飞机座舱压力控制系统失效规律分析

戴文元

（中国国际货运航空有限公司机务分部，上海201207）

0 引言

民用航空是一个高风险的行业，飞机在高空飞行时高度不断变化，空中的大气环境与人所适应的大气环境有很大的不同，这会给飞行员的工作造成很大的困难，影响飞行安全，危及旅客的生命和财产。对于运输机和客机的座舱设计最基本的出发点就是要创造一个人工气压环境为驾驶员和乘员提供低压和缺氧保护，保证其工作能力和生命安全。因此，飞机座舱压力系统既要满足正常飞行高空缺氧防护，又要考虑应急减压条件下的生命安全。本文先对飞机座舱压力调节系统做一简单了解，遵循实事求是、资料真实、立论有据、对策超前的原则对已有的事故及事故征候数据进行统计与分析，总结了重要事故和事故征候的特点和发生原因，找出一些规律，提出一些经验教训，对中国民航未来的飞行安全工作，具有积极地借鉴意义。充分认识飞行事故/事故征候的一些规律，从中吸取经验教训，可以防止飞行事故的再次发生。

1 座舱压力调节系统的工作原理

座舱压力控制系统的工作原理如图1所示：座舱压力控制器感受飞机座舱内的压力与飞机座舱压力制度进行比较得出控制器输出偏差信号，然后驱动电机改变排气活门的开度，进而控制排出座舱内的空气流量，最终控制座舱内的压力及其变化速率，使得座舱内的压力变化能够尽可能接近压力制度[1]。

图1 飞机座舱压力控制系统原理图

座舱压力调节性能的好坏主要是看其在一定高度上能否保持相应的座舱高度。通过发动机压气机为座舱供气，同时座舱排气活门调节座舱排气量。当座舱供气量等于排气量和漏气量之和时，座舱压力保持稳定；若不相等，在供气量一定时，将排气活门关小，座舱压力会升高；反之，将排气活门开大，座舱压力便会降低。

2 座舱压力制度

座舱内绝对压力和余压随高度的变化规律称为座舱压力制度，或称为座舱调压规律。民用飞机的座舱压力制度可以分为固定式和可调式两种，现代大型飞机普遍采用可调式，由计算机作为压力控制器的管理中心。

座舱压力由压力调节器通过改变排气活门的开度，控制排出座舱的空气来完成。如图2所示，在0～2 000 m的高度范围内，排气活门处于全开位置，此时座舱压力基本随大气压力变化，称为自由通风区。在2 000 m时为座舱增压起始点，其值比起飞或着陆机场的实际大气压力低，相当于地面到500 m的飞行高度；在2 000～7 000 m的高度范围内，排气活门随着高度增加逐渐关小，压力变化速度减慢，调压膜盒室内的压力不断下降，膜盒开始逐渐膨胀使调压活门的开度逐渐关小。增压空气流过调压活门时开始产生阻力，使流经调节活门限流孔的增压空气流量减小，限流孔前后的压力差随之减小，使调节活门开度逐渐减小，放气量也减小，座舱内外压力差逐渐增大。这种调节方式有利于座舱压力变化率的稳定，称为变绝对压力调节。在飞机到达7 000 m左右的巡航高度时，座舱压力继续减小，但此时座舱压力与外界大气压之差基本保持不变，亦即座舱余压保持不变，为等余压调节[2]。

图2 某飞机座舱压力制度

一般，座舱压力制度为静态特征，而压力变化速度为动态特征。座舱压力制度对座舱压力变化速度是有影响的。由公式

式中：Vy为飞机垂直方向速度；dPc/dh为座舱压力调节规律曲线斜率。

由此可见，当座舱压力随飞行高度变化率dPc/dh减小时，则飞机在爬升或下降过程中所引起的座舱压力的剧烈程度是可以改善的。

3 座舱压力事故及事故征候总体规律

每一次飞行都是对飞机复杂系统的安全性考验，本文对近30年的国内外的与座舱压力控制系统相关的事故/事故征候信息进行搜集和整理。据统计，共计481起相关事故/事故征候信息，约有31%的数据来自国内，约69%的数据来自国外数据库。

图3列出了1980～2013年国内外有记录的座舱压力事故及事故征候次数。图中事故及事故征候的高发和低发年代相互交错，表明事故发生的确具有很大的偶然性。但按照统计学的方法进行分析，不难看出座舱的压力事故/事故征候出现次数呈现一种稳定的上升趋势[3]。

图3 1980～2013年座舱压力事故及事故征候次数

在所统计的事故当中，有27起事故，约占总数的6%.其时间分布如图4所示。

图4 座舱压力事故占当年压力事故/事故征候的比例

从图4中可以看出，座舱压力事故发生随时间增长密度增大，大致上分为两个阶段。第一阶段1980～1999年，事故率呈下降趋势；第二阶段2000～2013年，也呈下降趋势，但整体上看，除个别年份事故率数值较高外，其他年份当年座舱压力事故发生率呈现一种不明显的下降趋势。这与民航业运输周转量的增加，事故及事故征候次数必然增加，同时技术的发展、人员素质的提高也使得事故率下降的总趋势是一致的。

若按事故/事故征候发生的月份来看，如图5所示，飞机座舱压力事故/事故征候各个月份的发生次数抑制居高不下，虽有波动但总体趋势还是比较稳定的。

图51980 ～2013年平均每月事故/事故征候次数

4 座舱压力事故及事故征候原因分析

从1980年至今有记录的座舱压力事故/事故征候发生阶段如表1所示。

表1 座舱压力事故/事故征候不同飞行阶段比较

一般情况下，进近和着陆两个飞行阶段所用的时间占整个飞行航段飞行时间的15%，但从表中统计的数据看，在进近和着陆阶段发生的事故却占16.2%.进近和着陆是整个飞行航段的最后阶段，也是飞行安全的关口。在这两个飞行阶段中，飞行员工作负荷最重，可能遇到的特殊情况也最多，尽管现代航空器和先进的地面保障系统，为减轻飞行员在进近和着陆阶段的工作负荷做了很多努力，但此阶段事故仍然多发。

在巡航阶段座舱压力事故/事故征候的比例接近一半。事故多发主要原因是此阶段飞行时间占整个飞行航段飞行时间最长。飞机座舱在这个阶段最容易发生增压和失压故障，造成座舱压力异常，危及飞行员的安全飞行[4]。

起飞和爬升阶段所用的时间占整个飞行航段飞行时间的15%，事故率为27.7%，主要原因是此阶段飞机内外环境变化最为剧烈，压力变化速度大，飞机动态变化大，飞行员操作较为复杂。此类事故/事故征候大多发生在机场附近。

在对造成座舱压力异常的事故/事故征候发生原因进行分析结果如表2所示：引起座舱压力事故/事故征候的原因有很多，涉及到15个相关系统。其中由空调系统引起的座舱压力异常事故/事故征候达340起，约占70%多。引起这类事故/事故征候的主要原因又可以细分为：压力控制子系统失效（外流活门、增压控制组件、指示器等）、相关系统机械失效（系统管路泄露、舱门泄露、机身裂缝、导线短路等）。另外一个需要注意的原因是由舱门和窗户引起，两者共计88起，约占总数的18%.这类事故/事故征候主要原因是由于舱门或窗户密封不严或结构受损引起。典型事故是1988年4月28日下午，美国阿洛哈航空公司一架波音737在执行243航班从夏威夷飞往檀香山的途中，飞机客舱结构破损，造成飞机失压，飞机紧急着陆，一号位乘务员被气流吸出去，不幸罹难。飞机结构上的损伤通常是由于飞机使用时间过久，伤痕不断积累，而地面维护又无法精确检测这种隐患最终酿成悲剧。

表2 座舱压力事故/事故征候相关系统

另外电气系统、发动机、防火、放冰排雨等系统异常都会造成座舱压力事故。例如1996年5月11日下午14∶00，一架DC-9-32飞机在执行迈阿密到亚特兰大的592航班时，因为货舱起火，烧坏了飞机电气系统和操纵系统，导致机上110人全部罹难的特大事故。因此飞机的系统是相互关联的，一个系统的故障往往会引发另外的系统故障，造成空难[5]。

5 座舱压力事故/事故征候经验教训

前车覆，后车戒。民航在改变现代人生活的同时，也提出了新的课题。作为民航系统的一员，应该把别人的可能的或者已经发生的故障当成自己的确定性问题，从事故致中总结规律，获得启示，使客机更加安全的运行。

由于飞机座舱压力异常多发生在远离地面的情况下，都是在人员有了较大的反应之后才得以察觉，以至于不能及时的采取有效措施。因此在对搜集和整理数据信息开综合了表面的信息后，深入挖掘了民航实际运行的规律性信息，希望民航人员能够从中得到一些启示，并产生实效。总结如下：

（1）在地面时要对座舱气密性进行检查，防止舱门、窗户或机身蒙皮等部位密封不严或破损。

（2）要检查限流孔和通气孔是否受损堵塞，防止调压器失效。

（3）及时检查清理座舱排气活门，防止异物堵塞（特别是起飞和降落阶段），保持座舱进出气通畅，维修人员在进入座舱时，一定要保持座舱清洁。

（4）巡航时，机组人员要时刻注意座舱高度变化，一旦出现压力异常情况要及时采取措施，增强责任心，避免侥幸心理。

（5）要加强人员的培训管理，提高机长素质，搞好机组协调配合，加大航空器的维护力度，同时要保证各人员之间及时交流信息。

（6）要加大科研投入，对飞机维护工作要科学管理，根据飞机的实际情况进行维护：对于老龄飞机要及时掌握使用情况，减少隐患造成的损失。

（7）要加强适航飞行安全管理体系建设。加强适航飞行安全管理体系建设主要包括：制定颁布适航标准和规定，对民用航空器设计、生产和使用进行审定、监督、检查和管理，以保证航空安全；大型客机必须经过民航局适航审定合格发放适航证后，才能进入民用航空市场；对航空器使用者提出要求和使用限制，监督他们保证航空器在适航条件下使用；对维修民用航空器的人员进行考核，发放执照，保证维修人员的技术水平。不断加强适航审定技术研究和队伍能力建设，深入开展适航工作。

6 结束语

飞机座舱压力控制系统是飞机环境控制系统的重要组成部分，一个良好的座舱压力是保证飞行的基本条件之一，造成座舱压力控制异常的原因有很多，涉及的系统范围也很广。随着我国对大飞机项目的不断深入研究，对座舱压力控制要求也越来越高。保证座舱压力变化精度及其动态特性，减少座舱压力事故/事故征候的发生就需要地面人员、机组人员和科技人员携手把关，预防此类事故的发生。

参考文献：

[1]沈燕良，王建平，曹克强.飞机座舱压力控制控制系统性能分析[J]. 机床与液压，2005（11）：77-79.

[2]朱 磊，付永领，赵竞全.数字式座舱压力调节系统的非线性控制方法[J].机床与液压，38（3）：4-6.

[3]陈希远.飞机座舱环控事故分析与模拟仿真系统研究[D].北京：中国民航大学，2014.

[4]郑新华，谢利理，刘丽卓.负压活门特性[J].中国机械工程，25（22）：3033-3037.

[5]赵维义，张泰峰，杨晓华.飞机环控系统典型故障分析[J].装备环境工程，9（2）：82-85.