基于QAR 數據的A320 系列飛機空調組件流量監控

李偉 宋劍 羅俊/中國南方航空股份有限公司

空調系統是飛機重要系統之一，直接影響旅客舒適度。飛機的空調系統可以控制座艙溫度、電子艙及貨艙通風,以及通過控制空氣流量來控制座艙壓力。如果流量調節異常，嚴重時可能導致飛機釋壓風險。空調艙熱空氣滲漏是造成組件流量異常的主要原因之一，滲漏嚴重時還會產生引氣滲漏警告，不能放行飛機。因此，對空調艙熱空氣滲漏的連續監控十分必要。

1 流量控制

流量控制的主要部件包括空調系統控制器（ACSC）、空調面板（30VU）上的組件流量選擇旋鈕或電門、流量控制活門（FCV）、組件進口壓力傳感器（PIPS）、壓差傳感器（DPS）等，其中，FCV 是流量的直接控制部件。ACSC1 控制FCV1，ACSC2 控制FCV2，ACSC1 參與流量計算，將計算后的流量指令發送給ACSC2[1]。

1.1 流量控制活門（FCV）

FCV 可以由駕駛艙的PACK 電門、火警電門以及迫降電門（ditching 電門）關斷，也可以由計算機ACSC 控制關斷。FCV 的開關可以實現將引氣引入或關閉空調組件的功能，其作動方式屬于電控氣動。除了引入引氣之外，還有以下三個功能：

1）控制流入空調組件的流量（kg/s）。

2）飛機迫降在水面、發動機啟動、發動機著火以及機組人工關斷時，FCV將空調與氣源系統隔離。

3）當ACM 超溫和引氣低壓時，ACSC 計算機控制FCV 關閉，以保護空調系統。

1.2 流量需求

1.3 流量選擇

對于A320 系列飛機而言，FCV有三種流量可供選擇：80%、100%和120%。

在雙發運轉使用發動機引氣且雙空調組件正常工作條件下，系統默認選擇100%的流量模式。進行人工選擇時，A321 飛機的FCV 只能選擇80%和100%流量，即在頭頂板上選擇ECON FLOW 電門；而A320/A319 飛機，可以通過PACK FLOW 旋鈕選擇使用80%、100%和120%的流量。80%的流量模式可以節省飛機燃油（達不到需求的溫度時，ACSC 會自動將流量調節到100%）。

只要APU 對空調供氣（不論是否單空調工作），ACSC 會自動調節FCV到120%；或者發動機工作過程中進行單空調供氣時，ACSC 也會自動調節FCV 到120%。人工選擇時，A320/A319飛機允許根據旅客數量及外界狀況（排煙、熱或濕等條件）選擇組件活門流量到120%，A321 飛機無此人工選項。

表1 不同情況下的流量需求

表2 A320飛機組件流量正態分布參數

2 流量分析

通過梳理空客廠家給出的流量需求，可以得出正常操作情況下的流量范圍。本文旨在通過監控流量來監測熱空氣滲漏情況，因此只監控地面階段數據。

2.1 正常范圍

正常操作時，在地面使用發動機引氣且雙空調組件正常工作，A320 系列飛機流量自動選擇100%流量。具體的流量需求與當時的座艙溫度和座艙壓力息息相關，根據表2 可知，A320/A319飛機流量自動選擇在100%流量時該值為1.102kg/s，即單組件為0.5510kg/s；A321 飛機為1.293kg/s，即單組件為0.6465kg/s。

統計南航某分公司運行的4 架A320 飛機近一年（包括春夏秋冬四季）航班的流量（PF）數據，每架飛機兩個組件，共有12276 份流量（PF）樣本。

參考正態分布公式

各項參數如表2 所示，所得出的正態分布曲線參考圖1，基本符合正態分布。

標準差分析參考表3，認為3σ 的概率為99.8615%，就足以篩選出正常范圍數據，即0.38 ≤PF ≤0.61，因此對A320 飛機的監控在該范圍取值。

圖1 A320飛機組件流量（PF）概率分布曲線

表3 A320飛機組件流量標準差分析

統計南航某分公司運行的10 架A321 飛機近一年航班的流量PF 數據，每架飛機兩個組件，共有31212 份PF樣本。其中，A321 飛機正態分布各項參數如表4 所示。

從圖2 可以看出，A321 飛機的組件PF 的概率分布符合正態分布，不過3σ 范圍樣本發生概率過高，因此對3σ 范圍需要進一步修訂。標準差分析參考表5，認為修訂后的3σ 的范圍概率為99.542%，足以篩選出正常范圍數據，即0.36 ≤PF ≤0.67，因此對A321飛機的監控在該范圍取值。

由上述分析可知，正常A320/A319飛機在地面使用發動機引氣供給空調雙組件，正常100%流量情況下，手冊中每個組件流量的理論需求PF=0.55kg/s，實際運行數據為0.38kg/s≤PF≤0.61kg/s。

正常A321 飛機在地面使用發動機引氣供給空調雙組件，正常100%流量情況下，手冊中每個組件流量的理論需求PF=0.65kg/s，實際運行數據為 0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s。

表4 A321飛機組件流量正態分布參數

2.2 組件流量差值

理論上，左右組件在同樣條件下的流量應該相等，然而在實際運行中，組件流量左右存在差值，該差值的大小可以反應空調艙熱空氣的滲漏情況。根據空客技術文件ECS 19 REPORT FOR PACK MONITORING[2]，正常左右組件差值應小于10%。如果差值超過10%，則應考慮是真實流量差還是流量傳感器指示問題，需要進行排故。考慮到A320/A319 飛機實際組件流量運行數據為0.38kg/s ≤PF ≤0.61kg/s，設置組件流量差的觸發警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s；A321 飛機實際組件流量運行數據為0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s，設置組件流量差的觸發警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s，與A320/A319 飛機取值相同。

3 監控模型

根據以上數據，設計發動機引氣供給空調組件100%流量模式下的健康監控模型，以判斷空調艙熱空氣滲漏情況。

3.1 監控邏輯條件

根據需求，監控邏輯為：飛機在地面（起落架壓縮）；發動機啟動和滑行階段（PHASE 02 and PHASE 03）；為了減少FCV 作動過程對數據的影響，取值FCV 打開120s 平穩后、飛機離地前30s 內的數據。對每個航段符合上述截取邏輯條件的數據進行平均，所得數據樣式如表6 所示。

3.2 監控閾值設置

根據上述分析，正常情況下，A320/A319 飛機空調組件流量應滿足0.38 ≤PF ≤0.61，ABS（PF1-PF2）≤0.06；A321 飛機空調組件流量應滿足0.36 ≤PF ≤0.67，ABS（PF1-PF2）≤0.06。因此，對超出范圍的飛機進行預警，并繼續后續的排故措施。詳細預警如下：

圖2 A321飛機組件流量（PF）概率分布曲線

表5 A321飛機組件流量標準差分析

表6 A320s組件流量監控數據樣表

1）PF 大于監控值高值時，即A320/A319 飛機PF1（PF2）超過0.61kg/s或A321 飛機PF1（PF2）超過0.67kg/s 時，檢查流量指示系統，檢查熱空氣滲漏情況。

2）PF 低于監控值低值時，即A320/A319 飛機PF1（PF2）低于0.38kg/s或A321 飛機PF1（PF2）低于0.36kg/s 時，檢查流量指示系統。

3）流量差超范圍，即A320 系列飛機流量差大于0.06kg/s 時，重點檢查熱空氣滲漏情況。

4 模型驗證

4.1 系統架構

想要實現上述監控模型，對每架飛機每個航段都要實現連續監控的功能，如圖3 所示，有幾個關鍵點需要完 成。

1）數據獲取。主要指飛機的飛行數據QAR，飛機基于機場無線網絡，在每個航段后將該航段的QAR 數據自動傳輸到飛行數據服務器上。

2）數據分析。獲得飛行數據QAR后，需要自動解碼，自動完成空調系統流量相關參數的提取，通過一定的算法邏輯，綜合應用設計數據，自動判斷流量相關數據并得出維修建議。

3）維修決策。獲得維修建議后，根據飛機運行情況，利用合適停場時間進行排故，并將結果錄入監控模型進行效果驗證。

圖3 基于QAR的空調組件流量監控系統模型

4.2 監控案例

1）案例1

2019年7月11日，車間反饋B-XX53飛機在北京高環境溫度觸發“AIR BLEED”維護信息，接著出現左大翼滲漏警告，不能放行。根據監控，其組件流量差值數據超出范圍2 倍，ABS（PF1-PF2）=0.13，左側偏大，認為左側空調艙存在熱空氣滲漏現象。后續上飛機打印ECS19 報文（使用APU 引氣供給雙空調組件，默認流量120%），觀察到ABS（PF1-PF2）=0.16，與基于QAR 數據的空調組件流量監控所得結論相同。

圖4 B-XX53左ACM方形封嚴吹掉，部分鋼絲螺套松脫（左），與ECS19報（右）數據結論相同

檢查發現空調空氣循環機ACM 壓氣機處方形封嚴已經吹掉，同時發現部分鋼絲螺套松脫，如圖4 所示。更換ACM 后數據恢復正常，ABS（PF1-PF2）= 0.02。

2）案例2

2019 年7 月8 日，B-XX19 飛機監控出現維護信息“AIR BLEED”，同時觸發右大翼滲漏警告，不能放行，復位后警告消失。查看組件流量數據ABS（PF1-PF2）=0.15，組件流量差值異常，右側偏大，認為右側空調艙存在熱空氣滲漏現象。航后檢查發現右組件空氣循環機ACM 方形封嚴吹掉，如圖5 所示。更換ACM 后恢復正常，ABS（PF1-PF2）= 0.03。

3）案例3

2019 年7 月13 日，B-XX81 飛機的ABS（PF1-PF2）=0.06，組件流量差值異常，右側偏大，認為右側空調艙存在熱空氣滲漏現象。航后檢查發現右組件空氣循環機ACM 方形封嚴破損。更換ACM 后恢復正常，ABS（PF1-PF2）=0.01。

5 結束語

通過對空調流量的滲漏分析，建立空調流量的監控模型，給出連續每個航段的監控方法，通過案例對監控模型進行驗證。該模型已經在實際中應用，效果理想，滿足監控要求。

圖5 B-XX19飛機右ACM方形封嚴吹掉