基于QAR 数据的A320 系列飞机空调组件流量监控

李伟 宋剑 罗俊/中国南方航空股份有限公司

空调系统是飞机重要系统之一，直接影响旅客舒适度。飞机的空调系统可以控制座舱温度、电子舱及货舱通风,以及通过控制空气流量来控制座舱压力。如果流量调节异常，严重时可能导致飞机释压风险。空调舱热空气渗漏是造成组件流量异常的主要原因之一，渗漏严重时还会产生引气渗漏警告，不能放行飞机。因此，对空调舱热空气渗漏的连续监控十分必要。

1 流量控制

流量控制的主要部件包括空调系统控制器（ACSC）、空调面板（30VU）上的组件流量选择旋钮或电门、流量控制活门（FCV）、组件进口压力传感器（PIPS）、压差传感器（DPS）等，其中，FCV 是流量的直接控制部件。ACSC1 控制FCV1，ACSC2 控制FCV2，ACSC1 参与流量计算，将计算后的流量指令发送给ACSC2[1]。

1.1 流量控制活门（FCV）

FCV 可以由驾驶舱的PACK 电门、火警电门以及迫降电门（ditching 电门）关断，也可以由计算机ACSC 控制关断。FCV 的开关可以实现将引气引入或关闭空调组件的功能，其作动方式属于电控气动。除了引入引气之外，还有以下三个功能：

1）控制流入空调组件的流量（kg/s）。

2）飞机迫降在水面、发动机启动、发动机着火以及机组人工关断时，FCV将空调与气源系统隔离。

3）当ACM 超温和引气低压时，ACSC 计算机控制FCV 关闭，以保护空调系统。

1.2 流量需求

1.3 流量选择

对于A320 系列飞机而言，FCV有三种流量可供选择：80%、100%和120%。

在双发运转使用发动机引气且双空调组件正常工作条件下，系统默认选择100%的流量模式。进行人工选择时，A321 飞机的FCV 只能选择80%和100%流量，即在头顶板上选择ECON FLOW 电门；而A320/A319 飞机，可以通过PACK FLOW 旋钮选择使用80%、100%和120%的流量。80%的流量模式可以节省飞机燃油（达不到需求的温度时，ACSC 会自动将流量调节到100%）。

只要APU 对空调供气（不论是否单空调工作），ACSC 会自动调节FCV到120%；或者发动机工作过程中进行单空调供气时，ACSC 也会自动调节FCV 到120%。人工选择时，A320/A319飞机允许根据旅客数量及外界状况（排烟、热或湿等条件）选择组件活门流量到120%，A321 飞机无此人工选项。

表1 不同情况下的流量需求

表2 A320飞机组件流量正态分布参数

2 流量分析

通过梳理空客厂家给出的流量需求，可以得出正常操作情况下的流量范围。本文旨在通过监控流量来监测热空气渗漏情况，因此只监控地面阶段数据。

2.1 正常范围

正常操作时，在地面使用发动机引气且双空调组件正常工作，A320 系列飞机流量自动选择100%流量。具体的流量需求与当时的座舱温度和座舱压力息息相关，根据表2 可知，A320/A319飞机流量自动选择在100%流量时该值为1.102kg/s，即单组件为0.5510kg/s；A321 飞机为1.293kg/s，即单组件为0.6465kg/s。

统计南航某分公司运行的4 架A320 飞机近一年（包括春夏秋冬四季）航班的流量（PF）数据，每架飞机两个组件，共有12276 份流量（PF）样本。

参考正态分布公式

各项参数如表2 所示，所得出的正态分布曲线参考图1，基本符合正态分布。

标准差分析参考表3，认为3σ 的概率为99.8615%，就足以筛选出正常范围数据，即0.38 ≤PF ≤0.61，因此对A320 飞机的监控在该范围取值。

图1 A320飞机组件流量（PF）概率分布曲线

表3 A320飞机组件流量标准差分析

统计南航某分公司运行的10 架A321 飞机近一年航班的流量PF 数据，每架飞机两个组件，共有31212 份PF样本。其中，A321 飞机正态分布各项参数如表4 所示。

从图2 可以看出，A321 飞机的组件PF 的概率分布符合正态分布，不过3σ 范围样本发生概率过高，因此对3σ 范围需要进一步修订。标准差分析参考表5，认为修订后的3σ 的范围概率为99.542%，足以筛选出正常范围数据，即0.36 ≤PF ≤0.67，因此对A321飞机的监控在该范围取值。

由上述分析可知，正常A320/A319飞机在地面使用发动机引气供给空调双组件，正常100%流量情况下，手册中每个组件流量的理论需求PF=0.55kg/s，实际运行数据为0.38kg/s≤PF≤0.61kg/s。

正常A321 飞机在地面使用发动机引气供给空调双组件，正常100%流量情况下，手册中每个组件流量的理论需求PF=0.65kg/s，实际运行数据为 0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s。

表4 A321飞机组件流量正态分布参数

2.2 组件流量差值

理论上，左右组件在同样条件下的流量应该相等，然而在实际运行中，组件流量左右存在差值，该差值的大小可以反应空调舱热空气的渗漏情况。根据空客技术文件ECS 19 REPORT FOR PACK MONITORING[2]，正常左右组件差值应小于10%。如果差值超过10%，则应考虑是真实流量差还是流量传感器指示问题，需要进行排故。考虑到A320/A319 飞机实际组件流量运行数据为0.38kg/s ≤PF ≤0.61kg/s，设置组件流量差的触发警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s；A321 飞机实际组件流量运行数据为0.36kg/s ≤PF ≤0.67kg/s，设置组件流量差的触发警告值ABS（PF1-PF2）≥0.06kg/s，与A320/A319 飞机取值相同。

3 监控模型

根据以上数据，设计发动机引气供给空调组件100%流量模式下的健康监控模型，以判断空调舱热空气渗漏情况。

3.1 监控逻辑条件

根据需求，监控逻辑为：飞机在地面（起落架压缩）；发动机启动和滑行阶段（PHASE 02 and PHASE 03）；为了减少FCV 作动过程对数据的影响，取值FCV 打开120s 平稳后、飞机离地前30s 内的数据。对每个航段符合上述截取逻辑条件的数据进行平均，所得数据样式如表6 所示。

3.2 监控阈值设置

根据上述分析，正常情况下，A320/A319 飞机空调组件流量应满足0.38 ≤PF ≤0.61，ABS（PF1-PF2）≤0.06；A321 飞机空调组件流量应满足0.36 ≤PF ≤0.67，ABS（PF1-PF2）≤0.06。因此，对超出范围的飞机进行预警，并继续后续的排故措施。详细预警如下：

图2 A321飞机组件流量（PF）概率分布曲线

表5 A321飞机组件流量标准差分析

表6 A320s组件流量监控数据样表

1）PF 大于监控值高值时，即A320/A319 飞机PF1（PF2）超过0.61kg/s或A321 飞机PF1（PF2）超过0.67kg/s 时，检查流量指示系统，检查热空气渗漏情况。

2）PF 低于监控值低值时，即A320/A319 飞机PF1（PF2）低于0.38kg/s或A321 飞机PF1（PF2）低于0.36kg/s 时，检查流量指示系统。

3）流量差超范围，即A320 系列飞机流量差大于0.06kg/s 时，重点检查热空气渗漏情况。

4 模型验证

4.1 系统架构

想要实现上述监控模型，对每架飞机每个航段都要实现连续监控的功能，如图3 所示，有几个关键点需要完 成。

1）数据获取。主要指飞机的飞行数据QAR，飞机基于机场无线网络，在每个航段后将该航段的QAR 数据自动传输到飞行数据服务器上。

2）数据分析。获得飞行数据QAR后，需要自动解码，自动完成空调系统流量相关参数的提取，通过一定的算法逻辑，综合应用设计数据，自动判断流量相关数据并得出维修建议。

3）维修决策。获得维修建议后，根据飞机运行情况，利用合适停场时间进行排故，并将结果录入监控模型进行效果验证。

图3 基于QAR的空调组件流量监控系统模型

4.2 监控案例

1）案例1

2019年7月11日，车间反馈B-XX53飞机在北京高环境温度触发“AIR BLEED”维护信息，接着出现左大翼渗漏警告，不能放行。根据监控，其组件流量差值数据超出范围2 倍，ABS（PF1-PF2）=0.13，左侧偏大，认为左侧空调舱存在热空气渗漏现象。后续上飞机打印ECS19 报文（使用APU 引气供给双空调组件，默认流量120%），观察到ABS（PF1-PF2）=0.16，与基于QAR 数据的空调组件流量监控所得结论相同。

图4 B-XX53左ACM方形封严吹掉，部分钢丝螺套松脱（左），与ECS19报（右）数据结论相同

检查发现空调空气循环机ACM 压气机处方形封严已经吹掉，同时发现部分钢丝螺套松脱，如图4 所示。更换ACM 后数据恢复正常，ABS（PF1-PF2）= 0.02。

2）案例2

2019 年7 月8 日，B-XX19 飞机监控出现维护信息“AIR BLEED”，同时触发右大翼渗漏警告，不能放行，复位后警告消失。查看组件流量数据ABS（PF1-PF2）=0.15，组件流量差值异常，右侧偏大，认为右侧空调舱存在热空气渗漏现象。航后检查发现右组件空气循环机ACM 方形封严吹掉，如图5 所示。更换ACM 后恢复正常，ABS（PF1-PF2）= 0.03。

3）案例3

2019 年7 月13 日，B-XX81 飞机的ABS（PF1-PF2）=0.06，组件流量差值异常，右侧偏大，认为右侧空调舱存在热空气渗漏现象。航后检查发现右组件空气循环机ACM 方形封严破损。更换ACM 后恢复正常，ABS（PF1-PF2）=0.01。

5 结束语

通过对空调流量的渗漏分析，建立空调流量的监控模型，给出连续每个航段的监控方法，通过案例对监控模型进行验证。该模型已经在实际中应用，效果理想，满足监控要求。

图5 B-XX19飞机右ACM方形封严吹掉