基于QAR 數(shù)據(jù)的A320 系列飛機空調(diào)組件流量監(jiān)控

李偉 宋劍 羅俊/中國南方航空股份有限公司

空調(diào)系統(tǒng)是飛機重要系統(tǒng)之一，直接影響旅客舒適度。飛機的空調(diào)系統(tǒng)可以控制座艙溫度、電子艙及貨艙通風,以及通過控制空氣流量來控制座艙壓力。如果流量調(diào)節(jié)異常，嚴重時可能導致飛機釋壓風險?？照{(diào)艙熱空氣滲漏是造成組件流量異常的主要原因之一，滲漏嚴重時還會產(chǎn)生引氣滲漏警告，不能放行飛機。因此，對空調(diào)艙熱空氣滲漏的連續(xù)監(jiān)控十分必要。

1 流量控制

流量控制的主要部件包括空調(diào)系統(tǒng)控制器（ACSC）、空調(diào)面板（30VU）上的組件流量選擇旋鈕或電門、流量控制活門（FCV）、組件進口壓力傳感器（PIPS）、壓差傳感器（DPS）等，其中，F(xiàn)CV 是流量的直接控制部件。ACSC1 控制FCV1，ACSC2 控制FCV2，ACSC1 參與流量計算，將計算后的流量指令發(fā)送給ACSC2[1]。

1.1 流量控制活門（FCV）

FCV 可以由駕駛艙的PACK 電門、火警電門以及迫降電門（ditching 電門）關斷，也可以由計算機ACSC 控制關斷。FCV 的開關可以實現(xiàn)將引氣引入或關閉空調(diào)組件的功能，其作動方式屬于電控氣動。除了引入引氣之外，還有以下三個功能：

1）控制流入空調(diào)組件的流量（kg/s）。

2）飛機迫降在水面、發(fā)動機啟動、發(fā)動機著火以及機組人工關斷時，F(xiàn)CV將空調(diào)與氣源系統(tǒng)隔離。

3）當ACM 超溫和引氣低壓時，ACSC 計算機控制FCV 關閉，以保護空調(diào)系統(tǒng)。

1.2 流量需求

1.3 流量選擇

對于A320 系列飛機而言，F(xiàn)CV有三種流量可供選擇：80%、100%和120%。

在雙發(fā)運轉(zhuǎn)使用發(fā)動機引氣且雙空調(diào)組件正常工作條件下，系統(tǒng)默認選擇100%的流量模式。進行人工選擇時，A321 飛機的FCV 只能選擇80%和100%流量，即在頭頂板上選擇ECON FLOW 電門；而A320/A319 飛機，可以通過PACK FLOW 旋鈕選擇使用80%、100%和120%的流量。80%的流量模式可以節(jié)省飛機燃油（達不到需求的溫度時，ACSC 會自動將流量調(diào)節(jié)到100%）。

只要APU 對空調(diào)供氣（不論是否單空調(diào)工作），ACSC 會自動調(diào)節(jié)FCV到120%；或者發(fā)動機工作過程中進行單空調(diào)供氣時，ACSC 也會自動調(diào)節(jié)FCV 到120%。人工選擇時，A320/A319飛機允許根據(jù)旅客數(shù)量及外界狀況（排煙、熱或濕等條件）選擇組件活門流量到120%，A321 飛機無此人工選項。

表1 不同情況下的流量需求

表2 A320飛機組件流量正態(tài)分布參數(shù)

2 流量分析

通過梳理空客廠家給出的流量需求，可以得出正常操作情況下的流量范圍。本文旨在通過監(jiān)控流量來監(jiān)測熱空氣滲漏情況，因此只監(jiān)控地面階段數(shù)據(jù)。

2.1 正常范圍

正常操作時，在地面使用發(fā)動機引氣且雙空調(diào)組件正常工作，A320 系列飛機流量自動選擇100%流量。具體的流量需求與當時的座艙溫度和座艙壓力息息相關，根據(jù)表2 可知，A320/A319飛機流量自動選擇在100%流量時該值為1.102kg/s，即單組件為0.5510kg/s；A321 飛機為1.293kg/s，即單組件為0.6465kg/s。

統(tǒng)計南航某分公司運行的4 架A320 飛機近一年（包括春夏秋冬四季）航班的流量（PF）數(shù)據(jù)，每架飛機兩個組件，共有12276 份流量（PF）樣本。

參考正態(tài)分布公式

各項參數(shù)如表2 所示，所得出的正態(tài)分布曲線參考圖1，基本符合正態(tài)分布。

標準差分析參考表3，認為3σ 的概率為99.8615%，就足以篩選出正常范圍數(shù)據(jù)，即0.38 ≤PF ≤0.61，因此對A320 飛機的監(jiān)控在該范圍取值。

圖1 A320飛機組件流量（PF）概率分布曲線

表3 A320飛機組件流量標準差分析

統(tǒng)計南航某分公司運行的10 架A321 飛機近一年航班的流量PF 數(shù)據(jù)，每架飛機兩個組件，共有31212 份PF樣本。其中，A321 飛機正態(tài)分布各項參數(shù)如表4 所示。

從圖2 可以看出，A321 飛機的組件PF 的概率分布符合正態(tài)分布，不過3σ 范圍樣本發(fā)生概率過高，因此對3σ 范圍需要進一步修訂。標準差分析參考表5，認為修訂后的3σ 的范圍概率為99.542%，足以篩選出正常范圍數(shù)據(jù)，即0.36 ≤PF ≤0.67，因此對A321飛機的監(jiān)控在該范圍取值。

由上述分析可知，正常A320/A319飛機在地面使用發(fā)動機引氣供給空調(diào)雙組件，正常100%流量情況下，手冊中每個組件流量的理論需求PF=0.55kg/s，實際運行數(shù)據(jù)為0.38kg/s≤PF≤0.61kg/s。

正常A321 飛機在地面使用發(fā)動機引氣供給空調(diào)雙組件，正常100%流量情況下，手冊中每個組件流量的理論需求PF=0.65kg/s，實際運行數(shù)據(jù)為 0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s。

表4 A321飛機組件流量正態(tài)分布參數(shù)

2.2 組件流量差值

理論上，左右組件在同樣條件下的流量應該相等，然而在實際運行中，組件流量左右存在差值，該差值的大小可以反應空調(diào)艙熱空氣的滲漏情況。根據(jù)空客技術(shù)文件ECS 19 REPORT FOR PACK MONITORING[2]，正常左右組件差值應小于10%。如果差值超過10%，則應考慮是真實流量差還是流量傳感器指示問題，需要進行排故?？紤]到A320/A319 飛機實際組件流量運行數(shù)據(jù)為0.38kg/s ≤PF ≤0.61kg/s，設置組件流量差的觸發(fā)警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s；A321 飛機實際組件流量運行數(shù)據(jù)為0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s，設置組件流量差的觸發(fā)警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s，與A320/A319 飛機取值相同。

3 監(jiān)控模型

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，設計發(fā)動機引氣供給空調(diào)組件100%流量模式下的健康監(jiān)控模型，以判斷空調(diào)艙熱空氣滲漏情況。

3.1 監(jiān)控邏輯條件

根據(jù)需求，監(jiān)控邏輯為：飛機在地面（起落架壓縮）；發(fā)動機啟動和滑行階段（PHASE 02 and PHASE 03）；為了減少FCV 作動過程對數(shù)據(jù)的影響，取值FCV 打開120s 平穩(wěn)后、飛機離地前30s 內(nèi)的數(shù)據(jù)。對每個航段符合上述截取邏輯條件的數(shù)據(jù)進行平均，所得數(shù)據(jù)樣式如表6 所示。

3.2 監(jiān)控閾值設置

根據(jù)上述分析，正常情況下，A320/A319 飛機空調(diào)組件流量應滿足0.38 ≤PF ≤0.61，ABS（PF1-PF2）≤0.06；A321 飛機空調(diào)組件流量應滿足0.36 ≤PF ≤0.67，ABS（PF1-PF2）≤0.06。因此，對超出范圍的飛機進行預警，并繼續(xù)后續(xù)的排故措施。詳細預警如下：

圖2 A321飛機組件流量（PF）概率分布曲線

表5 A321飛機組件流量標準差分析

表6 A320s組件流量監(jiān)控數(shù)據(jù)樣表

1）PF 大于監(jiān)控值高值時，即A320/A319 飛機PF1（PF2）超過0.61kg/s或A321 飛機PF1（PF2）超過0.67kg/s 時，檢查流量指示系統(tǒng)，檢查熱空氣滲漏情況。

2）PF 低于監(jiān)控值低值時，即A320/A319 飛機PF1（PF2）低于0.38kg/s或A321 飛機PF1（PF2）低于0.36kg/s 時，檢查流量指示系統(tǒng)。

3）流量差超范圍，即A320 系列飛機流量差大于0.06kg/s 時，重點檢查熱空氣滲漏情況。

4 模型驗證

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

想要實現(xiàn)上述監(jiān)控模型，對每架飛機每個航段都要實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控的功能，如圖3 所示，有幾個關鍵點需要完 成。

1）數(shù)據(jù)獲取。主要指飛機的飛行數(shù)據(jù)QAR，飛機基于機場無線網(wǎng)絡，在每個航段后將該航段的QAR 數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)斤w行數(shù)據(jù)服務器上。

2）數(shù)據(jù)分析。獲得飛行數(shù)據(jù)QAR后，需要自動解碼，自動完成空調(diào)系統(tǒng)流量相關參數(shù)的提取，通過一定的算法邏輯，綜合應用設計數(shù)據(jù)，自動判斷流量相關數(shù)據(jù)并得出維修建議。

3）維修決策。獲得維修建議后，根據(jù)飛機運行情況，利用合適停場時間進行排故，并將結(jié)果錄入監(jiān)控模型進行效果驗證。

圖3 基于QAR的空調(diào)組件流量監(jiān)控系統(tǒng)模型

4.2 監(jiān)控案例

1）案例1

2019年7月11日，車間反饋B-XX53飛機在北京高環(huán)境溫度觸發(fā)“AIR BLEED”維護信息，接著出現(xiàn)左大翼滲漏警告，不能放行。根據(jù)監(jiān)控，其組件流量差值數(shù)據(jù)超出范圍2 倍，ABS（PF1-PF2）=0.13，左側(cè)偏大，認為左側(cè)空調(diào)艙存在熱空氣滲漏現(xiàn)象。后續(xù)上飛機打印ECS19 報文（使用APU 引氣供給雙空調(diào)組件，默認流量120%），觀察到ABS（PF1-PF2）=0.16，與基于QAR 數(shù)據(jù)的空調(diào)組件流量監(jiān)控所得結(jié)論相同。

圖4 B-XX53左ACM方形封嚴吹掉，部分鋼絲螺套松脫（左），與ECS19報（右）數(shù)據(jù)結(jié)論相同

檢查發(fā)現(xiàn)空調(diào)空氣循環(huán)機ACM 壓氣機處方形封嚴已經(jīng)吹掉，同時發(fā)現(xiàn)部分鋼絲螺套松脫，如圖4 所示。更換ACM 后數(shù)據(jù)恢復正常，ABS（PF1-PF2）= 0.02。

2）案例2

2019 年7 月8 日，B-XX19 飛機監(jiān)控出現(xiàn)維護信息“AIR BLEED”，同時觸發(fā)右大翼滲漏警告，不能放行，復位后警告消失。查看組件流量數(shù)據(jù)ABS（PF1-PF2）=0.15，組件流量差值異常，右側(cè)偏大，認為右側(cè)空調(diào)艙存在熱空氣滲漏現(xiàn)象。航后檢查發(fā)現(xiàn)右組件空氣循環(huán)機ACM 方形封嚴吹掉，如圖5 所示。更換ACM 后恢復正常，ABS（PF1-PF2）= 0.03。

3）案例3

2019 年7 月13 日，B-XX81 飛機的ABS（PF1-PF2）=0.06，組件流量差值異常，右側(cè)偏大，認為右側(cè)空調(diào)艙存在熱空氣滲漏現(xiàn)象。航后檢查發(fā)現(xiàn)右組件空氣循環(huán)機ACM 方形封嚴破損。更換ACM 后恢復正常，ABS（PF1-PF2）=0.01。

5 結(jié)束語

通過對空調(diào)流量的滲漏分析，建立空調(diào)流量的監(jiān)控模型，給出連續(xù)每個航段的監(jiān)控方法，通過案例對監(jiān)控模型進行驗證。該模型已經(jīng)在實際中應用，效果理想，滿足監(jiān)控要求。

圖5 B-XX19飛機右ACM方形封嚴吹掉