波音787飛機(jī)進(jìn)近時(shí)出現(xiàn)PACK ALTI TUDE limit信息原因分析及防范措施

王彥博 滕國鋒 王曉宇 金少平 張國生 陳偉

摘要：一架波音787飛機(jī)在進(jìn)近階段出現(xiàn)PACK ALTITUDE limit咨詢信息造成機(jī)組復(fù)飛，深入分析后發(fā)現(xiàn)此故障信息的觸發(fā)邏輯有缺陷，由此推進(jìn)廠家進(jìn)行改進(jìn)，提高了波音787飛機(jī)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：波音787飛機(jī)；故障分析；潮氣入侵

Keywords：B787 aircraft；fault analysis；moisture ingress

0 引言

作為波音公司最新一代客機(jī)，波音787飛機(jī)上有諸多區(qū)別于“傳統(tǒng)”飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念。其中，使用獨(dú)立的客艙空氣壓縮機(jī)（CAC）為客艙環(huán)控系統(tǒng)提供氣源而不再使用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣這一方案代表了當(dāng)今飛機(jī)最先進(jìn)的技術(shù)。該設(shè)計(jì)一方面大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少了飛機(jī)的整體燃油消耗，另一方面也減少了飛機(jī)上大量的氣動(dòng)部件，進(jìn)而減輕了飛機(jī)重量和維護(hù)成本。

新技術(shù)在帶來更多便利的同時(shí)也存在一些問題。例如，潮氣侵入空調(diào)系統(tǒng)造成系統(tǒng)故障的問題一直未得到很好解決，過多的水汽在飛機(jī)起飛后可能凍結(jié)空氣循環(huán)機(jī)（ACM）的渦輪葉片，既會(huì)造成相關(guān)部件故障，也會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)流量短時(shí)間內(nèi)驟變，引起CAC喘振，進(jìn)而使整個(gè)空調(diào)組件不工作。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近高度低于1000ft時(shí)，如出現(xiàn)PACK ALTITUDE limit咨詢信息，機(jī)組常因準(zhǔn)備時(shí)間不足而復(fù)飛，影響飛行安全。針對此情況，海航航空技術(shù)有限公司（海技）787工程團(tuán)隊(duì)通過深入分析該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了飛機(jī)軟件設(shè)計(jì)的邏輯缺陷。該研究成果已經(jīng)得到廠家的認(rèn)可，并承諾將在后續(xù)升級軟件解決此問題。

1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

787飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)使用電力驅(qū)動(dòng)，外界空氣經(jīng)過CAC增壓后，高溫高壓的氣體經(jīng)散熱器冷卻、水分離器和冷凝器除濕和ACM降溫后進(jìn)入混合總管，最終將溫度和濕度適宜的空氣分配到客艙和駕駛艙，為機(jī)組和旅客提供良好的旅途體驗(yàn)。整個(gè)過程由飛機(jī)計(jì)算機(jī)控制，分組控制單元（PCU）作為核心部件，通過軟件邏輯控制整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)（見圖1～圖3）。

PCU通過控制經(jīng)濟(jì)冷卻活門（ECV）、低限活門（LLV）、空氣旁通活門（ABV）三個(gè)組件活門的開度來控制ACM的工作狀態(tài)。在不同的外界環(huán)境和飛機(jī)狀態(tài)下，空調(diào)組件有不同的工作模式。所有空調(diào)部件均正常工作時(shí)，包括兩種工作模式：正常工作模式和經(jīng)濟(jì)冷卻模式?？照{(diào)系統(tǒng)部分部件失效后，系統(tǒng)可以工作在備用冷卻模式，也包括兩種工作模式：僅散熱器冷卻模式和冷凝器旁通模式。表1列出了各種工作模式下各關(guān)鍵部件的狀態(tài)，ACM作為最重要的部件直接影響空調(diào)組件的工作模式。

2 ACM失效原因及后果分析

廠家經(jīng)過多年的追蹤調(diào)查，已基本明確了ACM主要失效原因?yàn)槌睔馇秩?。在夏季尤其是濕度較大的南方地區(qū)，787飛機(jī)空調(diào)管路很容易積水，隨著飛機(jī)起飛爬升，環(huán)境溫度降低，積水結(jié)冰，飛機(jī)爬升至29500ft左右，ECV按照控制邏輯完全打開，積存在ECV后部的積水/積冰隨著活門的打開進(jìn)入ACM的T2渦輪，增加了葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，導(dǎo)致ACM轉(zhuǎn)速突然降低甚至葉片損傷。只要ACM轉(zhuǎn)速處于2000～4000rmp之間超過1mim，就會(huì)觸發(fā)ACM SPEED TOO LOW維護(hù)信息；ACM轉(zhuǎn)速低于2000rmp超過1min，就會(huì)觸發(fā)ACM FAIL維護(hù)信息。維護(hù)信息觸發(fā)的同時(shí)還會(huì)觸發(fā)PACK ACM狀態(tài)信息。同時(shí)，ACM轉(zhuǎn)速的急劇下降會(huì)造成空調(diào)組件內(nèi)流量的變化，當(dāng)通過CAC的實(shí)際流量接近或小于喘振流量時(shí)，CAC進(jìn)口處將產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象，此時(shí)相對氣流沖向CAC葉片的凹面，形成正攻角，在葉輪通道產(chǎn)生渦流區(qū)，引起CAC喘振。為了保護(hù)空調(diào)組件，系統(tǒng)在監(jiān)控到CAC喘振后會(huì)關(guān)閉故障側(cè)空調(diào)組件。在空中，機(jī)組可以通過復(fù)位空調(diào)組件的方式恢復(fù)CAC的工作，使空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入備用冷卻模式。值得注意的是，相對于右側(cè)組件，在整個(gè)左空調(diào)組件中左ACM的相對位置更低，導(dǎo)致左側(cè)管路中的積水在重力作用下更容易流入ACM，即左組件更易出現(xiàn)故障。

3 技術(shù)分析

787飛機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)與其他重要系統(tǒng)一樣，在部分組件失效的情況下，依靠剩余部件仍能保障飛行安全和旅客舒適度。例如，在ACM因結(jié)冰出現(xiàn)故障關(guān)閉的情況下，可能導(dǎo)致一側(cè)空調(diào)組件停止工作，而另一側(cè)空調(diào)組件依然可以保障整個(gè)航程的順利進(jìn)行。但近日海技工程團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述情況時(shí)，如果飛行高度低于1000ft，飛機(jī)常會(huì)出現(xiàn)PACK ALTITUDE limit咨詢信息，需要機(jī)組執(zhí)行相應(yīng)檢查單。機(jī)組復(fù)飛后一切正常，但進(jìn)近到同樣高度后會(huì)再次出現(xiàn)PACK ALTITUDE limit咨詢信息。

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)PACK ALTITUDE limit的條件為以下任意一條：

1）兩個(gè)CAC不工作且設(shè)備冷卻系統(tǒng)處于超控方式；

2）三個(gè)CAC同時(shí)不工作。

考慮到當(dāng)時(shí)飛機(jī)設(shè)備冷卻系統(tǒng)明顯未處于超控方式，說明是3個(gè)CAC同時(shí)不工作而觸發(fā)了PACK ALTITUDE limit警告信息。結(jié)合以往針對空調(diào)組件的工程調(diào)查，推斷當(dāng)潮氣侵入左側(cè)ACM后，在空中會(huì)因溫度下降而在T2渦輪處結(jié)冰，造成ACM故障，引起整個(gè)左側(cè)組件故障，進(jìn)而使得左側(cè)2個(gè) CAC不工作。為了進(jìn)一步分析第3個(gè)CAC不工作的原因，使用了航路數(shù)據(jù)譯碼。如圖4所示，飛機(jī)起飛后爬升至29500ft左右，因積冰進(jìn)入ACM，導(dǎo)致左組件ACM轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)，組件內(nèi)氣流振蕩引起CAC喘振，造成整個(gè)左組件停止工作。機(jī)組對空調(diào)組件進(jìn)行復(fù)位操作后，左組件進(jìn)入備用冷卻模式，左側(cè)兩個(gè)CAC恢復(fù)工作。當(dāng)飛行高度下降后，外界條件不滿足備用冷卻模式的工作條件，左組件被指令關(guān)斷，因此左側(cè)兩個(gè)CAC停止工作。

當(dāng)飛機(jī)繼續(xù)下降至1000ft左右時(shí)，因飛機(jī)座艙高度已經(jīng)很低，故對增壓系統(tǒng)需求的進(jìn)氣量不大，較低的組件進(jìn)氣量也能滿足客艙的需求，但在低空和地面FOD（機(jī)場跑道異物）的可能性也大大增加。為了防止FOD，CAC進(jìn)氣口折流門將展開，進(jìn)入組件的空氣流量會(huì)受到影響，此時(shí)PCU的內(nèi)部邏輯將通過關(guān)閉L2和R2兩個(gè)CAC來滿足流量控制的要求，即飛機(jī)自動(dòng)進(jìn)入流量管理模式的FS3模式。進(jìn)入FS3模式后，R2 CAC被指令關(guān)閉，同時(shí)，左側(cè)兩個(gè)CAC未工作，滿足3個(gè)CAC不工作的條件，從而觸發(fā)了PACK ALTITUDE limit咨詢信息。機(jī)組復(fù)飛、飛機(jī)高度上升后，R2 CAC恢復(fù)工作，咨詢信息消失，再次進(jìn)近到相同高度，R2 CAC再次被指令關(guān)閉，咨詢信息再次出現(xiàn)，直至飛機(jī)落地后R2 CAC恢復(fù)工作。

針對此案例得出以下結(jié)論：當(dāng)飛行高度下降到1000ft時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入流量管理模式的FS3模式，L2 CAC和R2 CAC將被指令關(guān)閉。如果此時(shí)一側(cè)組件故障，兩個(gè)CAC停止工作，就滿足觸發(fā)咨詢信息的條件。說明該信息的觸發(fā)邏輯存在明顯缺陷，當(dāng)前的軟件控制系統(tǒng)無法“智能地監(jiān)控”整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，在2個(gè)CAC不工作的情況下仍然機(jī)械地繼續(xù)關(guān)閉L2 CAC和R2 CAC。

了解上述控制缺陷后，對更多案例進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)并不是每一次ACM故障后都會(huì)觸發(fā)PACK ALTITUDE limit警告。

圖5所示為另一航段的譯碼數(shù)據(jù)圖，從中可以看出在飛機(jī)起飛前已核實(shí)左側(cè)ACM故障，依照MEL辦理保留，將左側(cè)ACM鎖定。飛機(jī)起飛后，左組件進(jìn)入備用冷卻模式。通過譯碼圖可知，在進(jìn)近階段L2 CAC和R2 CAC依照控制邏輯自動(dòng)關(guān)閉，而L1 CAC和R1 CAC始終處于工作狀態(tài)，沒有觸發(fā)PACK ALTITUDE limit信息。以上情況說明，整個(gè)飛行過程中左組件始終處于備用冷卻模式，而非之前案例中的當(dāng)高度下降不滿足備用冷卻模式要求時(shí)自動(dòng)退出備用冷卻模式。進(jìn)一步分析系統(tǒng)原理后得出結(jié)論：當(dāng)ACM在地面鎖定后，整個(gè)飛行過程中組件都將工作在備用冷卻模式。

綜上所述，如飛機(jī)在空中出現(xiàn)ACM故障，可能導(dǎo)致故障側(cè)2個(gè)CAC都不工作，即使通過復(fù)位空調(diào)組件使CAC重新工作，組件進(jìn)入備用冷卻模式，也會(huì)隨著高度降低后不滿足備用冷卻模式而自動(dòng)關(guān)閉。進(jìn)近高度下降到1000ft時(shí)，有缺陷的控制軟件邏輯無法識(shí)別當(dāng)前飛機(jī)已有2個(gè)CAC不工作，仍按固有邏輯關(guān)閉另一側(cè)的1個(gè)工作正常的CAC，導(dǎo)致出現(xiàn)3個(gè)CAC不工作的情況，進(jìn)而觸發(fā)PACK ALTITUDE limit咨詢信息。如果在地面時(shí)將故障側(cè)ACM通過MEL鎖定，則在空中該側(cè)組件一直工作在備用冷卻模式下，不會(huì)因高度等條件不滿足要求而自動(dòng)退出備用冷卻模式，故不會(huì)在進(jìn)近時(shí)出現(xiàn)3個(gè)CAC不工作的情況。

4 解決措施

在明確了PACK ALTITUDE limit咨詢信息的出現(xiàn)邏輯后，海技工程團(tuán)隊(duì)有針對性地與廠家合作，提出從以下幾個(gè)方面著手解決。

1）更新軟件控制邏輯

波音空調(diào)軟件控制邏輯存在明顯缺陷，在進(jìn)近時(shí)會(huì)對機(jī)組造成干擾。波音認(rèn)可了海技工程團(tuán)隊(duì)的結(jié)論，后續(xù)將通過軟件更新的形式抑制PACK ALTITUDE limit信息在低高度時(shí)的觸發(fā)。

2）提高空調(diào)系統(tǒng)可靠性

出現(xiàn)PACK ALTITUDE limit咨詢信息歸根結(jié)底源于787空調(diào)組件可靠性不高，尤其是潮氣入侵問題無法得到很好解決。因此，采取了多種工程措施解決該問題，包括：

a.在空調(diào)管路上和次級散熱器上打排水孔；

b.針對ECV、LLV、ABV三個(gè)重要活門進(jìn)行升級改裝；

c.針對CAC進(jìn)行升級改裝；

d.PCU軟件升級等。

這些措施旨在從軟硬件各方面解決問題，包括減少管路中的積水、提高散熱器出口溫度、減少ECV活門打開擺率、提供CAC硬件可靠性、減少CAC回流、修改PCU控制邏輯提高CAC喘振裕度等方面。

3）加強(qiáng)日常監(jiān)控和維護(hù)工作

在缺陷沒有徹底解決前，海技工程團(tuán)隊(duì)制定了一些監(jiān)控和維護(hù)措施，包括通過AHM監(jiān)控涉及空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)信息，提前預(yù)判將來可能發(fā)現(xiàn)的故障，及早進(jìn)行處理；嚴(yán)控ACM故障，使用高于MEL的標(biāo)準(zhǔn)放行飛機(jī)，盡量在地面將故障處理完畢，不讓飛機(jī)帶故障上天；針對空調(diào)系統(tǒng)制定多項(xiàng)工程指令、維護(hù)提示和排故指導(dǎo)，在完善和提高空調(diào)系統(tǒng)可靠性的同時(shí)方便工程團(tuán)隊(duì)及時(shí)獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，便于工作者能準(zhǔn)確有效地處理故障。

5 結(jié)論

通過對PACK ALTITUDE limit觸發(fā)條件的深入研究，了解其中的軟件控制原理，幫助廠家糾正其中的邏輯缺陷，避免了后續(xù)全球其他787機(jī)隊(duì)出現(xiàn)類似問題造成不必要的安全隱患。由于民航飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的很多狀況是飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)無法預(yù)見的，不能僅僅拘泥于現(xiàn)有的廠家手冊和廠家意見、盲目遵從迷信廠家的方案，而需要對系統(tǒng)原理進(jìn)行深入的分析，同時(shí)結(jié)合譯碼等輔助手段獲得故障的第一手資料，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，才能找到故障的根源。

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