氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障機(jī)理研究

劉攀 黃丙寅/中國飛行試驗研究院

0 引言

從座艙壓力控制原理來看，座艙壓力控制系統(tǒng)經(jīng)歷了氣動式、電子氣動式和數(shù)字式三個階段[1]，控制技術(shù)越來越先進(jìn)、控制精度越來越高、動態(tài)特性越來越好。但隨著電磁戰(zhàn)成為五維空間戰(zhàn)場，電磁武器極易成為各種電子設(shè)備的殺手锏[2]，電子式和數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電磁干擾或者攻擊的情況下極易失效或產(chǎn)生誤動作[3]。因此，出于軍事用途的特殊考慮，氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為各國多數(shù)軍用飛機(jī)的首選。維修保障中，氣動式座艙壓力控制系統(tǒng)故障和問題常常困擾著維修人員。已有文獻(xiàn)的記載中，許多學(xué)者已經(jīng)就此進(jìn)行了不少理論研究和排故經(jīng)驗介紹，但大都側(cè)重理論或者單一故障現(xiàn)象的排除，較少在理論分析基礎(chǔ)上結(jié)合飛機(jī)維修保障實踐進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究。本文在深入分析原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合軍機(jī)維修保障工作實踐，系統(tǒng)地研究了座艙壓力異常故障的機(jī)理和常見故障形式，在指導(dǎo)外場排故方面具有較好實用性。

1 氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理和座艙壓力數(shù)學(xué)模型

1.1 氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由座艙壓力調(diào)節(jié)器、排氣活門、安全活門等組成，如圖1 所示。座艙壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)飛行高度，發(fā)出與預(yù)定氣密座艙壓力調(diào)節(jié)曲線相符合的氣壓控制信號，控制排氣活門將多余的空氣由座艙排入后設(shè)備艙，以保證座艙的規(guī)定壓力。在典型的氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，座艙壓力調(diào)節(jié)器是“大腦”，感知座艙壓力并發(fā)出控制信號；排氣活門是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行控制指令以得到預(yù)定的壓力；安全活門則是一道保險，防止“大腦”失靈或者在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時不至于使座艙壓力完全失控，當(dāng)壓力超過其工作觸發(fā)壓力閾值時，活門將開啟卸壓，保護(hù)駕駛員和飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)的安全。通常，座艙壓力調(diào)節(jié)器由釋壓限幅器、余壓調(diào)節(jié)器、絕對壓力調(diào)節(jié)器、氣動功率放大器、氣壓容腔、氣動轉(zhuǎn)換器等原件組成[4]。

圖1 典型氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成

其中，釋壓限幅器用來產(chǎn)生一個穩(wěn)定且免受干擾的控制系統(tǒng)基準(zhǔn)低壓氣源，作為余壓組件和絕對壓力組件調(diào)節(jié)壓力控制信號的基礎(chǔ)和基準(zhǔn)，使得控制信號免受大氣壓力波動影響，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定度。余壓組件、絕對壓力組件分別用來產(chǎn)生余壓段、比例調(diào)壓段的壓力制度（見圖2）[5]。氣動轉(zhuǎn)換器根據(jù)飛機(jī)動壓（速度）轉(zhuǎn)換飛機(jī)在起飛著陸階段座艙壓力調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制飛機(jī)座艙處于自由通風(fēng)狀態(tài)或增壓狀態(tài)。氣容結(jié)構(gòu)用來限制壓力調(diào)節(jié)信號的最大變化速率。氣動功率放大器對氣容輸出的壓力信號進(jìn)行功率放大后，控制排氣活門的開度以及進(jìn)一步對最大壓力上升速率進(jìn)行限制。負(fù)壓活門是一個超壓保護(hù)器件，在座艙負(fù)壓過大時開啟，對氣動放大器的輸出壓力進(jìn)行泄放壓，確保座艙負(fù)壓值不超過 規(guī)定。

以某型軍機(jī)為例，座艙壓力調(diào)節(jié)規(guī)律為：在起飛滑跑開始后，當(dāng)速度小于300km/h 時，座艙為自由通風(fēng)狀態(tài)，當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到300km/h（對應(yīng)動靜壓差達(dá)到53kPa）后，氣動轉(zhuǎn)換器動作，座艙開始?xì)饷?。?dāng)飛行高度大于比例調(diào)壓組件的起調(diào)高度時，座艙開始逐漸增壓；當(dāng)著陸時速度小于200km/h 后，座艙解除氣密。飛行高度在0 ～5000m 左右時，座艙余壓逐漸增加到34.4kPa，高度如果繼續(xù)增大，但座艙余壓保持34kPa 不變。座艙壓力調(diào)節(jié)失效時，安全活門可保證座艙最大余壓不超過38kPa，且在調(diào)節(jié)過程中限制座艙最大負(fù)壓不超過2.7kPa。

1.2 座艙壓力動態(tài)簡化數(shù)學(xué)模型

將飛機(jī)座艙近似認(rèn)為是簡單的容積不變的壓力容器，并假定理想的情況下其內(nèi)部各處壓力相等，忽略內(nèi)部流場分布。由于座艙內(nèi)空氣溫度變化很小，且座艙內(nèi)具有專門的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度，在分析時可假定座艙溫度恒定。綜合以上，將艙內(nèi)空氣視為理想氣體，則飛機(jī)氣密座艙內(nèi)的絕對壓力Pc為：

圖2 典型氣動式座艙壓力制度曲線

其中，Vc為座艙容積；Tc為座艙內(nèi)氣體溫度；G 為座艙氣體的質(zhì)量；R 為氣體常數(shù)；M 為氣體摩爾質(zhì)量；其中Vc、Tc、R、M 均為常量。式（1）對時間t 求導(dǎo)可得：

可見，座艙壓力的變化量取決于座艙內(nèi)空氣質(zhì)量的變化。在正常工作條件下座艙安全活門和負(fù)壓活門處于關(guān)閉狀態(tài)，座艙單位時間內(nèi)的空氣質(zhì)量變化量等于座艙供氣量Gk減去排氣活門排氣量Gp及漏氣量Gl。因此，座艙壓力動態(tài)簡化數(shù)學(xué)模型可表示為：

由以上公式可知，座艙壓力影響因素包括座艙供氣量、排氣量、漏氣量等?？諝鈨袅魅肓康扔诠饬繙p去排氣量與漏氣量。當(dāng)空氣凈流入量大于零時，座艙壓力增大，且凈流入量越大，座艙壓力增加越快，反之亦然。通常情況下，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣。座艙壓力調(diào)節(jié)器通過感知座艙當(dāng)前壓力與預(yù)定調(diào)節(jié)規(guī)律對應(yīng)的壓力差值去控制排氣活門的開度，進(jìn)而控制排氣量。一般情況下，漏氣量與座艙密封性能要求相關(guān)，特殊情況下排氣活門和安全活門故障時也可能導(dǎo)致非正常漏氣。

2 氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見故障分析

2.1 氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障樹構(gòu)建

如前所述，由于座艙的容積是固定的，座艙內(nèi)的溫度一般由空調(diào)系統(tǒng)保持在穩(wěn)定調(diào)節(jié)溫度，可假定其保持不變。因此，分析座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因時必須重點抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個參數(shù)相關(guān)的因素，通過分析主三個主要因素來形成故障樹，如圖3所示。

2.2 供氣量異常故障分析

飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣，其中通向座艙的空氣量即為座艙的供氣量?？照{(diào)系統(tǒng)為座艙提供正常的供氣量是維持一定座艙壓力的基礎(chǔ)，當(dāng)供氣量過大且超過一定值時，即使座艙壓力調(diào)節(jié)器控制排氣活門處于全開狀態(tài)，座艙壓力仍會過大，只能由安全活門來保證座艙余壓不超過安全閾值。供氣量過小時，由于座艙本身非完全密封，具有一定的正常漏氣量，因此即使排氣活門處于全關(guān)狀態(tài)，座艙壓力仍可能偏低，壓力過低時負(fù)壓活門將開啟，以保證座艙負(fù)壓不超過規(guī)定值。供氣量異常故障因素有空調(diào)系統(tǒng)故障、流量調(diào)節(jié)器故障、流量傳感器故障。

圖3 座艙壓力異常故障樹

1）空調(diào)系統(tǒng)故障?？照{(diào)系統(tǒng)故障可在一定程度上導(dǎo)致座艙供氣量異常，常見故障有空調(diào)流量和壓力異常、故障管路泄漏等。例如，某架飛機(jī)曾發(fā)生過空調(diào)系統(tǒng)管路泄漏，導(dǎo)致供氣量減小、發(fā)動機(jī)小狀態(tài)時座艙壓力值偏 低。

2）流量調(diào)節(jié)器故障。流量調(diào)節(jié)器用來保證以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣，并優(yōu)先滿足座艙供氣量。流量調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時，可能導(dǎo)致座艙與設(shè)備艙供氣量比例失調(diào)，影響座艙壓力。例如，飛行員反映某型飛機(jī)高空小表速時出現(xiàn)座艙壓力偏低，高度快速下降時更為明顯，推油門進(jìn)入大狀態(tài)時座艙壓力恢復(fù)正常。后檢查發(fā)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)器卡滯，供給設(shè)備艙的空氣流量過大，導(dǎo)致供給座艙的供氣量偏小。發(fā)動機(jī)在大狀態(tài)時空調(diào)系統(tǒng)供氣流量大，設(shè)備艙分流作用不明顯，對座艙壓力影響??；而在小狀態(tài)尤其是高度下降、座艙壓力應(yīng)增大時，設(shè)備艙分流作用明顯，座艙供氣量不足，壓力 偏低。

3）流量傳感器故障。流量傳感器出現(xiàn)故障時會向流量調(diào)節(jié)器發(fā)出錯誤信號，致使流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的流量比例不正常，進(jìn)而通過影響座艙供氣量而影響了座艙壓力。

2.3 排氣量異常故障分析

氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)系統(tǒng)以氣壓信號作為調(diào)節(jié)的介質(zhì)，座艙壓力調(diào)節(jié)器通過感受座艙壓力與外界大氣壓，發(fā)出與預(yù)定的氣密座艙壓力調(diào)節(jié)曲線相符合的氣壓控制信號，控制排氣活門將多余的空氣從座艙排入后設(shè)備艙，使座艙內(nèi)的壓力得到調(diào)節(jié)。因此，排氣量異常將直接導(dǎo)致座艙壓力異常，常見的排氣量異常故障因素有壓力調(diào)節(jié)器故障、感壓管堵塞、排氣活門卡滯或 故障。

1）壓力調(diào)節(jié)器故障。座艙壓力調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障將使控制排氣活門的壓力出現(xiàn)異常，導(dǎo)致排氣活門的排氣量異常，進(jìn)而使座艙壓力異常。外場維護(hù)中因座艙壓力調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致座艙壓力異常的故障占比較大。

2）排氣活門卡滯或故障。排氣活門卡滯或故障將使排氣量異常，直接導(dǎo)致座艙壓力調(diào)節(jié)失效或出現(xiàn)較大誤差。在使用維護(hù)中，曾出現(xiàn)排氣活門被外來物卡住、排氣活門卡滯、排氣活門減振器漏氣、活門性能下降等故障 類型。

3）感壓管路堵塞。感壓管路堵塞將使壓力調(diào)節(jié)器感受的座艙壓力變小，從而控制排氣活門的排氣量減小而增大座艙壓力，使座艙壓力調(diào)節(jié)值偏高。此類管路堵塞的情況在外場維護(hù)中雖有發(fā)生，但出現(xiàn)幾率較小，故障排查 復(fù)雜。

2.4 漏氣量異常故障分析

受座艙結(jié)構(gòu)限制，飛機(jī)氣密座艙允許有正常范圍內(nèi)的漏氣量，漏氣量常常與座艙的氣密程度和座艙內(nèi)外余壓有關(guān)[6]。例如，某型機(jī)規(guī)定在地面進(jìn)行座艙密封性檢查時，當(dāng)座艙停止供氣后，座艙壓力從30kPa 下降到10kPa 的時間不能少于150s?？梢?，在座艙密封性良好的情況下座艙的漏氣量不大，但當(dāng)座艙因為某種原因密封性下降而使漏氣量過大時，即使壓力調(diào)節(jié)器控制排氣活門關(guān)閉也仍然可能導(dǎo)致座艙壓力偏低甚至座艙失密。常見漏氣量異常的故障因素有以下幾種。

1）飛機(jī)座艙密封結(jié)構(gòu)不密封或密封性下降。座艙內(nèi)部有各種穿墻電纜、導(dǎo)管和操縱線系，其安裝必須符合規(guī)定工藝，并使用密封材料保證座艙有一定的密封性要求。若穿墻結(jié)構(gòu)連接處安裝不到位或密封材料失效、掉落等，都可能導(dǎo)致座艙密封結(jié)構(gòu)不密封或密封性下降。

2）座艙結(jié)構(gòu)受到破壞。如座艙蓋氣密軟管破裂導(dǎo)致座艙失密、座艙壁板出現(xiàn)裂紋和損傷等。

3）座艙安全活門故障導(dǎo)致意外排氣。座艙安全活門的設(shè)置是為防止座艙壓力失調(diào)過大，限制座艙內(nèi)外最大壓差。安全活門正常開啟時工作壓差比壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的最大壓差大了一定數(shù)值，在正常調(diào)節(jié)時并不參與工作。而當(dāng)安全活門故障或者性能下降時會出現(xiàn)意外開啟，導(dǎo)致座艙漏氣量增大而影響座艙的正常壓力調(diào)節(jié)。日常機(jī)群維護(hù)檢查時曾多次發(fā)現(xiàn)安全活門開啟壓力偏低 現(xiàn)象。

3 結(jié)論

氣動式座艙壓力調(diào)節(jié)系中座艙壓力的主要影響因素包括座艙供氣量、排氣量、漏氣量等?？諝鈨袅魅肓康扔诠饬繙p去排氣量與漏氣量。當(dāng)空氣凈流入量大于零時，座艙壓力增大，凈流入量就越大，座艙壓力增加越快，反之亦然。分析座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因時，必須重點抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個參數(shù)相關(guān)的因素。由此，基于故障發(fā)生頻率和后果，形成以下排故及維修保障建議：

1）排故時緊抓座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個因素分析。實際維修保障中有時還會出現(xiàn)三種因素中兩兩疊加的情況，給排故造成困擾。例如，某型飛機(jī)曾出現(xiàn)座艙壓力偏低故障，最終查明為座艙排氣活門故障和座艙密封結(jié)構(gòu)密封性不符合要求的綜合因素導(dǎo)致。因此，在實際工作中考慮問題要全面，避免排故不徹底，留下問題隱 患。

2）排故中應(yīng)重點排查壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門等故障高發(fā)件。從長期的維修保障實踐來看，座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門發(fā)生故障的概率最高。統(tǒng)計三型飛機(jī)50 起座艙壓力異常故障后發(fā)現(xiàn)，因壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門產(chǎn)生的故障為38 起，約占全部故障的75%，其余復(fù)雜性故障一般為多因素疊加而引起的故障，在維修排故時應(yīng)依據(jù)具體故障現(xiàn)象綜合分析研判。

3）日常維修保障中應(yīng)加強(qiáng)空勤人員使用意見和感受的收集工作。限于技術(shù)條件和外場使用條件，模擬高空座艙壓力檢查時在座艙外局部空間制造低壓力環(huán)境的實現(xiàn)難度非常大。目前基層級和中繼級維修中座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能實現(xiàn)地面靜態(tài)特性檢查，無法實現(xiàn)座艙壓力調(diào)節(jié)器空中動態(tài)特性檢查。因此，在日常維修保障中一定要及時、細(xì)致地收集空勤人員的使用意見和感受，加強(qiáng)靜態(tài)特性檢查，以彌補(bǔ)檢查設(shè)備的缺陷和不足。

4）切實保障座艙安全活門這一最后安全屏障的性能。座艙安全活門是壓力調(diào)節(jié)器空中失效后座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最后一道安全屏障，日常維護(hù)檢查中需要重點檢查其工作壓力是否符合規(guī)定，確保系統(tǒng)安全底線。