A320 系列飛行數(shù)據(jù)記錄器工作原理淺析

■ 冷宇嘉 馮琦 李振江/北京飛機維修工程有限公司

1 飛行數(shù)據(jù)記錄器簡介

飛行數(shù)據(jù)記錄器（FDR）是記錄飛行狀態(tài)、操縱狀態(tài)，以及與航空器、發(fā)動機有關信息的機載自動記錄裝置，具有一定的抗沖擊、耐高溫、抗化學腐蝕的保護能力，以在飛機發(fā)生飛行事故后獲取所記錄的數(shù)據(jù)。FDR 的設計必須符合適航當局（民航監(jiān)管機構）的強制性記錄要求，使運營商能夠履行法規(guī)規(guī)定的運營人職責，如EU-OPS（JAR-OPS）、FAR121.344 和其他國家法規(guī)[1]。

早在20 世紀40 年代世界各國已先后開始飛行數(shù)據(jù)記錄器的研制工作，50 年代時多國將其列為飛機的必選設備[2]。1957年，美國民用航空署（CAA）要求從1958 年7 月1 日起，質量大于5670kg（12500lb）、 飛 行 高 度 大 于7620m（25000ft）的運輸機必須裝備飛行數(shù)據(jù)記錄器，飛行數(shù)據(jù)記錄器由此正式在飛機上裝備使用[3]。中國民用航空局也在CCAR-91 部中明確了對于FDR 的具體要求。FDR 從最初只能記錄高度、空速、航向、垂直加速度和時間等5 個參數(shù)發(fā)展到記錄更多的參數(shù)種類，記錄介質也從最初的膠片、鋼帶、磁帶發(fā)展到固態(tài)存儲器（SSFDR）。各OEM 廠家以及各國局方都制定了關于飛行數(shù)據(jù)記錄的參數(shù)標準[4]，對FDR 在航空器墜毀后的幸存防護標準則從TSO C-51 逐步提高到TSO C-124c。中國民航局頒發(fā)的FDR 的標準規(guī)定CTSO C-124c 于2016年8 月4 日正式生效，規(guī)定了FDR 為獲得批準和使用適用的CTSO 標記進行標識所必須滿足的最低性能標準。FDR的用途已從發(fā)生特殊事故時的調查擴展到飛機維護保障和對飛行員飛行駕駛技術的考核評估。

2 A320 系列飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

2.1 DFDRS 系統(tǒng)概述

A320 系列飛機上的飛行數(shù)據(jù)記錄器也被稱為SSFDR（固態(tài)飛行數(shù)據(jù)記錄器），屬于DFDRS 系統(tǒng)（數(shù)字式飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)）的一部分。在較新的A320 系列機型中，對飛機系統(tǒng)數(shù)據(jù)的搜集、記錄以及各種數(shù)據(jù)報文的生成、管理等功能進行了綜合，主要由飛行數(shù)據(jù)接口管理組件（FDIMU）進行控制（包含F(xiàn)DIU 和DMU 兩個部分）。因此，在DFDRS 系統(tǒng)中，作為核心部件的FDIU（飛行數(shù)據(jù)接口組件）接收和處理來自飛機系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，并對采集到的信息進行格式轉換后傳輸給SSFDR 用于強制的數(shù)據(jù)存儲。同時，CFDIU（集中式故障顯示接口組件）也與FDIU 相連，用于系統(tǒng)測試和故障數(shù)據(jù)采集。SSFDR 是固態(tài)的飛機數(shù)據(jù)存儲設備，可存儲FDIU 收集的最近25h 的飛行系統(tǒng)數(shù)據(jù)，SSFDR 記錄以FIFO（先進先出）方式管理（一旦達到完整的記錄自主權，最老的數(shù)據(jù)將被覆蓋）。因此，發(fā)生特殊事件后，通常第一時間要求拆下數(shù)據(jù)記錄器下載飛行數(shù)據(jù)并解析，以防止數(shù)據(jù)被覆蓋。DFDRS 系統(tǒng)與其他輔助設備也存在關聯(lián)，例如，線性加速度計（LA）用于測量飛機在3 個軸向的加速度，通過SDAC（數(shù)據(jù)采集集中器）的模數(shù)轉換后，將信息發(fā)送給FDIU。圖1 為DFDRS 系統(tǒng)概圖，其中“DFDR event”電門位于駕駛艙頭頂板區(qū)域，用于對飛行員某時刻存儲在SSFDR 內的飛行數(shù)據(jù)進行事件標記[5]。

圖1 DFDRS系統(tǒng)概圖

SSFDR 的記錄配置和記錄參數(shù)的精度取決于以下因素：

1）飛機型號；

2）選擇安裝的記錄設備（FDIU 的硬件和軟件構型，SSFDR 的硬件和軟件構型）；

3）源系統(tǒng)接口與精確的飛機接線配置；

4）飛機上程序銷釘設置的選擇（如每秒64、128、256、1024 字節(jié)）。

在A320 飛機上可以進行以下記錄構型的配置：

1）64WPS（每秒字數(shù)）配置；

2）128WPS 配置；

3）256WPS 配置；

4）1024WPS配置（源自新的法規(guī)要求，即FAR 修正案25-124 和121-338《修改對語音記錄器和飛行數(shù)據(jù)記錄器的規(guī)定》）。

2.2 SSFDR 的工作邏輯

SSFDR 的記錄通過啟動和停止供電繼電器進行邏輯控制，該邏輯基于數(shù)個輸入信號，包括直接的發(fā)動機控制以及空/地信息（供電內鎖環(huán)路邏輯）。

當飛機處于以下條件之一時，SSFDR 自動進行數(shù)據(jù)記錄（需保證匯流條提供115V 交流電源）：

1）飛行中，發(fā)動機運行或停止；

2）地面上至少有一個發(fā)動機在運轉；

3）在飛機電力網絡通電后的前5min；

4）在發(fā)動機最后一次關閉后5min 且在地面。

在A320 系 列飛機上，用于控制SSFDR 的 啟 動/ 停止邏輯的發(fā)動機控制信號可通過繼電器12KS1 和12KS2 獲得，這兩個繼電器分別由EIU1 和EIU2 提 供 控制指令（由1 發(fā)和2發(fā)分別提供與滑油低壓OIL LOW PRESS 對地的GND 有關的信號，即發(fā)動機是否給出滑油低壓力的信號）。這一信號的觸發(fā)在A320 系列飛機不同選型的發(fā)動機之間存在差異。例如，A320 系列的IAE 發(fā)動機上為60psi，而CFM 發(fā)動機為13psi。因此，當發(fā)動機第一次啟動且轉速N1 和N2 達到一定閾值（N1 為15%，N2 為40%），才開始激活SSFDR 的數(shù)據(jù)記錄。

另一種記錄方式是人工激活，即飛機在地面時所有發(fā)動機停止工作（此時飛機由APU 或外部電源供電），機組或地面人員可以通過使用RCDR/GND CTL 電門，激活供電內鎖環(huán)路繼電器，使SSFDR 開始飛行數(shù)據(jù)的存儲。

3 SSFDR 供電邏輯介紹

由于SSFDR 和各輔助系統(tǒng)的正常工作需要連接到飛機供電系統(tǒng)的各個電源匯流條，在分析SSFDR 工作原理時需分析飛機電源系統(tǒng)的供電邏輯。

3.1 飛機系統(tǒng)供電

A320 系列飛機的供電系統(tǒng)包括一個三相115V/400Hz 恒頻交流供電系統(tǒng)和一個28V 直流供電系統(tǒng)。在正常狀態(tài)下，電源系統(tǒng)由2 臺發(fā)動機的發(fā)電機和1 臺APU 發(fā)電機組成。由于A320 系列飛機供電網絡為非并聯(lián)供電，每臺發(fā)電機均可為所有電氣匯流條提供交流電源，如果正常的交流電源不可用，一臺應急發(fā)電機可提供交流電源。當飛機處于地面時，外接電源可連入飛機供電網絡進行供電，如圖2 所示。

圖2 飛機供電網絡

在正常狀態(tài)下，1 發(fā)的IDG 負責對主交流匯流條AC BUS 1、交流重要匯流條AC ESS BUS 以及交流可卸載重要匯流條AC SHEDDABLE ESSENTIAL BUS供電，2 發(fā)負責主交流匯流條AC BUS 2的供電，APU 發(fā)電機作為備用供電。

供電網絡的電源選擇優(yōu)先級依次為：本側發(fā)動機的發(fā)電機；外部電源（飛機在地面時）；APU 發(fā)電機；對側發(fā)動機的發(fā)電機。

各個發(fā)電機通過主交流匯流條AC BUS 1 和AC BUS 2 來覆蓋所有的飛機系統(tǒng)用戶的供電網絡。AC BUS 1 和AC BUS 2 的供電源選擇通過匯流條連接接觸器BTC 1 和2 對供電網絡進行控制，以便當任一發(fā)電機失效時可由另一臺發(fā)電機或APU 發(fā)電機對AC BUS 1 和AC BUS 2 供電。在駕駛艙頭頂板的電源面板區(qū)域設有一個BUS TIE 電門，該電門負責對BTC 1 和2 進行控制。正常情況下BUS TIE 電門處于按入位置（AUTO位），可自動根據(jù)電源網絡的供電情況控制BTC 1 和BTC 2 的閉合或斷開。

例如，當2 發(fā)的發(fā)電機失效，只有1 發(fā)工作時，BUS TIE 電門會自動通過相應繼電器控制BTC 1 和BTC 2 閉合，將1 發(fā)發(fā)電機的電源供給到AC BUS 2。若2 發(fā)的發(fā)電機失效時1 發(fā)和APU 發(fā)電機均在工作，BUS TIE 電門會自動控制BTC 1 斷開，BTC 2 閉合，此時AC BUS 1 由1 發(fā)供電，AC BUS 2 由APU供電。1 發(fā)失效時的供電邏輯同理。

A320 系列飛機供電系統(tǒng)中還包含應急發(fā)電機，可在緊急情況下為飛機的重要系統(tǒng)供電。但由于應急發(fā)電機僅在其他發(fā)電機系統(tǒng)都失效時才能工作，且只為交流重要匯流條AC ESS BUS 和DC ESS BUS 供電，因此當雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機均失效的情況下，飛機的供電網絡中只有與AC ESS BUS 和DC ESS BUS 關聯(lián)的系統(tǒng)用戶才能獲得供電，其他匯流條的網絡用戶（如僅與AC BUS 1 或AC BUS 2 連接的系統(tǒng)用戶）均無法獲得供電。

3.2 DFDRS 系統(tǒng)供電

FDIU 的主硬件FDIMU 是通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 同樣通過交流正常匯流條AC-NORM 的202XP 提供115VAC 電源。SSFDR 的工作邏輯受到供電內鎖環(huán)路（power-interlock）的控制。供電內鎖環(huán)路的控制繼電器通過直流重要匯流條DC ESS BUS 提供28VDC 電源，如圖3 所示。

圖3 DFDRS供電圖

4 SSFDR 工作原理總結

4.1 DFDR 系統(tǒng)的工作供電邏輯分析

通過對SSFDR 的供電分析可以看出，SSFDR 與FDIMU 的工作電源均由交流匯流條202XP 提供。而202XP 匯流條屬于AC BUS 2 的匯流條用戶，因此202XP 的供電情況與AC BUS 2 存在直接關聯(lián)。

供電內鎖環(huán)路的電源來自401PP，直接與DC ESS BUS連接，可通過AC BUS 1、AC BUS 2 或應急供電網絡進行供電。

4.2 總結

通過對DFDRS 系統(tǒng)供電邏輯分析可知，SSFDR 正常存儲飛機數(shù)據(jù)的工作條件如下：

1）DC ESS BUS 需正常供電，供電內鎖環(huán)路繼電器正常工作，以確保SSFDR 的工作邏輯正常；

2）202XP 匯流條需正常供電，以保證FDIMU和SSFDR硬件的正常工作；

3）雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機至少有一個正常工作，可為AC BUS 2 匯流條供電，以此保證202XP 匯流條供電正常。

綜上，當雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機中至少有一個正常工作時，可確保SSFDR 正常記錄飛機數(shù)據(jù)；當處于特殊緊急情況，如雙發(fā)發(fā)電機及APU 發(fā)電機均無法正常工作時，雖然DC ESS BUS 仍可通過應急發(fā)電機正常供電，供電內鎖環(huán)路工作邏輯正常，但AC BUS 2 已無法正常工作為202XP 匯流條供電，SSFDR 與FDIMU 均無法工作。

因此，雖然FDR 對于飛行事故的事后分析與甄別具有重要意義，通常情況下即匯流條保證115V 交流電時能夠正常完成飛機數(shù)據(jù)記錄與保存，但在極特殊情況如飛機供電嚴重缺失時，F(xiàn)DR將無法進行正常的數(shù)據(jù)保存，無法保證飛行數(shù)據(jù)的完整記錄。