王彥博 滕國鋒 王曉宇 金少平 張國生 陳偉

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

關鍵詞：波音787飛機；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，波音787飛機上有諸多區(qū)別于“傳統”飛機的設計理念。其中，使用獨立的客艙空氣壓縮機（CAC）為客艙環(huán)控系統提供氣源而不再使用發(fā)動機引氣這一方案代表了當今飛機最先進的技術。該設計一方面大大提高了發(fā)動機效率，減少了飛機的整體燃油消耗，另一方面也減少了飛機上大量的氣動部件，進而減輕了飛機重量和維護成本。

新技術在帶來更多便利的同時也存在一些問題。例如，潮氣侵入空調系統造成系統故障的問題一直未得到很好解決，過多的水汽在飛機起飛后可能凍結空氣循環(huán)機（ACM）的渦輪葉片，既會造成相關部件故障，也會使空調系統流量短時間內驟變，引起CAC喘振，進而使整個空調組件不工作。當飛機進近高度低于1000ft時，如出現PACK ALTITUDE limit咨詢信息，機組常因準備時間不足而復飛，影響飛行安全。針對此情況，海航航空技術有限公司（海技）787工程團隊通過深入分析該系統的整體設計，發(fā)現了飛機軟件設計的邏輯缺陷。該研究成果已經得到廠家的認可，并承諾將在后續(xù)升級軟件解決此問題。

1 空調系統工作原理

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

PCU通過控制經濟冷卻活門（ECV）、低限活門（LLV）、空氣旁通活門（ABV）三個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)境和飛機狀態(tài)下，空調組件有不同的工作模式。所有空調部件均正常工作時，包括兩種工作模式：正常工作模式和經濟冷卻模式。空調系統部分部件失效后，系統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鍵部件的狀態(tài)，ACM作為最重要的部件直接影響空調組件的工作模式。

2 ACM失效原因及后果分析

廠家經過多年的追蹤調查，已基本明確了ACM主要失效原因為潮氣侵入。在夏季尤其是濕度較大的南方地區(qū)，787飛機空調管路很容易積水，隨著飛機起飛爬升，環(huán)境溫度降低，積水結冰，飛機爬升至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入ACM的T2渦輪，增加了葉片轉動的阻力，導致ACM轉速突然降低甚至葉片損傷。只要ACM轉速處于2000～4000rmp之間超過1mim，就會觸發(fā)ACM SPEED TOO LOW維護信息；ACM轉速低于2000rmp超過1min，就會觸發(fā)ACM FAIL維護信息。維護信息觸發(fā)的同時還會觸發(fā)PACK ACM狀態(tài)信息。同時，ACM轉速的急劇下降會造成空調組件內流量的變化，當通過CAC的實際流量接近或小于喘振流量時，CAC進口處將產生氣流分離現象，此時相對氣流沖向CAC葉片的凹面，形成正攻角，在葉輪通道產生渦流區(qū)，引起CAC喘振。為了保護空調組件，系統在監(jiān)控到CAC喘振后會關閉故障側空調組件。在空中，機組可以通過復位空調組件的方式恢復CAC的工作，使空調系統進入備用冷卻模式。值得注意的是，相對于右側組件，在整個左空調組件中左ACM的相對位置更低，導致左側管路中的積水在重力作用下更容易流入ACM，即左組件更易出現故障。

3 技術分析

787飛機的空調系統與其他重要系統一樣，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因結冰出現故障關閉的情況下，可能導致一側空調組件停止工作，而另一側空調組件依然可以保障整個航程的順利進行。但近日海技工程團隊發(fā)現，出現上述情況時，如果飛行高度低于1000ft，飛機常會出現PACK ALTITUDE limit咨詢信息，需要機組執(zhí)行相應檢查單。機組復飛后一切正常，但進近到同樣高度后會再次出現PACK ALTITUDE limit咨詢信息。

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

1）兩個CAC不工作且設備冷卻系統處于超控方式；

2）三個CAC同時不工作。

考慮到當時飛機設備冷卻系統明顯未處于超控方式，說明是3個CAC同時不工作而觸發(fā)了PACK ALTITUDE limit警告信息。結合以往針對空調組件的工程調查，推斷當潮氣侵入左側ACM后，在空中會因溫度下降而在T2渦輪處結冰，造成ACM故障，引起整個左側組件故障，進而使得左側2個 CAC不工作。為了進一步分析第3個CAC不工作的原因，使用了航路數據譯碼。如圖4所示，飛機起飛后爬升至29500ft左右，因積冰進入ACM，導致左組件ACM轉速大幅波動，組件內氣流振蕩引起CAC喘振，造成整個左組件停止工作。機組對空調組件進行復位操作后，左組件進入備用冷卻模式，左側兩個CAC恢復工作。當飛行高度下降后，外界條件不滿足備用冷卻模式的工作條件，左組件被指令關斷，因此左側兩個CAC停止工作。

當飛機繼續(xù)下降至1000ft左右時，因飛機座艙高度已經很低，故對增壓系統需求的進氣量不大，較低的組件進氣量也能滿足客艙的需求，但在低空和地面FOD（機場跑道異物）的可能性也大大增加。為了防止FOD，CAC進氣口折流門將展開，進入組件的空氣流量會受到影響，此時PCU的內部邏輯將通過關閉L2和R2兩個CAC來滿足流量控制的要求，即飛機自動進入流量管理模式的FS3模式。進入FS3模式后，R2 CAC被指令關閉，同時，左側兩個CAC未工作，滿足3個CAC不工作的條件，從而觸發(fā)了PACK ALTITUDE limit咨詢信息。機組復飛、飛機高度上升后，R2 CAC恢復工作，咨詢信息消失，再次進近到相同高度，R2 CAC再次被指令關閉，咨詢信息再次出現，直至飛機落地后R2 CAC恢復工作。

針對此案例得出以下結論：當飛行高度下降到1000ft時，自動進入流量管理模式的FS3模式，L2 CAC和R2 CAC將被指令關閉。如果此時一側組件故障，兩個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，當前的軟件控制系統無法“智能地監(jiān)控”整個空調系統，在2個CAC不工作的情況下仍然機械地繼續(xù)關閉L2 CAC和R2 CAC。

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

圖5所示為另一航段的譯碼數據圖，從中可以看出在飛機起飛前已核實左側ACM故障，依照MEL辦理保留，將左側ACM鎖定。飛機起飛后，左組件進入備用冷卻模式。通過譯碼圖可知，在進近階段L2 CAC和R2 CAC依照控制邏輯自動關閉，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高度下降不滿足備用冷卻模式要求時自動退出備用冷卻模式。進一步分析系統原理后得出結論：當ACM在地面鎖定后，整個飛行過程中組件都將工作在備用冷卻模式。

綜上所述，如飛機在空中出現ACM故障，可能導致故障側2個CAC都不工作，即使通過復位空調組件使CAC重新工作，組件進入備用冷卻模式，也會隨著高度降低后不滿足備用冷卻模式而自動關閉。進近高度下降到1000ft時，有缺陷的控制軟件邏輯無法識別當前飛機已有2個CAC不工作，仍按固有邏輯關閉另一側的1個工作正常的CAC，導致出現3個CAC不工作的情況，進而觸發(fā)PACK ALTITUDE limit咨詢信息。如果在地面時將故障側ACM通過MEL鎖定，則在空中該側組件一直工作在備用冷卻模式下，不會因高度等條件不滿足要求而自動退出備用冷卻模式，故不會在進近時出現3個CAC不工作的情況。

4 解決措施

在明確了PACK ALTITUDE limit咨詢信息的出現邏輯后，海技工程團隊有針對性地與廠家合作，提出從以下幾個方面著手解決。

1）更新軟件控制邏輯

波音空調軟件控制邏輯存在明顯缺陷，在進近時會對機組造成干擾。波音認可了海技工程團隊的結論，后續(xù)將通過軟件更新的形式抑制PACK ALTITUDE limit信息在低高度時的觸發(fā)。

2）提高空調系統可靠性

出現PACK ALTITUDE limit咨詢信息歸根結底源于787空調組件可靠性不高，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.在空調管路上和次級散熱器上打排水孔；

b.針對ECV、LLV、ABV三個重要活門進行升級改裝；

c.針對CAC進行升級改裝；

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）加強日常監(jiān)控和維護工作

在缺陷沒有徹底解決前，海技工程團隊制定了一些監(jiān)控和維護措施，包括通過AHM監(jiān)控涉及空調系統的維護信息，提前預判將來可能發(fā)現的故障，及早進行處理；嚴控ACM故障，使用高于MEL的標準放行飛機，盡量在地面將故障處理完畢，不讓飛機帶故障上天；針對空調系統制定多項工程指令、維護提示和排故指導，在完善和提高空調系統可靠性的同時方便工程團隊及時獲取第一手數據，便于工作者能準確有效地處理故障。

5 結論

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機隊出現類似問題造成不必要的安全隱患。由于民航飛機運行環(huán)境的復雜性，實際運行中出現的很多狀況是飛機設計時無法預見的，不能僅僅拘泥于現有的廠家手冊和廠家意見、盲目遵從迷信廠家的方案，而需要對系統原理進行深入的分析，同時結合譯碼等輔助手段獲得故障的第一手資料，透過現象看本質，才能找到故障的根源。

參考文獻

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