民機(jī)座艙負(fù)壓差安全釋壓功能試飛研究

孫麗蓉 鄭 麗 李 鈞 /

(中國(guó)商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 200232)

0 引言

座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證飛機(jī)在整個(gè)飛行過(guò)程中按預(yù)先設(shè)計(jì)的座艙壓力制度，自動(dòng)調(diào)節(jié)座艙壓力環(huán)境，使座艙內(nèi)的絕對(duì)壓力、壓力變化率、壓差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，為機(jī)上人員提供安全且舒適的壓力環(huán)境。座艙壓調(diào)系統(tǒng)通常由控制器、控制面板、排氣活門、安全活門等部分組成，原理如圖1所示。壓調(diào)系統(tǒng)具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣活門開度來(lái)控制座艙排出的空氣量，實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)壓力環(huán)境的控制。除正常壓力調(diào)節(jié)功能外，壓調(diào)系統(tǒng)通常還具有正負(fù)釋壓、應(yīng)急卸壓、座艙高度保護(hù)、水上迫降等安全保護(hù)和應(yīng)急操作功能。

圖1 座艙壓調(diào)系統(tǒng)原理圖

當(dāng)飛機(jī)在應(yīng)急下降時(shí)，下降率較大，外界環(huán)境壓力迅速變大，可能會(huì)出現(xiàn)外界環(huán)境壓力大于座艙內(nèi)壓力，出現(xiàn)座艙負(fù)壓差，當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)生較大負(fù)壓差，一旦超過(guò)飛機(jī)結(jié)構(gòu)限制，將會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，甚至飛機(jī)解體，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果。壓調(diào)系統(tǒng)設(shè)置了釋壓活門(通常包括安全活門、負(fù)釋壓活門)來(lái)保障飛機(jī)在任何可能的失效情況時(shí)，座艙正負(fù)壓差不會(huì)超過(guò)限定值，即安全釋壓功能，座艙負(fù)壓差安全釋壓功能試驗(yàn)即通過(guò)模擬空調(diào)喪失供氣，釋壓活門可能的故障狀態(tài)，驗(yàn)證飛機(jī)應(yīng)急下降過(guò)程中，單個(gè)安全活門足以確保座艙負(fù)壓差不超過(guò)限定值，試驗(yàn)與飛行姿態(tài)、大氣環(huán)境、座艙通風(fēng)、布局等因素相關(guān)，地面試驗(yàn)難以準(zhǔn)確模擬，需通過(guò)飛行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

1 試飛方法及分析

AC25-7C對(duì)負(fù)壓差釋壓試飛方法提出建議：如果備有兩個(gè)活門，試驗(yàn)中只使用其中的一個(gè)，在巡航高度，在飛機(jī)機(jī)身負(fù)壓的臨界條件下執(zhí)行一次應(yīng)急下降，檢驗(yàn)機(jī)身的最大負(fù)壓差不超限[2]。結(jié)合AC建議及型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)試飛方法如下：1)起飛前使一個(gè)安全活門關(guān)閉并失效；2)正常起飛爬升到巡航高度，等待座艙壓力高度穩(wěn)定；3)關(guān)閉左右空調(diào)組件，佩戴氧氣面罩，打開應(yīng)急卸壓開關(guān)，待座艙壓力高度穩(wěn)定約1 min；4)切換座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)模式，選擇最大增壓速率；5)執(zhí)行應(yīng)急下降至安全高度，打開空調(diào)組件，按需恢復(fù)壓調(diào)自動(dòng)模式，正常返場(chǎng)。

試飛方法考慮因素涉及如下幾方面：

1)根據(jù)25.831b條款要求，起飛前使一個(gè)安全活門失效[1]，考慮可能的故障；2)飛機(jī)在巡航高度，通過(guò)關(guān)閉座艙供氣，打開應(yīng)急卸壓開關(guān)直到座艙壓力高度穩(wěn)定，模擬座艙較低的壓力環(huán)境，確保應(yīng)急下降初始階段座艙維持較大的壓力高度，增加應(yīng)急下降階段觸發(fā)釋壓活門開啟的成功率；3)根據(jù)25.833b條款，需模擬座艙壓力調(diào)節(jié)器活門關(guān)閉，通過(guò)關(guān)閉供氣，將壓力調(diào)置于手動(dòng)模式設(shè)置最大的增壓速率，確保排氣活門全關(guān)，僅因座艙氣密泄漏導(dǎo)致座艙高度上升；4)應(yīng)急卸壓釋壓速率較快，一旦觸發(fā)，座艙高度會(huì)迅速上升，為了確保機(jī)組人員安全，要求應(yīng)急卸壓前機(jī)組即佩戴氧氣面罩；5)關(guān)于應(yīng)急下降高度，根據(jù)CCAR91部規(guī)定，飛機(jī)飛行最小安全高度主要取決于障礙物最高點(diǎn)的實(shí)際海拔高度，在高原、山區(qū)不得低于障礙物最高點(diǎn)以上600 m(2 000 ft)，平原地區(qū)不得低于障礙物最高點(diǎn)以上300 m(1 000 ft)[3]，首先計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)負(fù)壓差達(dá)到安全活門開啟設(shè)定值的飛機(jī)高度H(10 000 ft

2 改裝方法

壓調(diào)系統(tǒng)通常設(shè)置兩個(gè)功能完全相同的安全活門，在一個(gè)安全活門失效時(shí)，另一個(gè)安全活門可獨(dú)立保證飛機(jī)正、負(fù)壓差不超過(guò)設(shè)計(jì)值，保持座艙內(nèi)外壓差在合理的范圍內(nèi)，防止壓差過(guò)大而損壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)適航條款要求，試驗(yàn)前需要將一個(gè)安全活門進(jìn)行失效處理，安全活門釋壓原理如圖2、圖3所示。

圖2 安全活門正釋壓原理

圖3 安全活門負(fù)釋壓原理

如圖2所示，當(dāng)座艙正壓差達(dá)到安全活門開啟設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行正壓釋放，超壓活門(overpressure valve)打開，A腔(chamber A)與大氣相通，在正壓差的作用下，提升閥(poppet valve)打開，客艙空氣排出機(jī)外，實(shí)現(xiàn)正釋壓功能；如圖3所示，當(dāng)座艙負(fù)壓差達(dá)到安全活門開啟設(shè)定值時(shí)，在大氣壓力的推動(dòng)下，提升閥打開，A腔內(nèi)的空氣通過(guò)限流孔排入客艙，同時(shí)外界空氣進(jìn)入客艙，實(shí)現(xiàn)負(fù)釋壓功能。

根據(jù)安全活門釋壓原理，當(dāng)過(guò)大正壓差出現(xiàn)時(shí)，安全活門開啟所需的感壓口為圖2區(qū)域1所示，所以把區(qū)域1中通大氣的靜壓管斷開后，安全活門的正釋壓功能不起作用，而負(fù)壓差釋壓純粹靠外部壓力推動(dòng)，切斷靜壓管的方法并不適用。負(fù)壓差釋壓試驗(yàn)安全活門失效模擬方法為：把某個(gè)安全活門拆下來(lái)，用一個(gè)實(shí)心的機(jī)加零件代替，堵住支座孔，達(dá)到飛機(jī)上只有一個(gè)安全活門工作的效果，改裝方法如圖4所示。

圖4 安全活門失效改裝圖

3 數(shù)據(jù)分析

壓調(diào)負(fù)壓差安全釋壓數(shù)據(jù)分析涉及的主要參數(shù)包括氣壓高度(記作ZA)、座艙高度(記作ZC)、座艙壓差DP(記作DP)、安全活門開關(guān)位置(記作SFV status)、座艙高度告警(記作ZC caution and warning)等，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 座艙負(fù)釋壓試驗(yàn)曲線

圖6 負(fù)釋壓座艙高度和座艙壓差曲線

從圖5可看出，飛機(jī)在最大高度巡航，高度穩(wěn)定后座艙釋壓，座艙高度快速上升，在T1時(shí)刻，座艙高度上升至警戒閾值(藍(lán)色虛線)直至T6時(shí)刻，期間ZC caution值為1，觸發(fā)了caution級(jí)別的座艙高度告警。在T2時(shí)刻，座艙高度上升至警告閾值時(shí)(紅色虛線)直至T5時(shí)刻，期間ZC warning值為1，觸發(fā)了warning級(jí)別的座艙高度告警，座艙告警功能正常。飛機(jī)在最大高度應(yīng)急下降階段，氣壓高度迅速降低，座艙高度因飛機(jī)氣密泄漏先緩慢上升至T3時(shí)刻(黑色虛線，此時(shí)座艙高度與氣壓高度值相等)，隨后座艙高度開始緩慢下降，座艙壓力小于外界環(huán)境壓力，飛機(jī)出現(xiàn)負(fù)壓差。在T4時(shí)刻，安全活門開啟進(jìn)行負(fù)釋壓(綠色實(shí)線，此時(shí)SFV值為1)。從圖5可看出，T4時(shí)刻，負(fù)壓差達(dá)到安全活門開啟設(shè)定值，活門打開，座艙內(nèi)外壓差迅速平衡穩(wěn)定。

綜上所述，試驗(yàn)期間座艙壓力環(huán)境及安全活門響應(yīng)均符合預(yù)期，座艙負(fù)壓差的安全釋壓功能正常。

4 試飛風(fēng)險(xiǎn)分析

試飛安全是飛行試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中所面臨的首要問(wèn)題，試飛風(fēng)險(xiǎn)分析是對(duì)試飛執(zhí)行過(guò)程中可能遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、分析和制定應(yīng)對(duì)措施的過(guò)程，是試飛實(shí)施和安全保障工作的基本前提，是降低試飛風(fēng)險(xiǎn)，控制飛行安全的基礎(chǔ)[4]。民機(jī)試飛安全影響因素眾多，很難針對(duì)每種風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定量評(píng)估，目前，民機(jī)試飛過(guò)程中通常采用定性評(píng)估法(代表有FAA發(fā)布的指令4040.26B)，本文參考FAA指令4040.26B[5]風(fēng)險(xiǎn)管理程序，對(duì)座艙負(fù)壓差安全釋壓功能試驗(yàn)進(jìn)行試飛風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別出機(jī)組遭遇不利座艙壓力環(huán)境①和飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞②兩項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如圖7所示，詳細(xì)分析見4.1節(jié)。

圖7 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

4.1 機(jī)組遭遇不利座艙壓力環(huán)境①

1)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率：不太可能。

2)嚴(yán)重程度：機(jī)組人員身體不適，機(jī)組工作負(fù)荷顯著增加(嚴(yán)重的)。

3)發(fā)生原因：(1)應(yīng)急卸壓時(shí)，座艙壓力和壓力變化率過(guò)大，超出預(yù)期；(2)座艙壓力調(diào)節(jié)功能失效。

4)風(fēng)險(xiǎn)降低措施：(1)試驗(yàn)前機(jī)組人員可參加低壓耐力訓(xùn)練；(2)試飛前機(jī)組人員保持身體處于良好狀態(tài)；(3)試驗(yàn)一開始機(jī)組佩戴氧氣面罩，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控座艙高度和座艙壓力變化率；(4)試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組佩戴飛行降壓耳塞；(5)客艙試驗(yàn)人員配備氧氣供應(yīng)設(shè)備。

5)應(yīng)急處置程序：試驗(yàn)過(guò)程中，如機(jī)組人員感覺(jué)座艙壓力環(huán)境難以適應(yīng)可中止試驗(yàn)，按需恢復(fù)座艙高度，如無(wú)法恢復(fù)，降低飛行高度至10 000 ft以下。

4.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞②

1)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率：偶然。

2)嚴(yán)重程度：飛機(jī)失控(災(zāi)難性的)。

3)發(fā)生原因：安全活門故障，座艙內(nèi)外壓差超限。

4)風(fēng)險(xiǎn)降低措施：(1)飛行前機(jī)組進(jìn)行模擬機(jī)演練，熟練掌握試驗(yàn)程序及應(yīng)急處置程序；(2)試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)上和地面實(shí)時(shí)監(jiān)控座艙壓差、座艙高度等壓調(diào)關(guān)鍵參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通報(bào)指揮員。

5)應(yīng)急處置程序：如應(yīng)急下降過(guò)程中發(fā)現(xiàn)座艙壓差值超過(guò)限定值，則中止試驗(yàn)，打開空調(diào)組件、恢復(fù)壓調(diào)自動(dòng)模式、增加飛機(jī)高度，使座艙壓差盡快控制在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架、試飛方法、改裝方法、數(shù)據(jù)處理等方面對(duì)民機(jī)座艙負(fù)壓差安全釋壓功能試驗(yàn)進(jìn)行了分析總結(jié)，參考FAA飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)管理程序，從風(fēng)險(xiǎn)源、發(fā)生原因、風(fēng)險(xiǎn)降低措施及應(yīng)急處理程序等方面進(jìn)行試飛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為民機(jī)座艙負(fù)壓差安全釋壓功能試飛工作提供了技術(shù)參考。