氣動式座艙壓力調節系統故障機理研究

劉攀 黃丙寅/中國飛行試驗研究院

0 引言

從座艙壓力控制原理來看，座艙壓力控制系統經歷了氣動式、電子氣動式和數字式三個階段[1]，控制技術越來越先進、控制精度越來越高、動態特性越來越好。但隨著電磁戰成為五維空間戰場，電磁武器極易成為各種電子設備的殺手锏[2]，電子式和數字式座艙壓力調節系統在電磁干擾或者攻擊的情況下極易失效或產生誤動作[3]。因此，出于軍事用途的特殊考慮，氣動式座艙壓力調節系統成為各國多數軍用飛機的首選。維修保障中，氣動式座艙壓力控制系統故障和問題常常困擾著維修人員。已有文獻的記載中，許多學者已經就此進行了不少理論研究和排故經驗介紹，但大都側重理論或者單一故障現象的排除，較少在理論分析基礎上結合飛機維修保障實踐進行系統性分析研究。本文在深入分析原理的基礎上，結合軍機維修保障工作實踐，系統地研究了座艙壓力異常故障的機理和常見故障形式，在指導外場排故方面具有較好實用性。

1 氣動式座艙壓力調節系統工作原理和座艙壓力數學模型

1.1 氣動式座艙壓力調節系統工作原理

氣動式座艙壓力調節系統一般由座艙壓力調節器、排氣活門、安全活門等組成，如圖1 所示。座艙壓力調節器根據飛行高度，發出與預定氣密座艙壓力調節曲線相符合的氣壓控制信號，控制排氣活門將多余的空氣由座艙排入后設備艙，以保證座艙的規定壓力。在典型的氣動式座艙壓力調節系統中，座艙壓力調節器是“大腦”，感知座艙壓力并發出控制信號；排氣活門是執行機構，執行控制指令以得到預定的壓力；安全活門則是一道保險，防止“大腦”失靈或者在執行機構故障時不至于使座艙壓力完全失控，當壓力超過其工作觸發壓力閾值時，活門將開啟卸壓，保護駕駛員和飛機座艙結構的安全。通常，座艙壓力調節器由釋壓限幅器、余壓調節器、絕對壓力調節器、氣動功率放大器、氣壓容腔、氣動轉換器等原件組成[4]。

圖1 典型氣動式座艙壓力調節系統的組成

其中，釋壓限幅器用來產生一個穩定且免受干擾的控制系統基準低壓氣源，作為余壓組件和絕對壓力組件調節壓力控制信號的基礎和基準，使得控制信號免受大氣壓力波動影響，提高系統的控制精度和穩定度。余壓組件、絕對壓力組件分別用來產生余壓段、比例調壓段的壓力制度（見圖2）[5]。氣動轉換器根據飛機動壓（速度）轉換飛機在起飛著陸階段座艙壓力調節器的工作狀態，進而控制飛機座艙處于自由通風狀態或增壓狀態。氣容結構用來限制壓力調節信號的最大變化速率。氣動功率放大器對氣容輸出的壓力信號進行功率放大后，控制排氣活門的開度以及進一步對最大壓力上升速率進行限制。負壓活門是一個超壓保護器件，在座艙負壓過大時開啟，對氣動放大器的輸出壓力進行泄放壓，確保座艙負壓值不超過 規定。

以某型軍機為例，座艙壓力調節規律為：在起飛滑跑開始后，當速度小于300km/h 時，座艙為自由通風狀態，當飛機速度達到300km/h（對應動靜壓差達到53kPa）后，氣動轉換器動作，座艙開始氣密。當飛行高度大于比例調壓組件的起調高度時，座艙開始逐漸增壓；當著陸時速度小于200km/h 后，座艙解除氣密。飛行高度在0 ～5000m 左右時，座艙余壓逐漸增加到34.4kPa，高度如果繼續增大，但座艙余壓保持34kPa 不變。座艙壓力調節失效時，安全活門可保證座艙最大余壓不超過38kPa，且在調節過程中限制座艙最大負壓不超過2.7kPa。

1.2 座艙壓力動態簡化數學模型

將飛機座艙近似認為是簡單的容積不變的壓力容器，并假定理想的情況下其內部各處壓力相等，忽略內部流場分布。由于座艙內空氣溫度變化很小，且座艙內具有專門的溫控系統調節溫度，在分析時可假定座艙溫度恒定。綜合以上，將艙內空氣視為理想氣體，則飛機氣密座艙內的絕對壓力Pc為：

圖2 典型氣動式座艙壓力制度曲線

其中，Vc為座艙容積；Tc為座艙內氣體溫度；G 為座艙氣體的質量；R 為氣體常數；M 為氣體摩爾質量；其中Vc、Tc、R、M 均為常量。式（1）對時間t 求導可得：

可見，座艙壓力的變化量取決于座艙內空氣質量的變化。在正常工作條件下座艙安全活門和負壓活門處于關閉狀態，座艙單位時間內的空氣質量變化量等于座艙供氣量Gk減去排氣活門排氣量Gp及漏氣量Gl。因此，座艙壓力動態簡化數學模型可表示為：

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。空氣凈流入量等于供氣量減去排氣量與漏氣量。當空氣凈流入量大于零時，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，飛機空調系統以一定的比例分別向座艙和設備艙提供相應流量的空氣。座艙壓力調節器通過感知座艙當前壓力與預定調節規律對應的壓力差值去控制排氣活門的開度，進而控制排氣量。一般情況下，漏氣量與座艙密封性能要求相關，特殊情況下排氣活門和安全活門故障時也可能導致非正常漏氣。

2 氣動式座艙壓力調節系統常見故障分析

2.1 氣動式座艙壓力調節系統故障樹構建

如前所述，由于座艙的容積是固定的，座艙內的溫度一般由空調系統保持在穩定調節溫度，可假定其保持不變。因此，分析座艙壓力調節系統故障原因時必須重點抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個參數相關的因素，通過分析主三個主要因素來形成故障樹，如圖3所示。

2.2 供氣量異常故障分析

飛機空調系統以一定的比例分別向座艙和設備艙提供相應流量的空氣，其中通向座艙的空氣量即為座艙的供氣量。空調系統為座艙提供正常的供氣量是維持一定座艙壓力的基礎，當供氣量過大且超過一定值時，即使座艙壓力調節器控制排氣活門處于全開狀態，座艙壓力仍會過大，只能由安全活門來保證座艙余壓不超過安全閾值。供氣量過小時，由于座艙本身非完全密封，具有一定的正常漏氣量，因此即使排氣活門處于全關狀態，座艙壓力仍可能偏低，壓力過低時負壓活門將開啟，以保證座艙負壓不超過規定值。供氣量異常故障因素有空調系統故障、流量調節器故障、流量傳感器故障。

圖3 座艙壓力異常故障樹

1）空調系統故障。空調系統故障可在一定程度上導致座艙供氣量異常，常見故障有空調流量和壓力異常、故障管路泄漏等。例如，某架飛機曾發生過空調系統管路泄漏，導致供氣量減小、發動機小狀態時座艙壓力值偏 低。

2）流量調節器故障。流量調節器用來保證以一定的比例分別向座艙和設備艙提供相應流量的空氣，并優先滿足座艙供氣量。流量調節器出現故障時，可能導致座艙與設備艙供氣量比例失調，影響座艙壓力。例如，飛行員反映某型飛機高空小表速時出現座艙壓力偏低，高度快速下降時更為明顯，推油門進入大狀態時座艙壓力恢復正常。后檢查發現流量調節器卡滯，供給設備艙的空氣流量過大，導致供給座艙的供氣量偏小。發動機在大狀態時空調系統供氣流量大，設備艙分流作用不明顯，對座艙壓力影響小；而在小狀態尤其是高度下降、座艙壓力應增大時，設備艙分流作用明顯，座艙供氣量不足，壓力 偏低。

3）流量傳感器故障。流量傳感器出現故障時會向流量調節器發出錯誤信號，致使流量調節器調節的流量比例不正常，進而通過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

氣動式座艙壓力調節器調節系統以氣壓信號作為調節的介質，座艙壓力調節器通過感受座艙壓力與外界大氣壓，發出與預定的氣密座艙壓力調節曲線相符合的氣壓控制信號，控制排氣活門將多余的空氣從座艙排入后設備艙，使座艙內的壓力得到調節。因此，排氣量異常將直接導致座艙壓力異常，常見的排氣量異常故障因素有壓力調節器故障、感壓管堵塞、排氣活門卡滯或 故障。

1）壓力調節器故障。座艙壓力調節器出現故障將使控制排氣活門的壓力出現異常，導致排氣活門的排氣量異常，進而使座艙壓力異常。外場維護中因座艙壓力調節器故障導致座艙壓力異常的故障占比較大。

2）排氣活門卡滯或故障。排氣活門卡滯或故障將使排氣量異常，直接導致座艙壓力調節失效或出現較大誤差。在使用維護中，曾出現排氣活門被外來物卡住、排氣活門卡滯、排氣活門減振器漏氣、活門性能下降等故障 類型。

3）感壓管路堵塞。感壓管路堵塞將使壓力調節器感受的座艙壓力變小，從而控制排氣活門的排氣量減小而增大座艙壓力，使座艙壓力調節值偏高。此類管路堵塞的情況在外場維護中雖有發生，但出現幾率較小，故障排查 復雜。

2.4 漏氣量異常故障分析

受座艙結構限制，飛機氣密座艙允許有正常范圍內的漏氣量，漏氣量常常與座艙的氣密程度和座艙內外余壓有關[6]。例如，某型機規定在地面進行座艙密封性檢查時，當座艙停止供氣后，座艙壓力從30kPa 下降到10kPa 的時間不能少于150s。可見，在座艙密封性良好的情況下座艙的漏氣量不大，但當座艙因為某種原因密封性下降而使漏氣量過大時，即使壓力調節器控制排氣活門關閉也仍然可能導致座艙壓力偏低甚至座艙失密。常見漏氣量異常的故障因素有以下幾種。

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

2）座艙結構受到破壞。如座艙蓋氣密軟管破裂導致座艙失密、座艙壁板出現裂紋和損傷等。

3）座艙安全活門故障導致意外排氣。座艙安全活門的設置是為防止座艙壓力失調過大，限制座艙內外最大壓差。安全活門正常開啟時工作壓差比壓力調節器調節的最大壓差大了一定數值，在正常調節時并不參與工作。而當安全活門故障或者性能下降時會出現意外開啟，導致座艙漏氣量增大而影響座艙的正常壓力調節。日常機群維護檢查時曾多次發現安全活門開啟壓力偏低 現象。

3 結論

氣動式座艙壓力調節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。當空氣凈流入量大于零時，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。分析座艙壓力調節系統故障原因時，必須重點抓住與座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個參數相關的因素。由此，基于故障發生頻率和后果，形成以下排故及維修保障建議：

1）排故時緊抓座艙供氣量、排氣量、漏氣量三個因素分析。實際維修保障中有時還會出現三種因素中兩兩疊加的情況，給排故造成困擾。例如，某型飛機曾出現座艙壓力偏低故障，最終查明為座艙排氣活門故障和座艙密封結構密封性不符合要求的綜合因素導致。因此，在實際工作中考慮問題要全面，避免排故不徹底，留下問題隱 患。

2）排故中應重點排查壓力調節器和排氣活門等故障高發件。從長期的維修保障實踐來看，座艙壓力調節系統中壓力調節器和排氣活門發生故障的概率最高。統計三型飛機50 起座艙壓力異常故障后發現，因壓力調節器和排氣活門產生的故障為38 起，約占全部故障的75%，其余復雜性故障一般為多因素疊加而引起的故障，在維修排故時應依據具體故障現象綜合分析研判。

3）日常維修保障中應加強空勤人員使用意見和感受的收集工作。限于技術條件和外場使用條件，模擬高空座艙壓力檢查時在座艙外局部空間制造低壓力環境的實現難度非常大。目前基層級和中繼級維修中座艙壓力調節系統只能實現地面靜態特性檢查，無法實現座艙壓力調節器空中動態特性檢查。因此，在日常維修保障中一定要及時、細致地收集空勤人員的使用意見和感受，加強靜態特性檢查，以彌補檢查設備的缺陷和不足。

4）切實保障座艙安全活門這一最后安全屏障的性能。座艙安全活門是壓力調節器空中失效后座艙壓力調節系統的最后一道安全屏障，日常維護檢查中需要重點檢查其工作壓力是否符合規定，確保系統安全底線。