月份的發(fā)生次數(shù)抑制居高不下，雖有波動(dòng)但總體趨勢還是比較穩(wěn)定的。

圖51980 ～2013年平均每月事故/事故征候次數(shù)

4 座艙壓力事故及事故征候原因分析

從1980年至今有記錄的座艙壓力事故/事故征候發(fā)生階段如表1所示。

表1 座艙壓力事故/事故征候不同飛行階段比較

一般情況下，進(jìn)近和著陸兩個(gè)飛行階段所用的時(shí)間占整個(gè)飛行航段飛行時(shí)間的15%，但從表中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看，在進(jìn)近和著陸階段發(fā)生的事故卻占16.2%.進(jìn)近和著陸是整個(gè)飛行航段的最后階段，也是飛行安全的關(guān)口。在這兩個(gè)飛行階段中，飛行員工作負(fù)荷最重，可能遇到的特殊情況也最多，盡管現(xiàn)代航空器和先進(jìn)的地面保障系統(tǒng)，為減輕飛行員在進(jìn)近和著陸階段的工作負(fù)荷做了很多努力，但此階段事故仍然多發(fā)。

在巡航階段座艙壓力事故/事故征候的比例接近一半。事故多發(fā)主要原因是此階段飛行時(shí)間占整個(gè)飛行航段飛行時(shí)間最長。飛機(jī)座艙在這個(gè)階段最容易發(fā)生增壓和失壓故障，造成座艙壓力異常，危及飛行員的安全飛行[4]。

起飛和爬升階段所用的時(shí)間占整個(gè)飛行航段飛行時(shí)間的15%，事故率為27.7%，主要原因是此階段飛機(jī)內(nèi)外環(huán)境變化最為劇烈，壓力變化速度大，飛機(jī)動(dòng)態(tài)變化大，飛行員操作較為復(fù)雜。此類事故/事故征候大多發(fā)生在機(jī)場附近。

在對造成座艙壓力異常的事故/事故征候發(fā)生原因進(jìn)行分析結(jié)果如表2所示：引起座艙壓力事故/事故征候的原因有很多，涉及到15個(gè)相關(guān)系統(tǒng)。其中由空調(diào)系統(tǒng)引起的座艙壓力異常事故/事故征候達(dá)340起，約占70%多。引起這類事故/事故征候的主要原因又可以細(xì)分為：壓力控制子系統(tǒng)失效（外流活門、增壓控制組件、指示器等）、相關(guān)系統(tǒng)機(jī)械失效（系統(tǒng)管路泄露、艙門泄露、機(jī)身裂縫、導(dǎo)線短路等）。另外一個(gè)需要注意的原因是由艙門和窗戶引起，兩者共計(jì)88起，約占總數(shù)的18%.這類事故/事故征候主要原因是由于艙門或窗戶密封不嚴(yán)或結(jié)構(gòu)受損引起。典型事故是1988年4月28日下午，美國阿洛哈航空公司一架波音737在執(zhí)行243航班從夏威夷飛往檀香山的途中，飛機(jī)客艙結(jié)構(gòu)破損，造成飛機(jī)失壓，飛機(jī)緊急著陸，一號(hào)位乘務(wù)員被氣流吸出去，不幸罹難。飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的損傷通常是由于飛機(jī)使用時(shí)間過久，傷痕不斷積累，而地面維護(hù)又無法精確檢測這種隱患最終釀成悲劇。

表2 座艙壓力事故/事故征候相關(guān)系統(tǒng)

另外電氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、防火、放冰排雨等系統(tǒng)異常都會(huì)造成座艙壓力事故。例如1996年5月11日下午14∶00，一架DC-9-32飛機(jī)在執(zhí)行邁阿密到亞特蘭大的592航班時(shí)，因?yàn)樨浥撈鸹?，燒壞了飛機(jī)電氣系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)上110人全部罹難的特大事故。因此飛機(jī)的系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)的，一個(gè)系統(tǒng)的故障往往會(huì)引發(fā)另外的系統(tǒng)故障，造成空難[5]。

5 座艙壓力事故/事故征候經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

前車覆，后車戒。民航在改變現(xiàn)代人生活的同時(shí)，也提出了新的課題。作為民航系統(tǒng)的一員，應(yīng)該把別人的可能的或者已經(jīng)發(fā)生的故障當(dāng)成自己的確定性問題，從事故致中總結(jié)規(guī)律，獲得啟示，使客機(jī)更加安全的運(yùn)行。

由于飛機(jī)座艙壓力異常多發(fā)生在遠(yuǎn)離地面的情況下，都是在人員有了較大的反應(yīng)之后才得以察覺，以至于不能及時(shí)的采取有效措施。因此在對搜集和整理數(shù)據(jù)信息開綜合了表面的信息后，深入挖掘了民航實(shí)際運(yùn)行的規(guī)律性信息，希望民航人員能夠從中得到一些啟示，并產(chǎn)生實(shí)效。總結(jié)如下：

（1）在地面時(shí)要對座艙氣密性進(jìn)行檢查，防止艙門、窗戶或機(jī)身蒙皮等部位密封不嚴(yán)或破損。

（2）要檢查限流孔和通氣孔是否受損堵塞，防止調(diào)壓器失效。

（3）及時(shí)檢查清理座艙排氣活門，防止異物堵塞（特別是起飛和降落階段），保持座艙進(jìn)出氣通暢，維修人員在進(jìn)入座艙時(shí)，一定要保持座艙清潔。

（4）巡航時(shí)，機(jī)組人員要時(shí)刻注意座艙高度變化，一旦出現(xiàn)壓力異常情況要及時(shí)采取措施，增強(qiáng)責(zé)任心，避免僥幸心理。

（5）要加強(qiáng)人員的培訓(xùn)管理，提高機(jī)長素質(zhì)，搞好機(jī)組協(xié)調(diào)配合，加大航空器的維護(hù)力度，同時(shí)要保證各人員之間及時(shí)交流信息。

（6）要加大科研投入，對飛機(jī)維護(hù)工作要科學(xué)管理，根據(jù)飛機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行維護(hù)：對于老齡飛機(jī)要及時(shí)掌握使用情況，減少隱患造成的損失。

（7）要加強(qiáng)適航飛行安全管理體系建設(shè)。加強(qiáng)適航飛行安全管理體系建設(shè)主要包括：制定頒布適航標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對民用航空器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用進(jìn)行審定、監(jiān)督、檢查和管理，以保證航空安全；大型客機(jī)必須經(jīng)過民航局適航審定合格發(fā)放適航證后，才能進(jìn)入民用航空市場；對航空器使用者提出要求和使用限制，監(jiān)督他們保證航空器在適航條件下使用；對維修民用航空器的人員進(jìn)行考核，發(fā)放執(zhí)照，保證維修人員的技術(shù)水平。不斷加強(qiáng)適航審定技術(shù)研究和隊(duì)伍能力建設(shè)，深入開展適航工作。

6 結(jié)束語

飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)是飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，一個(gè)良好的座艙壓力是保證飛行的基本條件之一，造成座艙壓力控制異常的原因有很多，涉及的系統(tǒng)范圍也很廣。隨著我國對大飛機(jī)項(xiàng)目的不斷深入研究，對座艙壓力控制要求也越來越高。保證座艙壓力變化精度及其動(dòng)態(tài)特性，減少座艙壓力事故/事故征候的發(fā)生就需要地面人員、機(jī)組人員和科技人員攜手把關(guān)，預(yù)防此類事故的發(fā)生。

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