劉攀 黃丙寅/中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

0 引言

從座艙壓力控制原理來(lái)看，座艙壓力控制系統(tǒng)經(jīng)歷了氣動(dòng)式、電子氣動(dòng)式和數(shù)字式三個(gè)階段[1]，控制技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)、控制精度越來(lái)越高、動(dòng)態(tài)特性越來(lái)越好。但隨著電磁戰(zhàn)成為五維空間戰(zhàn)場(chǎng)，電磁武器極易成為各種電子設(shè)備的殺手锏[2]，電子式和數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電磁干擾或者攻擊的情況下極易失效或產(chǎn)生誤動(dòng)作[3]。因此，出于軍事用途的特殊考慮，氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為各國(guó)多數(shù)軍用飛機(jī)的首選。維修保障中，氣動(dòng)式座艙壓力控制系統(tǒng)故障和問(wèn)題常常困擾著維修人員。已有文獻(xiàn)的記載中，許多學(xué)者已經(jīng)就此進(jìn)行了不少理論研究和排故經(jīng)驗(yàn)介紹，但大都側(cè)重理論或者單一故障現(xiàn)象的排除，較少在理論分析基礎(chǔ)上結(jié)合飛機(jī)維修保障實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究。本文在深入分析原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合軍機(jī)維修保障工作實(shí)踐，系統(tǒng)地研究了座艙壓力異常故障的機(jī)理和常見(jiàn)故障形式，在指導(dǎo)外場(chǎng)排故方面具有較好實(shí)用性。

1 氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理和座艙壓力數(shù)學(xué)模型

1.1 氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由座艙壓力調(diào)節(jié)器、排氣活門(mén)、安全活門(mén)等組成，如圖1 所示。座艙壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)飛行高度，發(fā)出與預(yù)定氣密座艙壓力調(diào)節(jié)曲線相符合的氣壓控制信號(hào)，控制排氣活門(mén)將多余的空氣由座艙排入后設(shè)備艙，以保證座艙的規(guī)定壓力。在典型的氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，座艙壓力調(diào)節(jié)器是“大腦”，感知座艙壓力并發(fā)出控制信號(hào)；排氣活門(mén)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行控制指令以得到預(yù)定的壓力；安全活門(mén)則是一道保險(xiǎn)，防止“大腦”失靈或者在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)不至于使座艙壓力完全失控，當(dāng)壓力超過(guò)其工作觸發(fā)壓力閾值時(shí)，活門(mén)將開(kāi)啟卸壓，保護(hù)駕駛員和飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)的安全。通常，座艙壓力調(diào)節(jié)器由釋壓限幅器、余壓調(diào)節(jié)器、絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)功率放大器、氣壓容腔、氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器等原件組成[4]。

圖1 典型氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成

其中，釋壓限幅器用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定且免受干擾的控制系統(tǒng)基準(zhǔn)低壓氣源，作為余壓組件和絕對(duì)壓力組件調(diào)節(jié)壓力控制信號(hào)的基礎(chǔ)和基準(zhǔn)，使得控制信號(hào)免受大氣壓力波動(dòng)影響，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定度。余壓組件、絕對(duì)壓力組件分別用來(lái)產(chǎn)生余壓段、比例調(diào)壓段的壓力制度（見(jiàn)圖2）[5]。氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)飛機(jī)動(dòng)壓（速度）轉(zhuǎn)換飛機(jī)在起飛著陸階段座艙壓力調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制飛機(jī)座艙處于自由通風(fēng)狀態(tài)或增壓狀態(tài)。氣容結(jié)構(gòu)用來(lái)限制壓力調(diào)節(jié)信號(hào)的最大變化速率。氣動(dòng)功率放大器對(duì)氣容輸出的壓力信號(hào)進(jìn)行功率放大后，控制排氣活門(mén)的開(kāi)度以及進(jìn)一步對(duì)最大壓力上升速率進(jìn)行限制。負(fù)壓活門(mén)是一個(gè)超壓保護(hù)器件，在座艙負(fù)壓過(guò)大時(shí)開(kāi)啟，對(duì)氣動(dòng)放大器的輸出壓力進(jìn)行泄放壓，確保座艙負(fù)壓值不超過(guò) 規(guī)定。

以某型軍機(jī)為例，座艙壓力調(diào)節(jié)規(guī)律為：在起飛滑跑開(kāi)始后，當(dāng)速度小于300km/h 時(shí)，座艙為自由通風(fēng)狀態(tài)，當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到300km/h（對(duì)應(yīng)動(dòng)靜壓差達(dá)到53kPa）后，氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器動(dòng)作，座艙開(kāi)始?xì)饷?。?dāng)飛行高度大于比例調(diào)壓組件的起調(diào)高度時(shí)，座艙開(kāi)始逐漸增壓；當(dāng)著陸時(shí)速度小于200km/h 后，座艙解除氣密。飛行高度在0 ～5000m 左右時(shí)，座艙余壓逐漸增加到34.4kPa，高度如果繼續(xù)增大，但座艙余壓保持34kPa 不變。座艙壓力調(diào)節(jié)失效時(shí)，安全活門(mén)可保證座艙最大余壓不超過(guò)38kPa，且在調(diào)節(jié)過(guò)程中限制座艙最大負(fù)壓不超過(guò)2.7kPa。

1.2 座艙壓力動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

將飛機(jī)座艙近似認(rèn)為是簡(jiǎn)單的容積不變的壓力容器，并假定理想的情況下其內(nèi)部各處壓力相等，忽略?xún)?nèi)部流場(chǎng)分布。由于座艙內(nèi)空氣溫度變化很小，且座艙內(nèi)具有專(zhuān)門(mén)的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度，在分析時(shí)可假定座艙溫度恒定。綜合以上，將艙內(nèi)空氣視為理想氣體，則飛機(jī)氣密座艙內(nèi)的絕對(duì)壓力Pc為：

圖2 典型氣動(dòng)式座艙壓力制度曲線

其中，Vc為座艙容積；Tc為座艙內(nèi)氣體溫度；G 為座艙氣體的質(zhì)量；R 為氣體常數(shù)；M 為氣體摩爾質(zhì)量；其中Vc、Tc、R、M 均為常量。式（1）對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)可得：

可見(jiàn)，座艙壓力的變化量取決于座艙內(nèi)空氣質(zhì)量的變化。在正常工作條件下座艙安全活門(mén)和負(fù)壓活門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，座艙單位時(shí)間內(nèi)的空氣質(zhì)量變化量等于座艙供氣量Gk減去排氣活門(mén)排氣量Gp及漏氣量Gl。因此，座艙壓力動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型可表示為：

由以上公式可知，座艙壓力影響因素包括座艙供氣量、排氣量、漏氣量等?？諝鈨袅魅肓康扔诠饬繙p去排氣量與漏氣量。當(dāng)空氣凈流入量大于零時(shí)，座艙壓力增大，且凈流入量越大，座艙壓力增加越快，反之亦然。通常情況下，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣。座艙壓力調(diào)節(jié)器通過(guò)感知座艙當(dāng)前壓力與預(yù)定調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)應(yīng)的壓力差值去控制排氣活門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而控制排氣量。一般情況下，漏氣量與座艙密封性能要求相關(guān)，特殊情況下排氣活門(mén)和安全活門(mén)故障時(shí)也可能導(dǎo)致非正常漏氣。

2 氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

2.1 氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障樹(shù)構(gòu)建

如前所述，由于座艙的容積是固定的，座艙內(nèi)的溫度一般由空調(diào)系統(tǒng)保持在穩(wěn)定調(diào)節(jié)溫度，可假定其保持不變。因此，分析座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因時(shí)必須重點(diǎn)抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個(gè)參數(shù)相關(guān)的因素，通過(guò)分析主三個(gè)主要因素來(lái)形成故障樹(shù)，如圖3所示。

2.2 供氣量異常故障分析

飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣，其中通向座艙的空氣量即為座艙的供氣量。空調(diào)系統(tǒng)為座艙提供正常的供氣量是維持一定座艙壓力的基礎(chǔ)，當(dāng)供氣量過(guò)大且超過(guò)一定值時(shí)，即使座艙壓力調(diào)節(jié)器控制排氣活門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)，座艙壓力仍會(huì)過(guò)大，只能由安全活門(mén)來(lái)保證座艙余壓不超過(guò)安全閾值。供氣量過(guò)小時(shí)，由于座艙本身非完全密封，具有一定的正常漏氣量，因此即使排氣活門(mén)處于全關(guān)狀態(tài)，座艙壓力仍可能偏低，壓力過(guò)低時(shí)負(fù)壓活門(mén)將開(kāi)啟，以保證座艙負(fù)壓不超過(guò)規(guī)定值。供氣量異常故障因素有空調(diào)系統(tǒng)故障、流量調(diào)節(jié)器故障、流量傳感器故障。

圖3 座艙壓力異常故障樹(shù)

1）空調(diào)系統(tǒng)故障?？照{(diào)系統(tǒng)故障可在一定程度上導(dǎo)致座艙供氣量異常，常見(jiàn)故障有空調(diào)流量和壓力異常、故障管路泄漏等。例如，某架飛機(jī)曾發(fā)生過(guò)空調(diào)系統(tǒng)管路泄漏，導(dǎo)致供氣量減小、發(fā)動(dòng)機(jī)小狀態(tài)時(shí)座艙壓力值偏 低。

2）流量調(diào)節(jié)器故障。流量調(diào)節(jié)器用來(lái)保證以一定的比例分別向座艙和設(shè)備艙提供相應(yīng)流量的空氣，并優(yōu)先滿(mǎn)足座艙供氣量。流量調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時(shí)，可能導(dǎo)致座艙與設(shè)備艙供氣量比例失調(diào)，影響座艙壓力。例如，飛行員反映某型飛機(jī)高空小表速時(shí)出現(xiàn)座艙壓力偏低，高度快速下降時(shí)更為明顯，推油門(mén)進(jìn)入大狀態(tài)時(shí)座艙壓力恢復(fù)正常。后檢查發(fā)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)器卡滯，供給設(shè)備艙的空氣流量過(guò)大，導(dǎo)致供給座艙的供氣量偏小。發(fā)動(dòng)機(jī)在大狀態(tài)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)供氣流量大，設(shè)備艙分流作用不明顯，對(duì)座艙壓力影響??；而在小狀態(tài)尤其是高度下降、座艙壓力應(yīng)增大時(shí)，設(shè)備艙分流作用明顯，座艙供氣量不足，壓力 偏低。

3）流量傳感器故障。流量傳感器出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)向流量調(diào)節(jié)器發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，致使流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的流量比例不正常，進(jìn)而通過(guò)影響座艙供氣量而影響了座艙壓力。

2.3 排氣量異常故障分析

氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)系統(tǒng)以氣壓信號(hào)作為調(diào)節(jié)的介質(zhì)，座艙壓力調(diào)節(jié)器通過(guò)感受座艙壓力與外界大氣壓，發(fā)出與預(yù)定的氣密座艙壓力調(diào)節(jié)曲線相符合的氣壓控制信號(hào)，控制排氣活門(mén)將多余的空氣從座艙排入后設(shè)備艙，使座艙內(nèi)的壓力得到調(diào)節(jié)。因此，排氣量異常將直接導(dǎo)致座艙壓力異常，常見(jiàn)的排氣量異常故障因素有壓力調(diào)節(jié)器故障、感壓管堵塞、排氣活門(mén)卡滯或 故障。

1）壓力調(diào)節(jié)器故障。座艙壓力調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障將使控制排氣活門(mén)的壓力出現(xiàn)異常，導(dǎo)致排氣活門(mén)的排氣量異常，進(jìn)而使座艙壓力異常。外場(chǎng)維護(hù)中因座艙壓力調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致座艙壓力異常的故障占比較大。

2）排氣活門(mén)卡滯或故障。排氣活門(mén)卡滯或故障將使排氣量異常，直接導(dǎo)致座艙壓力調(diào)節(jié)失效或出現(xiàn)較大誤差。在使用維護(hù)中，曾出現(xiàn)排氣活門(mén)被外來(lái)物卡住、排氣活門(mén)卡滯、排氣活門(mén)減振器漏氣、活門(mén)性能下降等故障 類(lèi)型。

3）感壓管路堵塞。感壓管路堵塞將使壓力調(diào)節(jié)器感受的座艙壓力變小，從而控制排氣活門(mén)的排氣量減小而增大座艙壓力，使座艙壓力調(diào)節(jié)值偏高。此類(lèi)管路堵塞的情況在外場(chǎng)維護(hù)中雖有發(fā)生，但出現(xiàn)幾率較小，故障排查 復(fù)雜。

2.4 漏氣量異常故障分析

受座艙結(jié)構(gòu)限制，飛機(jī)氣密座艙允許有正常范圍內(nèi)的漏氣量，漏氣量常常與座艙的氣密程度和座艙內(nèi)外余壓有關(guān)[6]。例如，某型機(jī)規(guī)定在地面進(jìn)行座艙密封性檢查時(shí)，當(dāng)座艙停止供氣后，座艙壓力從30kPa 下降到10kPa 的時(shí)間不能少于150s?？梢?jiàn)，在座艙密封性良好的情況下座艙的漏氣量不大，但當(dāng)座艙因?yàn)槟撤N原因密封性下降而使漏氣量過(guò)大時(shí)，即使壓力調(diào)節(jié)器控制排氣活門(mén)關(guān)閉也仍然可能導(dǎo)致座艙壓力偏低甚至座艙失密。常見(jiàn)漏氣量異常的故障因素有以下幾種。

1）飛機(jī)座艙密封結(jié)構(gòu)不密封或密封性下降。座艙內(nèi)部有各種穿墻電纜、導(dǎo)管和操縱線系，其安裝必須符合規(guī)定工藝，并使用密封材料保證座艙有一定的密封性要求。若穿墻結(jié)構(gòu)連接處安裝不到位或密封材料失效、掉落等，都可能導(dǎo)致座艙密封結(jié)構(gòu)不密封或密封性下降。

2）座艙結(jié)構(gòu)受到破壞。如座艙蓋氣密軟管破裂導(dǎo)致座艙失密、座艙壁板出現(xiàn)裂紋和損傷等。

3）座艙安全活門(mén)故障導(dǎo)致意外排氣。座艙安全活門(mén)的設(shè)置是為防止座艙壓力失調(diào)過(guò)大，限制座艙內(nèi)外最大壓差。安全活門(mén)正常開(kāi)啟時(shí)工作壓差比壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的最大壓差大了一定數(shù)值，在正常調(diào)節(jié)時(shí)并不參與工作。而當(dāng)安全活門(mén)故障或者性能下降時(shí)會(huì)出現(xiàn)意外開(kāi)啟，導(dǎo)致座艙漏氣量增大而影響座艙的正常壓力調(diào)節(jié)。日常機(jī)群維護(hù)檢查時(shí)曾多次發(fā)現(xiàn)安全活門(mén)開(kāi)啟壓力偏低 現(xiàn)象。

3 結(jié)論

氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系中座艙壓力的主要影響因素包括座艙供氣量、排氣量、漏氣量等。空氣凈流入量等于供氣量減去排氣量與漏氣量。當(dāng)空氣凈流入量大于零時(shí)，座艙壓力增大，凈流入量就越大，座艙壓力增加越快，反之亦然。分析座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因時(shí)，必須重點(diǎn)抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個(gè)參數(shù)相關(guān)的因素。由此，基于故障發(fā)生頻率和后果，形成以下排故及維修保障建議：

1）排故時(shí)緊抓座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個(gè)因素分析。實(shí)際維修保障中有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)三種因素中兩兩疊加的情況，給排故造成困擾。例如，某型飛機(jī)曾出現(xiàn)座艙壓力偏低故障，最終查明為座艙排氣活門(mén)故障和座艙密封結(jié)構(gòu)密封性不符合要求的綜合因素導(dǎo)致。因此，在實(shí)際工作中考慮問(wèn)題要全面，避免排故不徹底，留下問(wèn)題隱 患。

2）排故中應(yīng)重點(diǎn)排查壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門(mén)等故障高發(fā)件。從長(zhǎng)期的維修保障實(shí)踐來(lái)看，座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門(mén)發(fā)生故障的概率最高。統(tǒng)計(jì)三型飛機(jī)50 起座艙壓力異常故障后發(fā)現(xiàn)，因壓力調(diào)節(jié)器和排氣活門(mén)產(chǎn)生的故障為38 起，約占全部故障的75%，其余復(fù)雜性故障一般為多因素疊加而引起的故障，在維修排故時(shí)應(yīng)依據(jù)具體故障現(xiàn)象綜合分析研判。

3）日常維修保障中應(yīng)加強(qiáng)空勤人員使用意見(jiàn)和感受的收集工作。限于技術(shù)條件和外場(chǎng)使用條件，模擬高空座艙壓力檢查時(shí)在座艙外局部空間制造低壓力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)難度非常大。目前基層級(jí)和中繼級(jí)維修中座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)地面靜態(tài)特性檢查，無(wú)法實(shí)現(xiàn)座艙壓力調(diào)節(jié)器空中動(dòng)態(tài)特性檢查。因此，在日常維修保障中一定要及時(shí)、細(xì)致地收集空勤人員的使用意見(jiàn)和感受，加強(qiáng)靜態(tài)特性檢查，以彌補(bǔ)檢查設(shè)備的缺陷和不足。

4）切實(shí)保障座艙安全活門(mén)這一最后安全屏障的性能。座艙安全活門(mén)是壓力調(diào)節(jié)器空中失效后座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最后一道安全屏障，日常維護(hù)檢查中需要重點(diǎn)檢查其工作壓力是否符合規(guī)定，確保系統(tǒng)安全底線。