A320 系列飛行數(shù)據(jù)記錄器工作原理淺析

■ 冷宇嘉 馮琦 李振江/北京飛機維修工程有限公司

1 飛行數(shù)據(jù)記錄器簡介

飛行數(shù)據(jù)記錄器（FDR）是記錄飛行狀態(tài)、操縱狀態(tài)，以及與航空器、發(fā)動機有關(guān)信息的機載自動記錄裝置，具有一定的抗沖擊、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕的保護(hù)能力，以在飛機發(fā)生飛行事故后獲取所記錄的數(shù)據(jù)。FDR 的設(shè)計必須符合適航當(dāng)局（民航監(jiān)管機構(gòu)）的強制性記錄要求，使運營商能夠履行法規(guī)規(guī)定的運營人職責(zé)，如EU-OPS（JAR-OPS）、FAR121.344 和其他國家法規(guī)[1]。

早在20 世紀(jì)40 年代世界各國已先后開始飛行數(shù)據(jù)記錄器的研制工作，50 年代時多國將其列為飛機的必選設(shè)備[2]。1957年，美國民用航空署（CAA）要求從1958 年7 月1 日起，質(zhì)量大于5670kg（12500lb）、 飛 行 高 度 大 于7620m（25000ft）的運輸機必須裝備飛行數(shù)據(jù)記錄器，飛行數(shù)據(jù)記錄器由此正式在飛機上裝備使用[3]。中國民用航空局也在CCAR-91 部中明確了對于FDR 的具體要求。FDR 從最初只能記錄高度、空速、航向、垂直加速度和時間等5 個參數(shù)發(fā)展到記錄更多的參數(shù)種類，記錄介質(zhì)也從最初的膠片、鋼帶、磁帶發(fā)展到固態(tài)存儲器（SSFDR）。各OEM 廠家以及各國局方都制定了關(guān)于飛行數(shù)據(jù)記錄的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，對FDR 在航空器墜毀后的幸存防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)則從TSO C-51 逐步提高到TSO C-124c。中國民航局頒發(fā)的FDR 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CTSO C-124c 于2016年8 月4 日正式生效，規(guī)定了FDR 為獲得批準(zhǔn)和使用適用的CTSO 標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)識所必須滿足的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。FDR的用途已從發(fā)生特殊事故時的調(diào)查擴展到飛機維護(hù)保障和對飛行員飛行駕駛技術(shù)的考核評估。

2 A320 系列飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

2.1 DFDRS 系統(tǒng)概述

A320 系列飛機上的飛行數(shù)據(jù)記錄器也被稱為SSFDR（固態(tài)飛行數(shù)據(jù)記錄器），屬于DFDRS 系統(tǒng)（數(shù)字式飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)）的一部分。在較新的A320 系列機型中，對飛機系統(tǒng)數(shù)據(jù)的搜集、記錄以及各種數(shù)據(jù)報文的生成、管理等功能進(jìn)行了綜合，主要由飛行數(shù)據(jù)接口管理組件（FDIMU）進(jìn)行控制（包含F(xiàn)DIU 和DMU 兩個部分）。因此，在DFDRS 系統(tǒng)中，作為核心部件的FDIU（飛行數(shù)據(jù)接口組件）接收和處理來自飛機系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，并對采集到的信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后傳輸給SSFDR 用于強制的數(shù)據(jù)存儲。同時，CFDIU（集中式故障顯示接口組件）也與FDIU 相連，用于系統(tǒng)測試和故障數(shù)據(jù)采集。SSFDR 是固態(tài)的飛機數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，可存儲FDIU 收集的最近25h 的飛行系統(tǒng)數(shù)據(jù)，SSFDR 記錄以FIFO（先進(jìn)先出）方式管理（一旦達(dá)到完整的記錄自主權(quán)，最老的數(shù)據(jù)將被覆蓋）。因此，發(fā)生特殊事件后，通常第一時間要求拆下數(shù)據(jù)記錄器下載飛行數(shù)據(jù)并解析，以防止數(shù)據(jù)被覆蓋。DFDRS 系統(tǒng)與其他輔助設(shè)備也存在關(guān)聯(lián)，例如，線性加速度計（LA）用于測量飛機在3 個軸向的加速度，通過SDAC（數(shù)據(jù)采集集中器）的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將信息發(fā)送給FDIU。圖1 為DFDRS 系統(tǒng)概圖，其中“DFDR event”電門位于駕駛艙頭頂板區(qū)域，用于對飛行員某時刻存儲在SSFDR 內(nèi)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行事件標(biāo)記[5]。

圖1 DFDRS系統(tǒng)概圖

SSFDR 的記錄配置和記錄參數(shù)的精度取決于以下因素：

1）飛機型號；

2）選擇安裝的記錄設(shè)備（FDIU 的硬件和軟件構(gòu)型，SSFDR 的硬件和軟件構(gòu)型）；

3）源系統(tǒng)接口與精確的飛機接線配置；

4）飛機上程序銷釘設(shè)置的選擇（如每秒64、128、256、1024 字節(jié)）。

在A320 飛機上可以進(jìn)行以下記錄構(gòu)型的配置：

1）64WPS（每秒字?jǐn)?shù)）配置；

2）128WPS 配置；

3）256WPS 配置；

4）1024WPS配置（源自新的法規(guī)要求，即FAR 修正案25-124 和121-338《修改對語音記錄器和飛行數(shù)據(jù)記錄器的規(guī)定》）。

2.2 SSFDR 的工作邏輯

SSFDR 的記錄通過啟動和停止供電繼電器進(jìn)行邏輯控制，該邏輯基于數(shù)個輸入信號，包括直接的發(fā)動機控制以及空/地信息（供電內(nèi)鎖環(huán)路邏輯）。

當(dāng)飛機處于以下條件之一時，SSFDR 自動進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄（需保證匯流條提供115V 交流電源）：

1）飛行中，發(fā)動機運行或停止；

2）地面上至少有一個發(fā)動機在運轉(zhuǎn)；

3）在飛機電力網(wǎng)絡(luò)通電后的前5min；

4）在發(fā)動機最后一次關(guān)閉后5min 且在地面。

在A320 系 列飛機上，用于控制SSFDR 的 啟 動/ 停止邏輯的發(fā)動機控制信號可通過繼電器12KS1 和12KS2 獲得，這兩個繼電器分別由EIU1 和EIU2 提 供 控制指令（由1 發(fā)和2發(fā)分別提供與滑油低壓OIL LOW PRESS 對地的GND 有關(guān)的信號，即發(fā)動機是否給出滑油低壓力的信號）。這一信號的觸發(fā)在A320 系列飛機不同選型的發(fā)動機之間存在差異。例如，A320 系列的IAE 發(fā)動機上為60psi，而CFM 發(fā)動機為13psi。因此，當(dāng)發(fā)動機第一次啟動且轉(zhuǎn)速N1 和N2 達(dá)到一定閾值（N1 為15%，N2 為40%），才開始激活SSFDR 的數(shù)據(jù)記錄。

另一種記錄方式是人工激活，即飛機在地面時所有發(fā)動機停止工作（此時飛機由APU 或外部電源供電），機組或地面人員可以通過使用RCDR/GND CTL 電門，激活供電內(nèi)鎖環(huán)路繼電器，使SSFDR 開始飛行數(shù)據(jù)的存儲。

3 SSFDR 供電邏輯介紹

由于SSFDR 和各輔助系統(tǒng)的正常工作需要連接到飛機供電系統(tǒng)的各個電源匯流條，在分析SSFDR 工作原理時需分析飛機電源系統(tǒng)的供電邏輯。

3.1 飛機系統(tǒng)供電

A320 系列飛機的供電系統(tǒng)包括一個三相115V/400Hz 恒頻交流供電系統(tǒng)和一個28V 直流供電系統(tǒng)。在正常狀態(tài)下，電源系統(tǒng)由2 臺發(fā)動機的發(fā)電機和1 臺APU 發(fā)電機組成。由于A320 系列飛機供電網(wǎng)絡(luò)為非并聯(lián)供電，每臺發(fā)電機均可為所有電氣匯流條提供交流電源，如果正常的交流電源不可用，一臺應(yīng)急發(fā)電機可提供交流電源。當(dāng)飛機處于地面時，外接電源可連入飛機供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，如圖2 所示。

圖2 飛機供電網(wǎng)絡(luò)

在正常狀態(tài)下，1 發(fā)的IDG 負(fù)責(zé)對主交流匯流條AC BUS 1、交流重要匯流條AC ESS BUS 以及交流可卸載重要匯流條AC SHEDDABLE ESSENTIAL BUS供電，2 發(fā)負(fù)責(zé)主交流匯流條AC BUS 2的供電，APU 發(fā)電機作為備用供電。

供電網(wǎng)絡(luò)的電源選擇優(yōu)先級依次為：本側(cè)發(fā)動機的發(fā)電機；外部電源（飛機在地面時）；APU 發(fā)電機；對側(cè)發(fā)動機的發(fā)電機。

各個發(fā)電機通過主交流匯流條AC BUS 1 和AC BUS 2 來覆蓋所有的飛機系統(tǒng)用戶的供電網(wǎng)絡(luò)。AC BUS 1 和AC BUS 2 的供電源選擇通過匯流條連接接觸器BTC 1 和2 對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，以便當(dāng)任一發(fā)電機失效時可由另一臺發(fā)電機或APU 發(fā)電機對AC BUS 1 和AC BUS 2 供電。在駕駛艙頭頂板的電源面板區(qū)域設(shè)有一個BUS TIE 電門，該電門負(fù)責(zé)對BTC 1 和2 進(jìn)行控制。正常情況下BUS TIE 電門處于按入位置（AUTO位），可自動根據(jù)電源網(wǎng)絡(luò)的供電情況控制BTC 1 和BTC 2 的閉合或斷開。

例如，當(dāng)2 發(fā)的發(fā)電機失效，只有1 發(fā)工作時，BUS TIE 電門會自動通過相應(yīng)繼電器控制BTC 1 和BTC 2 閉合，將1 發(fā)發(fā)電機的電源供給到AC BUS 2。若2 發(fā)的發(fā)電機失效時1 發(fā)和APU 發(fā)電機均在工作，BUS TIE 電門會自動控制BTC 1 斷開，BTC 2 閉合，此時AC BUS 1 由1 發(fā)供電，AC BUS 2 由APU供電。1 發(fā)失效時的供電邏輯同理。

A320 系列飛機供電系統(tǒng)中還包含應(yīng)急發(fā)電機，可在緊急情況下為飛機的重要系統(tǒng)供電。但由于應(yīng)急發(fā)電機僅在其他發(fā)電機系統(tǒng)都失效時才能工作，且只為交流重要匯流條AC ESS BUS 和DC ESS BUS 供電，因此當(dāng)雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機均失效的情況下，飛機的供電網(wǎng)絡(luò)中只有與AC ESS BUS 和DC ESS BUS 關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)用戶才能獲得供電，其他匯流條的網(wǎng)絡(luò)用戶（如僅與AC BUS 1 或AC BUS 2 連接的系統(tǒng)用戶）均無法獲得供電。

3.2 DFDRS 系統(tǒng)供電

FDIU 的主硬件FDIMU 是通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 同樣通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 的工作邏輯受到供電內(nèi)鎖環(huán)路（power-interlock）的控制。供電內(nèi)鎖環(huán)路的控制繼電器通過直流重要匯流條DC ESS BUS 提供28VDC 電源，如圖3 所示。

圖3 DFDRS供電圖

4 SSFDR 工作原理總結(jié)

4.1 DFDR 系統(tǒng)的工作供電邏輯分析

通過對SSFDR 的供電分析可以看出，SSFDR 與FDIMU 的工作電源均由交流匯流條202XP 提供。而202XP 匯流條屬于AC BUS 2 的匯流條用戶，因此202XP 的供電情況與AC BUS 2 存在直接關(guān)聯(lián)。

供電內(nèi)鎖環(huán)路的電源來自401PP，直接與DC ESS BUS連接，可通過AC BUS 1、AC BUS 2 或應(yīng)急供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。

4.2 總結(jié)

通過對DFDRS 系統(tǒng)供電邏輯分析可知，SSFDR 正常存儲飛機數(shù)據(jù)的工作條件如下：

1）DC ESS BUS 需正常供電，供電內(nèi)鎖環(huán)路繼電器正常工作，以確保SSFDR 的工作邏輯正常；

2）202XP 匯流條需正常供電，以保證FDIMU和SSFDR硬件的正常工作；

3）雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機至少有一個正常工作，可為AC BUS 2 匯流條供電，以此保證202XP 匯流條供電正常。

綜上，當(dāng)雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機中至少有一個正常工作時，可確保SSFDR 正常記錄飛機數(shù)據(jù)；當(dāng)處于特殊緊急情況，如雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機均無法正常工作時，雖然DC ESS BUS 仍可通過應(yīng)急發(fā)電機正常供電，供電內(nèi)鎖環(huán)路工作邏輯正常，但AC BUS 2 已無法正常工作為202XP 匯流條供電，SSFDR 與FDIMU 均無法工作。

因此，雖然FDR 對于飛行事故的事后分析與甄別具有重要意義，通常情況下即匯流條保證115V 交流電時能夠正常完成飛機數(shù)據(jù)記錄與保存，但在極特殊情況如飛機供電嚴(yán)重缺失時，F(xiàn)DR將無法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)保存，無法保證飛行數(shù)據(jù)的完整記錄。