數(shù)據(jù)分析在預(yù)防客艙釋壓中的運(yùn)用

黨建平 顧楊波 楊威 俞珺

摘要：客艙釋壓是民航客機(jī)重點(diǎn)管控故障，日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)增壓系統(tǒng)及部件的狀態(tài)監(jiān)控。本文介紹利用QAR數(shù)據(jù)，通過CPC異常指令、客艙密封性及外流活門等多項(xiàng)數(shù)據(jù)的建模分析，建立對(duì)增壓系統(tǒng)性能趨勢的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：釋壓；座艙壓力控制器；外流活門；增壓系統(tǒng)；客艙高度；密封條

Keywords：pressure relief；CPC；outflow valve；pressurization system；cabin altitude；sealing strips

0 引言

客艙釋壓是民航客機(jī)常見的SDR事件且很難避免?？团撫寜菏秋w機(jī)在飛行過程中客艙高度增高且超過安全值，導(dǎo)致客艙壓力與外部的壓差比預(yù)定值顯著減小甚至為零，即飛機(jī)客艙高度與環(huán)境高度一致，飛機(jī)失去增壓功能。在萬米高空，如果機(jī)艙內(nèi)氧氣含量越來越少，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常人的生理承受能力，加上高空低溫，很容易造成旅客及機(jī)組昏迷，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的空中事故征候。

1 增壓系統(tǒng)原理

本文以空客A320飛機(jī)為例分析增壓系統(tǒng)工作及其故障原理。

客艙增壓系統(tǒng)有4個(gè)增壓過程，分別為地面空置、預(yù)增壓、空中增壓、釋壓。系統(tǒng)包括2個(gè)座艙壓力控制器（CPC）、一個(gè)余壓控制組件（RPCU）、1個(gè)外流活門、1個(gè)控制面板和2個(gè)安全活門。外流活門是客艙壓力控制的主要裝置，內(nèi)含3個(gè)獨(dú)立的馬達(dá)，其中2個(gè)為自動(dòng)操作，1個(gè)為人工操作。3個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)馬達(dá)中的任何一個(gè)都可為外流活門提供動(dòng)力。正常情況下，兩個(gè)客艙壓力控制器中的一個(gè)通過相應(yīng)的自動(dòng)馬達(dá)來操作放氣活門。在正常操作中，座艙增壓是全自動(dòng)的，機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的操作，無需采取任何動(dòng)作控制。座艙氣壓遵循系統(tǒng)從飛行管理和引導(dǎo)系統(tǒng)（FMGS）以信號(hào)形式接收的外部計(jì)劃。當(dāng)FMGS數(shù)據(jù)不可用于自動(dòng)增壓時(shí)，機(jī)組只需選擇著陸機(jī)場標(biāo)高，增壓系統(tǒng)就會(huì)將人工選擇的著陸機(jī)場標(biāo)高用于內(nèi)部計(jì)劃。在人工方式中，機(jī)組通過增壓控制面板控制外流活門的人工馬達(dá)來控制座艙高度?？团撛鰤涸砣鐖D1所示。

A320飛機(jī)有兩個(gè)相同但各自獨(dú)立控制的CPC，這兩個(gè)CPC接收來自大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（ADIRS）、飛行管理引導(dǎo)計(jì)算機(jī)（FMGC）、發(fā)動(dòng)機(jī)接口組件（EIU）和起落架控制接口組件（LGCIU）的信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)或半自動(dòng)方式時(shí)，一個(gè)CPC工作，另一個(gè)作為備用。

外流活門位于后貨倉尾部。作動(dòng)器包含兩個(gè)自動(dòng)馬達(dá)和人工馬達(dá)。自動(dòng)馬達(dá)以自動(dòng)方式操作活門，人工馬達(dá)以人工方式操作活門。在自動(dòng)方式中，工作的控制器將活門位置信號(hào)發(fā)送至飛機(jī)電子集中監(jiān)控系統(tǒng)（ECAM）。在人工方式中，1號(hào)CPC的備用部分將活門位置信號(hào)發(fā)送至ECAM。

在自動(dòng)增壓方式下，兩套增壓控制系統(tǒng)是相同且獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，一次只有一個(gè)CPC工作，兩套系統(tǒng)會(huì)在每次著陸70s后或者CPC故障后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一部CPC控制。CPC自動(dòng)控制客艙壓力，在巡航狀態(tài)下將客艙壓力限制在8000ft以下（高原機(jī)場為14100ft以下）。CPC通常使用來自FMGC的著陸標(biāo)高和QNH（修正海平面氣壓）以及來自ADIRS的氣壓高度。如果FMGC數(shù)據(jù)不可用，CPC將使用機(jī)長側(cè)的基準(zhǔn)氣壓（來自ADIRS）以及選擇的LDG ELEV。

如果兩套自動(dòng)系統(tǒng)均失效，機(jī)組可通過客艙控制面板上的人工/自動(dòng)方式對(duì)座艙增壓進(jìn)行人工控制。

2 CPC異常指令模型及監(jiān)控

從增壓方式原理可以看出，參與飛機(jī)增壓的部件分別為CPC、客艙整體密封條、外流活門。對(duì)此空客在ISI 21.31.00041中提到，在超長服役的CPC計(jì)算機(jī)中存在電路板虛焊狀態(tài)，這類CPC件號(hào)為PN 20791*，其供應(yīng)商（Nord Micro）進(jìn)行的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，焊接裂紋可能由于老化而出現(xiàn)，出現(xiàn)疲勞焊點(diǎn)的大多數(shù)CPC已工作13～15年左右，存在疲勞焊點(diǎn)的CPC間歇性存在著陸場標(biāo)高（LFE）值損壞、客艙壓力信號(hào)損壞等情況，此時(shí)的CPC無法區(qū)分其自身是否存在故障，導(dǎo)致無法自動(dòng)切換至備用CPC控制客艙增壓而出現(xiàn)釋壓。

另外，自動(dòng)壓力正?？刂品绞街?，CPC使用來自FMGC的著陸標(biāo)高和QNH以及來自ADIRU的氣壓高度。如果FMGC數(shù)據(jù)不可用，則CPC使用來自ADIRU的機(jī)長氣壓基準(zhǔn)和著陸標(biāo)高選擇。A320飛機(jī)為CPC獲取著陸機(jī)場的QNH值以計(jì)算著陸機(jī)場的真實(shí)氣壓，從而正確控制下降過程中的客艙高度。正常情況下CPC使用MCDU中進(jìn)近頁面機(jī)組數(shù)據(jù)的著陸機(jī)場QNH值，如果因其他因素MCDU未輸入且CPC已經(jīng)進(jìn)入下降模式，則CPC會(huì)使用FCU上顯示的氣壓基準(zhǔn)值。如飛行過程中未使用MCDU中數(shù)據(jù)目的地機(jī)場的QNH值，也未調(diào)整FCU氣壓基準(zhǔn)數(shù)值，飛機(jī)會(huì)直接將QFE轉(zhuǎn)換成STD，則可能使用了錯(cuò)誤的著陸機(jī)場標(biāo)高，導(dǎo)致座艙高度異常。

以上兩種都是CPC異常指令導(dǎo)致客艙高度異常從而導(dǎo)致釋壓的情況。從原理上分析，CPC會(huì)控制客艙高度呈現(xiàn)穩(wěn)定下降或上升狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)CPC內(nèi)部虛焊或未輸入QNH等情況時(shí)，必然造成客艙高度控制異常。針對(duì)上述情況，從QAR中提取客艙高度參數(shù)，計(jì)算異?？团摳叨缺O(jiān)控，建立以下算法。

通過歷史累計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，歷史上三次異常點(diǎn)都存在客艙高度異常急劇變化，這都是CPC非指令控制導(dǎo)致客艙高度異常的表現(xiàn)。從QAR中調(diào)出異常點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線，對(duì)比異常點(diǎn)1、2、3，如圖4所示，從中可見在短期內(nèi)（通常5min）飛機(jī)客艙高度急劇變化，并且呈無規(guī)則變化狀態(tài)，乘客會(huì)感覺到劇烈的壓耳和不適感。

3 客艙密封性預(yù)測

對(duì)于客艙密封性的監(jiān)控，主要研究飛機(jī)在巡航階段飛機(jī)整體密封性的狀態(tài)，包括客艙門密封條的密封性、余水孔的密封性、各類電子艙門的密封性。監(jiān)控原理為：假設(shè)飛機(jī)在空中的客艙壓力為恒定值，空調(diào)進(jìn)氣量與外流活門排氣量和密封條滲漏的和值相等。以此為基礎(chǔ)選取條件為雙開空調(diào)狀態(tài)，氣壓高度為24000±4000ft，客艙高度為2200±200ft，前置條件為持續(xù)5min穩(wěn)定狀態(tài)。飛機(jī)進(jìn)氣量設(shè)為M1，空調(diào)一流量（kg/sec）設(shè)為α1，空調(diào)二流量（kg/sec）設(shè)為α2，則M1=（α1+α2）×T（單位：kg）。飛機(jī)出氣量設(shè)為M2，飛機(jī)出氣量M2等于外流活門出氣M3與蒙皮密封條滲漏M4之和。

將以上算法代入QAR數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)并得出歷史狀態(tài)曲線。圖6所示為20000飛行小時(shí)的飛機(jī)密封條滲漏率曲線，系數(shù)跳變經(jīng)常超過1.0，后采取密封條潤滑及修補(bǔ)措施后，最大系數(shù)值為0.89，恢復(fù)出廠狀態(tài)。

4 外流活門監(jiān)控

外流活門作為客艙增壓控制的主要部件，工作性能直接影響客艙增壓。外流活門作動(dòng)器包含2個(gè)自動(dòng)馬達(dá)和1個(gè)人工馬達(dá)。其中，2個(gè)旋翼可變差動(dòng)傳感器（RVDT）用于外流活門位置監(jiān)控，并將位置信號(hào)發(fā)送至ECAM。兩個(gè)RVDT分別安裝在外流活門的兩個(gè)齒輪盒內(nèi)。對(duì)RVDT的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，外流活門在空中增壓時(shí)角度大約為8°左右，分別建立兩個(gè)RVDT差值和均值的計(jì)算公式，得出外流活門齒輪機(jī)構(gòu)性能，如圖7所示。

當(dāng)外流活門驅(qū)動(dòng)齒輪存在磨損或卡滯等情況，或者活門處于亞健康狀態(tài)時(shí)，活門在運(yùn)動(dòng)過程中RVDT顯示的角度存在不一致，間接反映了外流活門的物理狀態(tài)。結(jié)合外流活門角度和本文第3節(jié)，可以建立客艙密封性整體趨勢監(jiān)控。

5 結(jié)束語

客艙釋壓的管理一直是民航關(guān)注的重點(diǎn)，也是民航客機(jī)常見的比較有社會(huì)影響的安全事件，給航空公司和民航管理當(dāng)局帶來很大的壓力。民航客機(jī)客艙增壓有多套冗余設(shè)計(jì)，確保飛機(jī)不會(huì)突然釋壓，但從REASON模型可知，恰恰是多個(gè)綜合的安全因素導(dǎo)致了客艙釋壓的發(fā)生。

為此，本文從維護(hù)角度出發(fā)，將客艙釋壓的事后處理變?yōu)轭A(yù)防性監(jiān)控，利用QAR數(shù)據(jù)建立增壓系統(tǒng)多個(gè)部件的性能趨勢監(jiān)控曲線，并建立客艙壓力的大數(shù)據(jù)庫，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，可有效預(yù)防客艙釋壓事件的發(fā)生。