QAR 數(shù)據(jù)分析在ARJ21 飛機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

■ 曾家祥 陳傳銳/成都航空有限公司

0 引言

國(guó)產(chǎn)ARJ21-700 支線客機(jī)于2016年6 月開始商業(yè)運(yùn)行。成都航空有限公司是全球首家用戶，目前也是該機(jī)型的最大運(yùn)營(yíng)人。截至2022 年6 月，成都航空共有ARJ21 飛機(jī)24 架，已累計(jì)安全飛行94986h、53446 架次，機(jī)隊(duì)運(yùn)行狀態(tài)逐步提升。成都航空在探索運(yùn)行和示范運(yùn)行的過程中，深入鉆研飛機(jī)系統(tǒng)原理，大膽嘗試和創(chuàng)新，既積極推進(jìn)ARJ21 型號(hào)的持續(xù)優(yōu)化，又充分夯實(shí)維修能力、分析能力，創(chuàng)新能力穩(wěn)步提升。在維修新技術(shù)手段的應(yīng)用上，依托現(xiàn)有的機(jī)載飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS）和飛機(jī)通信尋址報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和監(jiān)控，可以對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行有效控制，結(jié)合QAR 數(shù)據(jù)分析，對(duì)重大和疑難故障進(jìn)行診斷，對(duì)存在的故障隱患趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，變恢復(fù)性維修為預(yù)測(cè)性維修，最終達(dá)到精準(zhǔn)維修的目的。

1 ARJ21 機(jī)型WQAR 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備介紹

A R J 2 1-7 0 0 機(jī)型裝備了一臺(tái)Teledyne 公司的無線快速存取記錄器（WQAR）計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)也廣泛應(yīng)用于空客A320 系列及波音737 系列飛機(jī)。WQAR 具有記錄和下載功能，內(nèi)置儲(chǔ)存卡，可存儲(chǔ)飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理組件（RTMU）傳輸來的飛機(jī)參數(shù)，并發(fā)送到外置CF 卡備份。當(dāng)飛機(jī)在地面滿足條件時(shí)，WQAR 會(huì)自動(dòng)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至指定服務(wù)器，當(dāng)無線傳輸功能不可用時(shí)，可人工取下CF 卡獲取數(shù)據(jù)。這些加密數(shù)據(jù)經(jīng)專用軟件譯碼方可使用。WQAR 數(shù)據(jù)傳輸如圖1 所示。

圖1 WQAR數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1.2 工作邏輯

WQAR 的數(shù)據(jù)發(fā)送并不是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，需要飛機(jī)在地面滿足相應(yīng)的條件后才能觸發(fā)，記錄和發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯受以下信號(hào)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)記錄和發(fā)送功能。

1）當(dāng)飛機(jī)在空中或者至少有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油切斷開關(guān)置于RUN 位時(shí)，WQAR 內(nèi)部鎖鎖定，RF 模塊斷電，開始記錄。

2）當(dāng)飛機(jī)在地面且兩個(gè)燃油切斷開關(guān)都置于OFF 位，內(nèi)部鎖解鎖，RF模塊通電，WQAR 訪問移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)的飛行數(shù)據(jù)發(fā)送到地面服務(wù)器。WQAR記錄和發(fā)送功能邏輯如圖2 所示。

圖2 WQAR記錄和發(fā)送功能邏輯圖

2 QAR 數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用

2.1 QAR 數(shù)據(jù)分析方法

地面工作人員獲得QAR 數(shù)據(jù)后，需使用專門軟件對(duì)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。

目前使用較多的譯碼軟件有Air-FASE、TDRS II 和AGS 等，使用方法見供應(yīng)商說明書。

2.2 QAR 數(shù)據(jù)在維修方面的用途

根據(jù)廠家提供的WQAR 信息，目前ARJ21 飛機(jī)QAR 數(shù)據(jù)采用1 秒/次的采樣率，記錄的主要系統(tǒng)可譯碼的連續(xù)、離散參數(shù)值共計(jì)873 項(xiàng)。

在飛機(jī)維修方面，WQAR 數(shù)據(jù)有以下作用：

1）飛機(jī)狀態(tài)分析。飛機(jī)在空中出現(xiàn)警告信息，受條件限制或系統(tǒng)邏輯等原因無法在地面復(fù)現(xiàn)時(shí)，可運(yùn)用QAR參數(shù)譯碼，查看系統(tǒng)在空中時(shí)各系統(tǒng)參數(shù)情況，以確認(rèn)飛機(jī)狀態(tài)。

2）精準(zhǔn)排故。從飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS）獲取觸發(fā)的故障信息，結(jié)合相應(yīng)系統(tǒng)的QAR 參數(shù)，分析并捕獲系統(tǒng)異常，進(jìn)行精準(zhǔn)排故。

3）參數(shù)監(jiān)控。運(yùn)用譯碼軟件建立模型，連續(xù)監(jiān)控飛機(jī)某系統(tǒng)參數(shù)，如起落架剎車、飛控舵面、發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值等參數(shù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)不良趨勢(shì)、達(dá)到超限值之前，提前介入進(jìn)行維修工作，減少非計(jì)劃性停場(chǎng)時(shí)間。

3 應(yīng)用案例

3.1 QAR 數(shù)據(jù)協(xié)助判斷起落架實(shí)時(shí)狀態(tài)

2019 年某機(jī)在進(jìn)近過程中觸發(fā)紅色警告“LANDING GEAR”，持續(xù)1s 左右。飛機(jī)構(gòu)型：AP、AT 接通狀態(tài)，進(jìn)近中襟縫翼形態(tài)2，氣壓高度2600ft 放輪，進(jìn)入襟縫翼形態(tài)3?！癓ANDING GEAR”代表飛機(jī)在進(jìn)近著陸構(gòu)型下起落架未放下鎖定。該信息給后續(xù)運(yùn)行帶來困擾，為判斷能否正常放行，根據(jù)當(dāng)時(shí)飛機(jī)的構(gòu)型狀態(tài)進(jìn)行分析。

一般地，同時(shí)滿足以下條件時(shí)觸發(fā)該警告。條件一：高度信號(hào)、襟翼位置、起落架位置。在兩部無線電高度都無效，且襟翼位置>23.5°（3 卡、4 卡）時(shí)，某一起落架未放下鎖好；條件二：發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿位置。雙發(fā)工作，兩個(gè)油門桿角度（TLA）<50°；或單發(fā)工作，工作側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)TLA<68°，另一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)

TLA<27°。

如表1 所示，通過譯碼QAR 相關(guān)數(shù)據(jù)得知，在3：52：11 時(shí)，飛機(jī)氣壓高度為2880ft，機(jī)組操作起落架手柄到放下位，操作襟縫翼手柄從2 卡到3卡。在3：52：20 時(shí)，第4 列數(shù)據(jù)表明無線電高度無效（因無線電高度大于2600ft，會(huì)始終輸出2600ft，且系統(tǒng)判定為無效），第5 列數(shù)據(jù)表明此時(shí)飛機(jī)襟翼角度為23.8°，第11 列數(shù)據(jù)表明起落架未放下鎖定，由此滿足條件一；查看第9、10 列參數(shù)，雙發(fā)油門桿角度均小于50°，從而滿足條件二，符合著陸構(gòu)型警告邏輯的觸發(fā)條件，因此系統(tǒng)觸發(fā)“LANDING GEAR”警告；1s 后起落架放下并鎖定，警告消失。

表1 QAR起落架警告邏輯相關(guān)數(shù)據(jù)

對(duì)比飛機(jī)實(shí)際構(gòu)型與警告觸發(fā)邏輯可知，因飛機(jī)狀態(tài)滿足相關(guān)邏輯，隨之觸發(fā)“LANDING GEAR”紅色警告。譯碼分析可以得出結(jié)論：該警告信息并不是故障警告，而是滿足邏輯的狀態(tài)提示。后續(xù)起落架放下鎖定后警告消失，飛機(jī)正常落地，進(jìn)一步說明了飛機(jī)各系統(tǒng)工作正常，符合設(shè)計(jì)邏輯，無需排故，飛機(jī)可正常放行。

3.2 QAR 數(shù)據(jù)精確定位剎車故障

2021 年某機(jī)起飛后出現(xiàn)自動(dòng)剎車故障警告，同時(shí)查看中央維護(hù)系統(tǒng)有“BRAKE CONTROL SYSTEM：LOB SPINDOWN FAIL”信息，該信息表示飛機(jī)在起飛離地收輪后，剎車控制組件（BCU）檢測(cè)到左1 號(hào)輪轉(zhuǎn)速未下降。查詢故障隔離手冊(cè)，可能的故障原因?yàn)椋鹤? 號(hào)輪速度傳感器、BCU、左1 號(hào)輪剎車控制閥或左1 號(hào)輪剎車管路有異物，導(dǎo)致控制閥工作受影響。

自動(dòng)剎車系統(tǒng)故障可能直接影響飛機(jī)最大起飛/著陸重量以及機(jī)組對(duì)落地跑道長(zhǎng)度的評(píng)估，甚至可能導(dǎo)致飛機(jī)沖出跑道。根據(jù)系統(tǒng)原理，起落架收上時(shí)剎車系統(tǒng)會(huì)輸出一定壓力使機(jī)輪止轉(zhuǎn)，系統(tǒng)工作邏輯為：當(dāng)起落架手柄到達(dá)UP 位5s 后，四個(gè)主輪剎車輸出不超過1500psi 的壓力，5s 內(nèi)將機(jī)輪剎停；觸發(fā)警告邏輯為：剎車啟動(dòng)4.5s 后若檢測(cè)到任一機(jī)輪速度大于20kts 且持續(xù)超過20ms，則觸發(fā)止轉(zhuǎn)剎車失效警告。

由于剎車系統(tǒng)復(fù)雜，涉及部件眾多，按手冊(cè)對(duì)部件一一隔離費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此利用QAR 譯碼分析剎車系統(tǒng)各參數(shù)情況。

如表2 所示，經(jīng)過QAR 譯碼得知，從7：08：35 開始，飛機(jī)2、3、4 號(hào)剎車逐步輸出壓力直到超過1000psi，在3s 內(nèi)將三個(gè)機(jī)輪轉(zhuǎn)速從大于13kts 到剎停；但1 號(hào)輪剎車壓力不足，導(dǎo)致1 號(hào)輪轉(zhuǎn)速下降慢，超過剎車系統(tǒng)允許限制值，進(jìn)而觸發(fā)警告。由此可知，主要故障原因是1 號(hào)輪剎車壓力不足，可以排除輪速傳感器、BCU 故障。后續(xù)檢查剎車油路無氣泡、無雜質(zhì)，更換該側(cè)剎車控制閥，該機(jī)未再出現(xiàn)自動(dòng)剎車警告，表明故障已徹底排除。

表2 QAR剎車止轉(zhuǎn)警告相關(guān)數(shù)據(jù)

本次排故經(jīng)過QAR 數(shù)據(jù)分析，精確鎖定故障源頭，節(jié)約了人力和器材，減少了停場(chǎng)時(shí)間，排故精準(zhǔn)高效。

3.3 通過QAR 監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)以提前干預(yù)

發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控一般通過ACMS 報(bào)文實(shí)現(xiàn)，該報(bào)文是發(fā)動(dòng)機(jī)某一狀態(tài)的瞬間快照，ARJ21 飛機(jī)在起飛、巡航階段均會(huì)實(shí)時(shí)傳送發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)文到地面；QAR 數(shù)據(jù)記錄的是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的全過程，數(shù)據(jù)更詳盡，連續(xù)性更強(qiáng)。

在飛機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的健康管理尤為重要，如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪級(jí)間溫度（ITT）趨勢(shì)監(jiān)控、滑油溫度監(jiān)控、滑油量監(jiān)控、發(fā)動(dòng)機(jī)N1/N2 振動(dòng)值監(jiān)控等都需要通過譯碼軟件建立一個(gè)持續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)控模型，當(dāng)監(jiān)控的某一參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的警戒值時(shí)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的提示或報(bào)警。

ARJ21 安 裝 了 兩 臺(tái)GE 公 司 的CF34-10A 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一款成熟型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)。2021 年，在利用QAR 譯碼進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)監(jiān)控時(shí)，監(jiān)測(cè)到某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子N1 振動(dòng)值出現(xiàn)了階躍點(diǎn)，最大值達(dá)到3.1（單位：Aircraft Units），接近其限制值4。進(jìn)一步采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)最大振動(dòng)值連續(xù)5 天呈上升趨勢(shì)，如圖3 所示。

圖3 左發(fā)低壓N1振動(dòng)值監(jiān)控

綜合分析后執(zhí)行排故程序。首先根據(jù)手冊(cè)目視檢查發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，未發(fā)現(xiàn)損傷；隨后對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行清洗和潤(rùn)滑；最后進(jìn)行大推力運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果該發(fā)動(dòng)機(jī)N1 振動(dòng)值明顯好轉(zhuǎn)，最大值僅為1.1。飛機(jī)后續(xù)運(yùn)行5 個(gè)航段，持續(xù)監(jiān)控QAR 數(shù)據(jù)，確認(rèn)振動(dòng)值已恢復(fù)到正常范圍。

該案例利用QAR 數(shù)據(jù)監(jiān)控，預(yù)判發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值的上升趨勢(shì)，提前采取措施，收到了良好效果。

4 結(jié)束語

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)分析手段的應(yīng)用，飛機(jī)維修管理也在不斷創(chuàng)新。從2018 年開始，成都航空運(yùn)用開拓性的思維模式、創(chuàng)新的技術(shù)手段，結(jié)合QAR 數(shù)據(jù)分析，保持機(jī)隊(duì)處于良好的適航狀態(tài)，確保安全性，提升正點(diǎn)率。在24 架飛機(jī)的規(guī)模化運(yùn)行過程中，新的技術(shù)手段使維修質(zhì)量更有保障，有效提升了ARJ21 機(jī)隊(duì)的機(jī)械派遣率和運(yùn)行可靠性。

成都航空承擔(dān)國(guó)產(chǎn)民機(jī)探索運(yùn)行、示范運(yùn)行的重任。五年來，成都航空鉆研飛機(jī)原理，逐步摸清機(jī)型特點(diǎn)，翔實(shí)反饋運(yùn)行及維修過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為機(jī)型的優(yōu)化提出諸多合理建議，為國(guó)產(chǎn)民機(jī)事業(yè)做出積極貢獻(xiàn)。