飞机座舱失压模拟仿真研究

白 杰，陈希远，杨建忠，杨士斌

（中国民航大学a.航空工程学院；b.天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

飞机座舱失压模拟仿真研究

白 杰a，b，陈希远a，b，杨建忠a，b，杨士斌a，b

（中国民航大学a.航空工程学院；b.天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

针对近年来频发的飞机座舱环控系统飞行事故/事件，对国内外发生的飞机座舱环境相关的飞行事故/事件进行了分析。分析表明，压力控制子系统中压力控制器部件失效是造成座舱压力异常事故/事件最重要的原因。基于Simulink和AEMSim建立了环控系统数学模型，并对一起典型压力异常事故进行仿真复现，对事故中关键部件、关键参数及其风险进行评估，为事故深入调查及预防提供了指导意义，也为环控系统的设计和维修提供了依据。

飞机座舱；事故分析；环控系统；压力调节；事故仿真

为了在飞行时保证旅客和空勤人员正常生活和设备可靠工作，环境控制系统已成为先进飞行器必不可少的组成部分。特别是客机，舱内舒适的温度环境、合理的压力、人耳无感觉的压力变化率、清新的空气和适宜的风速，都已成为招徕旅客的重要条件[1]。

飞机客舱与房屋、办公室的室内环境有很多不同之处，如乘员密度高、乘员不能随意离开、需要加压等。在飞行过程中，乘员普遍暴露于低湿度、低气压，还可能接触像臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、各种有机化学物（VOC）、生物制剂等污染物。此外，飞机座舱的环境也很脆弱，有时一些微小的故障或操作不当都有可能引起飞机座舱环境的恶化，甚至发生安全事故或事件[2]。

国内外对于飞机座舱环控系统的仿真已开展了许多研究[3-12]，主要是利用计算机仿真技术，对环控系统中各子系统（空气循环制冷系统、座舱压力控制系统、座舱温度控制系统等）进行建模仿真，通过仿真研究部件参数特性，以指导环控系统优化设计。然而关注座舱环境事故/事件的分析和研究却很少。对事故模拟仿真能够根据有限的信息对事故/事件的发生、发展进行复现，有效提高事故调查能力，找出事故原因，提出相应的维修、设计或驾驶员训练建议，从而提高民航的安全性水平。本文在对所收集与座舱环境相关事故/事件数据进行分析的基础上，选取对座舱环境影响最大的事故/事件类型——座舱失压作为研究对象，建立了事故模拟仿真模型，分析了事故/事件原因，研究关键部件的关键参数对事故/事件发展的影响，并提出了相应的安全性建议。

1 座舱环境事故/事件分析

本文对近10年中国和美国发生的与飞机座舱环境相关的飞行事故/事件信息进行了搜集和整理，据不完全统计，共计399条信息，约75%数据来自国内，约25%来自美国。其中143起并没有出现明显的座舱环境异常现象，主要是因为事件发生时，座舱内乘客并没有出现不适感，飞行过程中也没有出现任何异常，但是飞机驾驶舱内出现了告警信息，或在飞机航前或航后的检查中发现部件损坏的情况。

剩余的256起事故/事件均对座舱内的空气环境造成了一定影响并使机组人员或乘客出现了不适。按照事故类型划分，将256起事故/事件分为8类：压力异常、温度异常、烟雾或异味、起火、异响、CO2污染、VOC污染及O3污染，如图1所示。

图1 飞机环控系统飞行事故分类Fig.1 Classification of aircraft environmental control system accidents

从图1可以看出，出现次数最多的事故为座舱内压力异常，达到了133起。因此有必要对座舱压力异常事故进行进一步分析。

对座舱压力异常事故/事件发生原因进行分析，结果如图2所示：①“其他”主要指由于结构问题导致，如飞机蒙皮破裂或一些部位出现裂纹。在由环控系统引起的压力异常事件中，事件发生的主要原因又可细分为：压力控制子系统失效、环控系统部件机械失效（系统中管路连接不严、短路以及人为因素等问题）、以及空气分配子系统失效（主要由于空气分配系统中通风管道泄漏造成）3类；②压力控制子系统失效导致的座舱内压力异常事件共有109起。在这109起事件中，主要原因有压力控制器故障、释压活门故障及压力指示系统故障3类，而其中出现频率最高的失效部件为压力控制器，出现的频次达到了65起；③在压力控制器失效造成的事件中，主要由CPC（座舱压力控制器，cabin pressure controller）计算机故障引起，其次，压力控制组件和外流活门故障也会在很大程度上对座舱内压力造成影响。可以确定，在座舱内压力异常的事故/事件中，压力控制器及其子部件为该类安全事件的关键部件，接下来将对座舱压力异常事件进行事故建模和仿真研究。

图2 座舱内压力异常事故原因分析Fig.2 Reason analysis of abnormal pressure accidents in cabin

2 座舱调压原理

为了对座舱压力异常事件建模和仿真，本节将介绍座舱压力调节系统工作原理。飞机座舱的气源来源于发动机压气机的高温高压引气，供气量为G供；座舱并不是完全密封的，有一部分气体将从座舱泄漏到大气中，漏气量为G漏；座舱压力控制器有主动向大气排出气体的作用，排气量为G排。

根据气体状态方程，座舱空气参数关系可表达为

其中：Pc为座舱内空气压力；Vc为座舱容积为座舱空气质量；R为气体常数；Tc为座舱空气绝对温度。

在研究座舱压力控制时，假设座舱温度和容积保持不变，式（1）对时间t进行求导，可得座舱压力变化的微分方程为

由式（2）可以看出，要保持座舱压力不变，应保持座舱供气量等于排气量与漏气量之和，即G供=G排+ G漏。要控制座舱压力升高，就需使得G供>G排+G漏。由于漏气量不可控制，所以座舱压力及压力变化率应通过控制供气量G供和排气量G排来实现。目前飞机上的座舱压力调节通常采用不改变供气量而改变排气量的办法来实现对座舱压力控制。飞机压力调节装置通常由控制机构和排气活门两部分构成，当座舱高度高于给定值时，控制机构将调整排气活门开度增加，使得G供G排+G漏，座舱内压力升高；当座舱内压力等于给定值时，保持排气活门开度不变。

现阶段飞机座舱压力控制系统主要由被控对象（座舱压力）、驱动装置（控制电机）、实现装置（外流活门）和控制器（座舱压力控制器）构成。具体工作原理为座舱压力控制器接受来自座舱压力传感器、大气数据计算机及驾驶舱压力控制面板的信号，通过内部程序判断飞机的飞行状态，通过比较根据座舱压力制度计算出的座舱压力理想值与座舱压力传感器实测的座舱压力实测值，得到偏差信号，控制器根据此偏差信号输出电机电压来驱动电机，外流活门根据此电压输出活门的开度来改变座舱排气流量，以实现整个反馈回路对飞机座舱内压力值的控制。

3 座舱压力控制系统建模

本文采用Simulink和AMESim仿真软件共同完成座舱失压事故模拟仿真。AMESim是一款多学科复杂系统仿真软件，可以利用其中丰富的跨学科元件库建立期望的系统模型。首先根据座舱压力控制系统工作原理，在Simulink中建立飞行座舱压力控制系统简化模型，进行仿真计算并对PID控制器参数进行调节，然后利用AMESim高精度元件库进行建模，并仿真验证座舱压力控制系统，最后通过故障注入研究座舱失压事故模拟仿真。建立的飞机座舱压力控制系统模型如图3所示。

图3 座舱压力控制系统模型Fig.3 Model of cabin pressure control system

3.1 座舱压力制度模型

在飞行高度0

其中：h为海拔高度；∂为平均温度直减率；Ph为高度h上的大气压力；P0为海平面上的大气压力；R为气体常数，在各高度上值不变；g为重力加速度。控制座舱压力目标值与飞行高度的关系为

其中：Pc即为座舱压力的目标值；m为增压率；C为常数。飞机在近地面时，流阻为3 300 Pa，同时根据设计要求，当飞机升限12 km时，座舱高度为2 440 m，代入计算，可得m与C值。

3.2 座舱模型

在对座舱进行建模的过程中，假设：①座舱的空气温度为常数，此假设目的在于实现座舱温度与压力的解耦；②座舱容积Vc始终保持不变；③忽略座舱漏气量；④座舱内供气量为恒定值；⑤将座舱内气体视为理想气。

在以上假设基础上，根据式（2）可得

其中：GK（S）为供气量，GB（S）为排气量。

3.3 外流活门模型

当飞机处于不同飞行状态时，外流活门向机外排气分为两种状态：亚临界流动状态和超临界流动状态。根据绝能流量公式，在亚临界流动状态（Ph/Pc>0.528）时，有

其中：μ为流量系数；FBg为外流活门最大流通面积；α为活门开度；Pc为座舱内压力；Tc为座舱内温度。

在超临界流动状态（Ph/Pc≤0.528）时，有

3.4 电机模型

直流电动机角速度微分方程为

其中：TD为电枢回路时间常数；TM为电动机机械时间常数；k1为速度常数；k2为速度转矩常数。角速度ω为输出量；来自控制器的控制电压uD和负载力矩ML为输入量。

由于电枢电感很小，可以忽略，而电动机中的减速器减速比很大，负载本身不大，因此折合到电机转轴处的负载及由负载引起的转动惯量和摩擦阻尼均较小，可以忽略，根据以上原则，将式（9）进行拉氏变换并化简，得到电机最终模型为

其中：ϑ为减速器减速比；α（s）为外流活门开度[10]。

3.5 AMESim模型实现

综上所述，习近平总书记提出的文化自信，为实现中华民族伟大复兴构筑起坚不可摧的思想根基，进一步明确了中华文化的人民主体地位和强大的民族精神。坚定文化自信，有利于繁荣中国特色社会主义文化，提升国家文化软实力，为人类文明交流互鉴提供中国方案，实现中华民族伟大复兴。同时，在实现中华民族伟大复兴的“中国梦”的过程中，能够使广大人民群众自觉地增强中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信和文化自信。

AMESim仿真软件目前主要包括液压系统、热力系统、环境控制系统、气体混合系统、多相流系统、气动系统、燃油系统等专业元件库。其中气体混合库可以实现环控系统中不同温度、压力及湿度的气体混合时的计算。本文利用AMESim中气体混合库（gas mixture）和信号与控制库（signal control）中的成熟元件进行建模，模型参数的输入及不同模型之间的数据传递都在简单的图形界面中完成。

4 仿真与分析

在实现仿真的过程中，本文首先对环控系统正常工作情况下全飞行剖面进行了仿真，在验证所建座舱压力控制系统模型能够正常工作之后，根据一起典型的由于外流活门漏气引起座舱内压力异常的事件信息注入故障并进行了仿真，在完成对整起事故信息中座舱高度（将座舱压力等效为海拔高度）及高度变化率的完整复现后，又对事故信息中未知的等效漏气面积、漏气量关键参数进行了计算，最后，对不同飞行员反应时间假设下的事故风险进行了评估，并计算出会导致严重事故发生的临界飞行员反应时间。

首先对环控系统正常工作状态进行仿真：正常飞行状态下飞机依次经过起飞、爬升、巡航、降落阶段正常下降的过程进行仿真，观察座舱压力控制系统工作情况，如图4所示。在仿真过程中，各仿真参数如表1所示。

图4 正常飞行状态下座舱高度变化情况Fig.4 Changing of cabin height under normal flight state

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parametres

图4显示了整个飞行过程中，座舱高度随时间变化的情况。图中虚线为座舱高度值，实线为飞行高度值。从图中结果可以看出，压力控制子系统工作良好，在巡航阶段使座舱高度（工程中一般将座舱压力等效成海拔高度）维持在1 500 m左右，下降阶段的座舱高度变化率也完全符合适航要求。图中显示在地面阶段，座舱高度值低于海平面，是因为在实际起飞和着陆过程中，往往需要将座舱压力增高一点，以确保排气活门处于关闭状态，避免座舱压力出现波动。

本文选取了一起典型的由于外流活门漏气引起座舱内压力异常的事件，该事件的描述信息为：某型号飞机在巡航高度9 000 m飞行，机组发现座舱压力高度以700 m/min缓慢升高，即座舱内压力逐渐下降，但排气活门仍在关位。机组决定下降高度，在下降过程中座舱高度曾经超过10 000 ft（1 ft=0.304 8 m，下同），警告喇叭响。在3 900 m保持平飞后，座舱高度与气压高度一致，座舱高度下降率与飞机飞行高度下降率一致，机组按检查单执行，最终紧急迫降。机务人员检查发现外流活门漏气严重，更换外流活门并更换控制器，增压试验正常，该机回程飞行正常。

由于在事件发生过程中，座舱高度随时间变化为非线性，因此本节首先对不同外流活门开度下座舱高度的变化进行了参数化研究。定义事件发生在飞行剖面的2 000 s，对应不同活门开度在事件发生后100 s内的座舱高度随时间变化动态过程，如图5所示。漏气发生的初始阶段座舱高度迅速上升，随后座舱高度变化进入线性段，最终阶段座舱高度趋于平缓。这是因为在漏气发生的初始，座舱内外压差大，外流活门处于超临界状态，舱内空气以超音速漏出外流活门，而随着舱内空气逐渐漏出，座舱内外压差逐渐缩小，导致座舱高度变化趋于平缓。

图5 外流活门不同开度下座舱高度随时间变化关系Fig.5 Cabin heights under different open ratios of outflow valve vs.time

根据事件描述信息，机组发现的座舱高度上升率应该对应持续时间较长的线性变化阶段，因此将外流活门不同开度下对应的座舱高度变化率进行了参数研究，如图6所示。按照事件描述信息，当外流活门开度为0.23（等效漏气面积5 520 mm2）时，其对应曲线的线性段中座舱高度变化率为700 m/min。

图6 外流活门开度不同时座舱高度变化率Fig.6 Changing rate of cabin height under different open ratios of outflow valve

经过计算，整个事故过程中飞机的飞行高度与座舱高度对应关系如图7所示。

图7中虚线为座舱高度，实线为飞机飞行高度，可见在第2 000 s（t1）事故发生至2 240 s时，座舱高度从1 000 m升至3 700 m，其座舱高度变化率近似为700 m/min，而飞行员在20 s后（t2）作出反应，飞行高度开始下降，在第2 350 s（t3）时，座舱高度与飞行高度相等，飞行员采取手动模式使座舱处于自由通风状态，与事故信息中的描述相吻合，并且在事故发生的整个过程中，飞机座舱高度超过了10 000 ft，导致座舱高度报警。从仿真结果可以看出，所建立的事故仿真模型能够完整地对事故进行复现。

由于事故信息中活门的面积与漏气量为未知量，本文在完成对事故的仿真后，可对事故中等效漏气量进行估算，经过估算，该环控系统事故中的等效漏气量约为482 g/s。

根据AC25-20，飞行事故中飞行员平均反应时间为25 s，仿真过程中选取此平均值做为边界条件，研究此参数对事故严重性的影响。所以，本文还对同一起事件中，飞行员不同反应时间情况下座舱高度出现的最大值进行了仿真计算，以评估飞行员的反应时间对失压事件的影响，如图8所示。

图8 不同飞行员反应时间下座舱最大高度Fig.8 Biggest cabin height under different pilot reacting durations

由图8中结果可以看出，随着飞行员反应时间延长，事故中最大座舱高度会随之增加，但是最大座舱高度增加的速度逐渐减慢。经计算，由于座舱内部压力与引气系统进气量和排气量均有关系，在引气系统以恒定供气量向座舱供气时，即使在事故发生之后飞行员不做出任何反应保持平飞，飞机座舱内出现的最大座舱高度也不会超过18 000 ft。根据CCAR25.841中规定，任何情况下飞机座舱高度超过25 000 ft的时间不得大于2 min，所以此次事件的外流活门漏气程度并不会对飞行安全造成严重影响。

最后，本文又选取不同活门面积及开度，经过计算，发现当同类外流活门漏气事故发生且当等效漏气面积达到81 600 mm2且飞行员反应时间为20 s时，座舱高度超过25 000 ft时间为2 min，会造成严重飞行事故的发生并危害座舱内乘客的生命安全。因此，该漏气面积即为该飞行条件下此类失压事件的临界尺寸，如果漏气面积大于该临界面积或飞行员反应时间长于20 s，将会酿成安全事故，影响飞行员安全驾驶或对乘客造成永久性伤害。

5 结语

本文首先对近10年国内外飞机座舱环境相关飞行事故/事件信息进行了梳理和分析，得出环控系统中压力子系统的压力控制器部件失效或故障最容易引起环控系统事故的发生。随后，根据飞机座舱环控系统压力控制子系统的工作原理，建立了座舱压力控制系统模型，并选取正常飞行剖面曲线对模型进行仿真，结果表明所建立的压力控制系统模型基本能够实现对座舱压力的控制。在此基础上，又对一起典型的由于外流活门漏气导致座舱失压的环控系统事故进行仿真，从数值层面复现事故，并对事故信息中未知的漏气量和等效漏气面积进行反推和估算。而后对不同飞行员反应时间假设下的事故风险进行了评估，计算出可能导致严重事故发生的临界飞行员反应时间。本文的工作对各类飞行事故分析以及风险评估提供了一种有效的方法和思路。

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（责任编辑：党亚茹）

Simulation of aircraft cabin pressure loss

BAI Jiea，b，CHEN Xi-yuana，b，YANG Jian-zhonga，b，YANG Shi-bina，b
（a.College of Aeronautical Engineering；b.Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

Based on the aircraft cabin environment related accidents in and abroad in recent years,the flight accidents/incidents data of ECS are analyzed.The result shows that most of the environmental control system accidents/incidents are due to failure or fault of controller component of pressure control subsystem.Subsequently，the ECS system is modeled based on Simulink and AEMSim.A typical accident of ECS in aircraft is implemented in such accident simulation model.The key components and parameters as well as the risk assessment are also researched.This work will increase the efficiency of accident investigation relating to cabin environment.The simulation model can also support the design and maintenance of environment control system.

aircraft cabin；accident analysis；ECS；pressure regulating；accident simulation

V223

：A

：1674-5590（2014）06-0001-06

2013-09-11；

：2013-11-14

：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB720104）

白杰（1963—），男，天津人，教授，硕士，研究方向为航空发动机适航审定研究.