气动式座舱压力调节系统故障机理研究

刘攀 黄丙寅/中国飞行试验研究院

0 引言

从座舱压力控制原理来看，座舱压力控制系统经历了气动式、电子气动式和数字式三个阶段[1]，控制技术越来越先进、控制精度越来越高、动态特性越来越好。但随着电磁战成为五维空间战场，电磁武器极易成为各种电子设备的杀手锏[2]，电子式和数字式座舱压力调节系统在电磁干扰或者攻击的情况下极易失效或产生误动作[3]。因此，出于军事用途的特殊考虑，气动式座舱压力调节系统成为各国多数军用飞机的首选。维修保障中，气动式座舱压力控制系统故障和问题常常困扰着维修人员。已有文献的记载中，许多学者已经就此进行了不少理论研究和排故经验介绍，但大都侧重理论或者单一故障现象的排除，较少在理论分析基础上结合飞机维修保障实践进行系统性分析研究。本文在深入分析原理的基础上，结合军机维修保障工作实践，系统地研究了座舱压力异常故障的机理和常见故障形式，在指导外场排故方面具有较好实用性。

1 气动式座舱压力调节系统工作原理和座舱压力数学模型

1.1 气动式座舱压力调节系统工作原理

气动式座舱压力调节系统一般由座舱压力调节器、排气活门、安全活门等组成，如图1 所示。座舱压力调节器根据飞行高度，发出与预定气密座舱压力调节曲线相符合的气压控制信号，控制排气活门将多余的空气由座舱排入后设备舱，以保证座舱的规定压力。在典型的气动式座舱压力调节系统中，座舱压力调节器是“大脑”，感知座舱压力并发出控制信号；排气活门是执行机构，执行控制指令以得到预定的压力；安全活门则是一道保险，防止“大脑”失灵或者在执行机构故障时不至于使座舱压力完全失控，当压力超过其工作触发压力阈值时，活门将开启卸压，保护驾驶员和飞机座舱结构的安全。通常，座舱压力调节器由释压限幅器、余压调节器、绝对压力调节器、气动功率放大器、气压容腔、气动转换器等原件组成[4]。

图1 典型气动式座舱压力调节系统的组成

其中，释压限幅器用来产生一个稳定且免受干扰的控制系统基准低压气源，作为余压组件和绝对压力组件调节压力控制信号的基础和基准，使得控制信号免受大气压力波动影响，提高系统的控制精度和稳定度。余压组件、绝对压力组件分别用来产生余压段、比例调压段的压力制度（见图2）[5]。气动转换器根据飞机动压（速度）转换飞机在起飞着陆阶段座舱压力调节器的工作状态，进而控制飞机座舱处于自由通风状态或增压状态。气容结构用来限制压力调节信号的最大变化速率。气动功率放大器对气容输出的压力信号进行功率放大后，控制排气活门的开度以及进一步对最大压力上升速率进行限制。负压活门是一个超压保护器件，在座舱负压过大时开启，对气动放大器的输出压力进行泄放压，确保座舱负压值不超过 规定。

以某型军机为例，座舱压力调节规律为：在起飞滑跑开始后，当速度小于300km/h 时，座舱为自由通风状态，当飞机速度达到300km/h（对应动静压差达到53kPa）后，气动转换器动作，座舱开始气密。当飞行高度大于比例调压组件的起调高度时，座舱开始逐渐增压；当着陆时速度小于200km/h 后，座舱解除气密。飞行高度在0 ～5000m 左右时，座舱余压逐渐增加到34.4kPa，高度如果继续增大，但座舱余压保持34kPa 不变。座舱压力调节失效时，安全活门可保证座舱最大余压不超过38kPa，且在调节过程中限制座舱最大负压不超过2.7kPa。

1.2 座舱压力动态简化数学模型

将飞机座舱近似认为是简单的容积不变的压力容器，并假定理想的情况下其内部各处压力相等，忽略内部流场分布。由于座舱内空气温度变化很小，且座舱内具有专门的温控系统调节温度，在分析时可假定座舱温度恒定。综合以上，将舱内空气视为理想气体，则飞机气密座舱内的绝对压力Pc为：

图2 典型气动式座舱压力制度曲线

其中，Vc为座舱容积；Tc为座舱内气体温度；G 为座舱气体的质量；R 为气体常数；M 为气体摩尔质量；其中Vc、Tc、R、M 均为常量。式（1）对时间t 求导可得：

可见，座舱压力的变化量取决于座舱内空气质量的变化。在正常工作条件下座舱安全活门和负压活门处于关闭状态，座舱单位时间内的空气质量变化量等于座舱供气量Gk减去排气活门排气量Gp及漏气量Gl。因此，座舱压力动态简化数学模型可表示为：

由以上公式可知，座舱压力影响因素包括座舱供气量、排气量、漏气量等。空气净流入量等于供气量减去排气量与漏气量。当空气净流入量大于零时，座舱压力增大，且净流入量越大，座舱压力增加越快，反之亦然。通常情况下，飞机空调系统以一定的比例分别向座舱和设备舱提供相应流量的空气。座舱压力调节器通过感知座舱当前压力与预定调节规律对应的压力差值去控制排气活门的开度，进而控制排气量。一般情况下，漏气量与座舱密封性能要求相关，特殊情况下排气活门和安全活门故障时也可能导致非正常漏气。

2 气动式座舱压力调节系统常见故障分析

2.1 气动式座舱压力调节系统故障树构建

如前所述，由于座舱的容积是固定的，座舱内的温度一般由空调系统保持在稳定调节温度，可假定其保持不变。因此，分析座舱压力调节系统故障原因时必须重点抓住与座舱供气量、排气量、漏气量三个参数相关的因素，通过分析主三个主要因素来形成故障树，如图3所示。

2.2 供气量异常故障分析

飞机空调系统以一定的比例分别向座舱和设备舱提供相应流量的空气，其中通向座舱的空气量即为座舱的供气量。空调系统为座舱提供正常的供气量是维持一定座舱压力的基础，当供气量过大且超过一定值时，即使座舱压力调节器控制排气活门处于全开状态，座舱压力仍会过大，只能由安全活门来保证座舱余压不超过安全阈值。供气量过小时，由于座舱本身非完全密封，具有一定的正常漏气量，因此即使排气活门处于全关状态，座舱压力仍可能偏低，压力过低时负压活门将开启，以保证座舱负压不超过规定值。供气量异常故障因素有空调系统故障、流量调节器故障、流量传感器故障。

图3 座舱压力异常故障树

1）空调系统故障。空调系统故障可在一定程度上导致座舱供气量异常，常见故障有空调流量和压力异常、故障管路泄漏等。例如，某架飞机曾发生过空调系统管路泄漏，导致供气量减小、发动机小状态时座舱压力值偏 低。

2）流量调节器故障。流量调节器用来保证以一定的比例分别向座舱和设备舱提供相应流量的空气，并优先满足座舱供气量。流量调节器出现故障时，可能导致座舱与设备舱供气量比例失调，影响座舱压力。例如，飞行员反映某型飞机高空小表速时出现座舱压力偏低，高度快速下降时更为明显，推油门进入大状态时座舱压力恢复正常。后检查发现流量调节器卡滞，供给设备舱的空气流量过大，导致供给座舱的供气量偏小。发动机在大状态时空调系统供气流量大，设备舱分流作用不明显，对座舱压力影响小；而在小状态尤其是高度下降、座舱压力应增大时，设备舱分流作用明显，座舱供气量不足，压力 偏低。

3）流量传感器故障。流量传感器出现故障时会向流量调节器发出错误信号，致使流量调节器调节的流量比例不正常，进而通过影响座舱供气量而影响了座舱压力。

2.3 排气量异常故障分析

气动式座舱压力调节器调节系统以气压信号作为调节的介质，座舱压力调节器通过感受座舱压力与外界大气压，发出与预定的气密座舱压力调节曲线相符合的气压控制信号，控制排气活门将多余的空气从座舱排入后设备舱，使座舱内的压力得到调节。因此，排气量异常将直接导致座舱压力异常，常见的排气量异常故障因素有压力调节器故障、感压管堵塞、排气活门卡滞或 故障。

1）压力调节器故障。座舱压力调节器出现故障将使控制排气活门的压力出现异常，导致排气活门的排气量异常，进而使座舱压力异常。外场维护中因座舱压力调节器故障导致座舱压力异常的故障占比较大。

2）排气活门卡滞或故障。排气活门卡滞或故障将使排气量异常，直接导致座舱压力调节失效或出现较大误差。在使用维护中，曾出现排气活门被外来物卡住、排气活门卡滞、排气活门减振器漏气、活门性能下降等故障 类型。

3）感压管路堵塞。感压管路堵塞将使压力调节器感受的座舱压力变小，从而控制排气活门的排气量减小而增大座舱压力，使座舱压力调节值偏高。此类管路堵塞的情况在外场维护中虽有发生，但出现几率较小，故障排查 复杂。

2.4 漏气量异常故障分析

受座舱结构限制，飞机气密座舱允许有正常范围内的漏气量，漏气量常常与座舱的气密程度和座舱内外余压有关[6]。例如，某型机规定在地面进行座舱密封性检查时，当座舱停止供气后，座舱压力从30kPa 下降到10kPa 的时间不能少于150s。可见，在座舱密封性良好的情况下座舱的漏气量不大，但当座舱因为某种原因密封性下降而使漏气量过大时，即使压力调节器控制排气活门关闭也仍然可能导致座舱压力偏低甚至座舱失密。常见漏气量异常的故障因素有以下几种。

1）飞机座舱密封结构不密封或密封性下降。座舱内部有各种穿墙电缆、导管和操纵线系，其安装必须符合规定工艺，并使用密封材料保证座舱有一定的密封性要求。若穿墙结构连接处安装不到位或密封材料失效、掉落等，都可能导致座舱密封结构不密封或密封性下降。

2）座舱结构受到破坏。如座舱盖气密软管破裂导致座舱失密、座舱壁板出现裂纹和损伤等。

3）座舱安全活门故障导致意外排气。座舱安全活门的设置是为防止座舱压力失调过大，限制座舱内外最大压差。安全活门正常开启时工作压差比压力调节器调节的最大压差大了一定数值，在正常调节时并不参与工作。而当安全活门故障或者性能下降时会出现意外开启，导致座舱漏气量增大而影响座舱的正常压力调节。日常机群维护检查时曾多次发现安全活门开启压力偏低 现象。

3 结论

气动式座舱压力调节系中座舱压力的主要影响因素包括座舱供气量、排气量、漏气量等。空气净流入量等于供气量减去排气量与漏气量。当空气净流入量大于零时，座舱压力增大，净流入量就越大，座舱压力增加越快，反之亦然。分析座舱压力调节系统故障原因时，必须重点抓住与座舱供气量、排气量、漏气量三个参数相关的因素。由此，基于故障发生频率和后果，形成以下排故及维修保障建议：

1）排故时紧抓座舱供气量、排气量、漏气量三个因素分析。实际维修保障中有时还会出现三种因素中两两叠加的情况，给排故造成困扰。例如，某型飞机曾出现座舱压力偏低故障，最终查明为座舱排气活门故障和座舱密封结构密封性不符合要求的综合因素导致。因此，在实际工作中考虑问题要全面，避免排故不彻底，留下问题隐 患。

2）排故中应重点排查压力调节器和排气活门等故障高发件。从长期的维修保障实践来看，座舱压力调节系统中压力调节器和排气活门发生故障的概率最高。统计三型飞机50 起座舱压力异常故障后发现，因压力调节器和排气活门产生的故障为38 起，约占全部故障的75%，其余复杂性故障一般为多因素叠加而引起的故障，在维修排故时应依据具体故障现象综合分析研判。

3）日常维修保障中应加强空勤人员使用意见和感受的收集工作。限于技术条件和外场使用条件，模拟高空座舱压力检查时在座舱外局部空间制造低压力环境的实现难度非常大。目前基层级和中继级维修中座舱压力调节系统只能实现地面静态特性检查，无法实现座舱压力调节器空中动态特性检查。因此，在日常维修保障中一定要及时、细致地收集空勤人员的使用意见和感受，加强静态特性检查，以弥补检查设备的缺陷和不足。

4）切实保障座舱安全活门这一最后安全屏障的性能。座舱安全活门是压力调节器空中失效后座舱压力调节系统的最后一道安全屏障，日常维护检查中需要重点检查其工作压力是否符合规定，确保系统安全底线。