基于波音787 飛機(jī)電子冷卻系統(tǒng)的空氣濾芯動(dòng)態(tài)監(jiān)控手段

■ 梁劍武 梁偉杰/中國(guó)南方航空股份有限公司工程技術(shù)分公司

0 引言

隨著航空器綜合航電技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)航電系統(tǒng)集成化程度進(jìn)一步提高，尤其以波音787 和空客A350 為代表的機(jī)型大量采用集成模塊化計(jì)算機(jī)，涵蓋了飛機(jī)大部分系統(tǒng)，飛機(jī)攜帶的電子設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量達(dá)到前所未有的水平，這也使航電設(shè)備的發(fā)熱量越來(lái)越大，相應(yīng)的防護(hù)要求越來(lái)越高，電子設(shè)備的散熱問(wèn)題日顯突出。由于電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)跟不上航電技術(shù)的發(fā)展速度，飛機(jī)仍采用風(fēng)冷散熱方式對(duì)電子設(shè)備艙進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致設(shè)備冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的空氣濾芯的污染程度直接影響冷卻效率，需定期更換空氣濾芯才能確保航電系統(tǒng)的可靠性。

本文基于波音787 飛機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，建立空氣濾芯污染狀況監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，判定濾芯污染程度，找到最優(yōu)的濾芯更換時(shí)間點(diǎn)，在保證航電系統(tǒng)可靠性的同時(shí)提高濾芯更換的合理性。

1 飛機(jī)設(shè)備冷卻系統(tǒng)空氣濾芯基本作用

民用飛機(jī)電子設(shè)備的冷卻主要通過(guò)飛機(jī)設(shè)備冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般采用風(fēng)冷卻方式，即采用自帶風(fēng)機(jī)通過(guò)供氣管抽取空氣流經(jīng)電子設(shè)備將熱量排出機(jī)外。在此過(guò)程中，空氣中的顆粒（如雜質(zhì)、灰塵、粉塵等）會(huì)隨空氣進(jìn)入電子設(shè)備艙，同時(shí)，電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的大量靜電會(huì)引起灰塵積聚，造成電子設(shè)備散熱不暢，還會(huì)影響各模塊板卡的接觸，甚至加速電路板的腐蝕，因此，在飛機(jī)冷卻系統(tǒng)管路進(jìn)口處設(shè)有微米級(jí)空氣濾芯以避免上述情況的發(fā)生。以波音787飛機(jī)為例，空氣濾芯精度達(dá)到50μm 標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 波音787飛機(jī)空氣濾芯

當(dāng)空氣濾芯被污染到一定程度（見(jiàn)圖2），將影響氣流進(jìn)入供氣管路，進(jìn)而影響通風(fēng)冷卻效果，空氣顆粒的過(guò)濾效果也會(huì)下降。因此，飛機(jī)需要定期更換空氣濾芯，以保證設(shè)備冷卻系統(tǒng)的工作效率。

圖2 受污染的空氣濾芯

2 空氣濾芯更換間隔周期的設(shè)置

波音公司要求787 飛機(jī)以每8000FH 間隔更換空氣濾芯，廠家反饋該更換間隔標(biāo)準(zhǔn)是基于美國(guó)空氣質(zhì)量而制定，即基于美國(guó)本土或美歐航線的長(zhǎng)期航行數(shù)據(jù)得出。中國(guó)空氣質(zhì)量總體遜于歐洲和北美地區(qū)，美國(guó)的PM2.5 標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，例如，PM2.5日均濃度值35 ～75μg/m3，按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為良，按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為中度污染（見(jiàn)表1）。因此，不能把波音公司提供的更換標(biāo)準(zhǔn)直接套用于中國(guó)運(yùn)行的飛機(jī)。

表1 中美空氣污染標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

由于前期沒(méi)有數(shù)據(jù)樣本，我司通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽樣記錄以及借鑒其他機(jī)型的操作情況，以“一刀切”的方式將更換空氣濾芯的間隔設(shè)置為4000FH（波音標(biāo)準(zhǔn)的一半）。后續(xù)通過(guò)多次抽樣、分析、調(diào)整，但均無(wú)法找到恰當(dāng)?shù)母鼡Q周期間隔，原因是我司787 飛機(jī)為多地運(yùn)行，涵蓋廣州、新疆、北京、武漢等城市，因各城市的空氣質(zhì)量不同，使得在相同運(yùn)行周期內(nèi)不同地域運(yùn)行的飛機(jī)的空氣濾芯受污染程度不一樣，南方地區(qū)執(zhí)管飛機(jī)的空氣濾芯污染情況普遍較輕。另外，抽樣發(fā)現(xiàn)空氣濾芯的污染狀況與航路有關(guān)，我司機(jī)隊(duì)的運(yùn)行情況是787-8飛機(jī)通常執(zhí)行國(guó)內(nèi)航線，787-9 飛機(jī)通常執(zhí)行國(guó)際航線，在相同的運(yùn)行周期內(nèi)787-9 飛機(jī)的空氣濾芯污染程度較輕。因此，有必要對(duì)波音787 飛機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣濾芯污染程度引入動(dòng)態(tài)監(jiān)控的方式。

3 監(jiān)控系統(tǒng)合理性分析

飛機(jī)設(shè)備冷卻系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）是指對(duì)電子設(shè)備架上的電子設(shè)備進(jìn)行冷卻的裝置，還包括對(duì)駕駛艙的面板及主儀表板的冷卻。波音787 飛機(jī)裝有前設(shè)備冷卻系統(tǒng)和后設(shè)備冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)基本組成相同，包括冷卻供氣管路和冷卻排氣管路，主要功能元件為供氣/排氣風(fēng)扇、空氣流量傳感器和氣動(dòng)排氣活門(mén)。在設(shè)備冷卻系統(tǒng)中，流量傳感器用于探測(cè)管道冷卻空氣流量變化，可側(cè)面反映出空氣濾芯的堵塞情況。

圖3 飛機(jī)冷卻系統(tǒng)

抽樣選取一架787-8 飛機(jī)和一架787-9 飛機(jī)的前設(shè)備冷卻系統(tǒng)管道空氣流量值的三年動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4），得出的數(shù)據(jù)和理論相符?？諝鉃V芯隨著使用時(shí)間發(fā)生堵塞，管道中的空氣流速下降，當(dāng)冷卻空氣流量不足時(shí)，流量傳感器將觸發(fā)警告，更換新的空氣濾芯后，管道內(nèi)流速恢復(fù)高位值。因此，可通過(guò)監(jiān)控設(shè)備冷卻系統(tǒng)中空氣流量傳感器的流量值參數(shù)來(lái)判斷空氣濾芯的堵塞情況，進(jìn)而更換空氣濾芯，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。

圖4 電子設(shè)備艙管道空氣流量值與濾芯使用時(shí)間的關(guān)系

4 設(shè)定設(shè)備冷卻系統(tǒng)流量傳感器的門(mén)限值

波音787 飛機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)儲(chǔ)存在飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS）中，經(jīng)查詢(xún)，設(shè)備冷卻系統(tǒng)的流量傳感器參數(shù)位于AHM-340 Report 報(bào)表。統(tǒng)計(jì)2015 ～2020 年間我司波音787 機(jī)隊(duì)前設(shè)備冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣管道流量傳感器參數(shù)值，以此為樣本建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型（見(jiàn)圖5），計(jì)算流量參數(shù)的最低值、最大值和平均值，分別為28ppm、62ppm、46ppm。根據(jù)波音公司提供的冷卻系統(tǒng)空氣流量設(shè)置門(mén)限表（見(jiàn)圖6），隨著客艙壓力的升高，空氣流量門(mén)限值也升高，當(dāng)客艙壓力為15psi 且客艙溫度在15℃時(shí)，流量閾值位于26 ～27ppm 之間。另外，我司從運(yùn)行787 飛機(jī)以來(lái)，從未發(fā)生過(guò)因?yàn)V網(wǎng)堵塞而導(dǎo)致的設(shè)備冷卻系統(tǒng)流量低警報(bào)。因此，結(jié)合我司運(yùn)行數(shù)據(jù)和波音提供的設(shè)置參數(shù)，將前設(shè)備冷卻系統(tǒng)流量的門(mén)限值設(shè)置在28psi 較為合理。

圖5 前設(shè)備冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣管道流量傳感器參數(shù)

圖6 前冷卻系統(tǒng)空氣流量設(shè)置門(mén)限表

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)各民用航空公司運(yùn)營(yíng)的飛機(jī)以歐美生產(chǎn)的空客、波音飛機(jī)為主，占我國(guó)民用飛機(jī)數(shù)量近90%，但原廠制定的方案多基于該國(guó)本土情況考慮，我國(guó)航司不宜照搬，而是應(yīng)制定適合自身的方案。本文以設(shè)備冷卻系統(tǒng)為案例，對(duì)空氣濾網(wǎng)堵塞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取最佳的濾芯更換時(shí)間點(diǎn)。每個(gè)機(jī)型上都有許多類(lèi)似的空氣濾網(wǎng)，均可采用此方法建立濾芯的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)濾芯的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，繪制出其流量值/飛行小時(shí)圖表以及其正態(tài)分布圖，找出飛機(jī)空氣濾芯對(duì)應(yīng)的最佳更換周期。

本方法可推廣至每個(gè)機(jī)型/型號(hào)飛機(jī)的空氣濾網(wǎng)中，基于飛機(jī)系統(tǒng)對(duì)維修方案進(jìn)行優(yōu)化，以科學(xué)的監(jiān)控手段減少盲目更換濾芯，減少不必要的更換工時(shí)，最終達(dá)到降低航空公司的運(yùn)營(yíng)成本的目的。