0 引言

空调系统作为民航客机增压和温度控制装置，对飞机的安全飞行至关重要。进入夏季以来，航线运营中空调系统故障频发，给航空公司带来很大的困扰。客舱旅客常抱怨空调不制冷或制冷效果差，驾驶舱出现PACK、ZONE TEMP灯亮等警告信息。空调出现故障，维护人员需要深入排查故障，无形之中会有航班运行压力，航班推迟会影响航空公司声誉。因此，对空调系统典型故障有必要进行事前预防性维护，提前发现隐患，减少故障的发生。本文通过持续监控空调运行的性能数据，利用统计学方法对机队空调状况进行普查，分析运行规律，对空调系统实现健康监测。

1 制冷原理

空调制冷系统的核心部件是空气循环机（air cycle machine，简称ACM）。ACM是一个高速旋转组件，包括同轴的涡轮、压气机、风扇三部分。图1所示为空调制冷系统原理图^[1]:来自发动机的高温高压引气（热路），通过组件活门，先进入初级散热器，冲压空气带走热量; 初步冷却的引气进入ACM压气机，空气压力和温度上升; 压缩后的空气进入次级散热器，冲压空气进一步带走热量; 次级散热器出来的空气依次经过再加热器和冷凝器后，变成冷路空气，和再加热器的热路空气热交换后，进入ACM涡轮; 空气在涡轮中迅速膨胀，温度降低，涡轮同时带动同轴压气机和风扇工作; 涡轮出来的冷路空气通过和冷凝器热路进行热交换后，作为冷路进入混合总管; 热路空气来自于区域配平空气活门，两路掺混后进入座舱。

2 制冷故障分析

波音737-800机队空调性能带有明显的季节特性，夏季故障报告明显增多。统计近5年来运行数据显示:机组对空调系统故障报告约200次。其中，组件流量及制冷系统故障约占73%^[2]。

2.1 散热器

散热器故障占制冷系统故障的比例为38%，如图2所示。散热器是气气冷却、折翅式散热器，两股独立的气流从空气通道流过。散热器由于表面存在的灰尘、杂物堵塞而降低冷却效率，其故障现象多为空调温度偏高或冲压进气门全开灯保持亮。根据空调运行数据统计分析，散热器使用循环数接近1 500以上时，散热器性能开始明显影响空调制冷效果。针对夏季高温和环境空气污染状况，采取定期更换空调散热器、定期在翼水洗或氮气吹洗散热器以及定期监控空调参数并提前干预的方法，来保证系统的制冷能力。目前，散热器清洁或更换工作仅以时限为依据具有一定的局限性和盲目性。根据维护经验，初/次级散热器进出口温度和温降能较为准确地反映散热器的清洁程度。定期对散热器进出口温度进行采集能为散热器相关工作提供一个相对可靠的参考和依据，并且能优化目前的散热器清洁及更换方案。此外，基于预防性维护思路，适航文件内执行工程线路改装方案为对波音737-800飞机空调系统初级散热器出口管道安装温度传感器，以此来监控散热器温度及效能。通过采集初级散热器出口温度快速访问记录器（quick access recorder，简称QAR）参数，对比左右侧空调参数变化情况，能够有效发现性能衰退趋势，地面人员及时采取措施排除故障。故障一侧散热器出口温度快速升高而导致组件跳开; 另一侧满足组件工作需求，散热器出口温度随之降低，如图3所示。

2.2 ACM

ACM是一个由涡轮、压气机、风扇组成的同轴高速旋转组件，一薄层空气轴承支撑着轴，空气轴承可以让ACM在很小的摩擦下高速旋转。ACM故障表现主要包括:转子卡滞、制冷效果下降、风扇叶片磨损断裂等^[2]。

波音维修方案中，没有针对ACM的例行维修项目。航线运行中，ACM故障按MEL放行限制较多，风险较大。基于预防性维修方案，通过在散热器拆卸、清洁和安装工作中，增加检查ACM风扇叶片状况以及ACM启动力矩的工作，可以发现叶片磨损超标的情况。通过对空调性能数据监控和可靠性分析发现，ACM风扇叶片磨损/断裂故障与散热器严重污染有一定关系，建议加强散热器的清洁工作。根据历史数据分析，ACM检查工作与卡滞故障间隔时间的关系比较离散，ACM卡滞具有较强的突发性。针对ACM性能下降的情况，目前通过循环执行监控管道温度并视情纠正措施来预防。此外，借助孔探设备检查ACM状态有一定效果。方法如下:将孔探摄像头通过扩散管单向活门深入扩散管内筒，对ACM进行拍照。如图4所示，左ACM叶片脏、叶片尖端风蚀严重; 右ACM叶片状态干净、完好。利用孔探仪的测量功能，还可以测量风扇叶片弦长，并与AMM标准进行对比。

2.3 TCV/TAV

件号为398908-3/398908-4的温度控制活门，属于电气作动活门，根据控制系统电信号调节或关断气源系统的气流。通过向相应的电机电路供电，活门蝶形盘可以双向作动，由凸轮作动的极限位置电门在全开和全关位向旋转电机提供关断信号。在波音737-800飞机上，该活门用于空调组件温度控制活门（temperature control valve，简称TCV）以及区域温度配平空气调节活门（简称trim air valve，简称TAV）位置。近5年来，温控活门非计划拆换率一直处于较高水平。根据波音技术文件，当组件/区域温度控制器（pack/zone temperature controller，简称 PZTC）中储存有相关故障信息时，P5板PACK灯或 ZONE TEMP灯将在 Master Recall 测试时点亮。此类信息通常可以复位清除，空调系统功能正常。依据波音737NG-FTD-21-09003和可靠性分析报告表明:设计缺陷是活门故障主要原因，当左组件TCV或驾驶舱TAV失效在开位，该故障可能导致客舱、驾驶舱温度过高。波音发布SB 737-21A1203支持更换左组件TCV及驾驶舱TAV位置件号为398908-4的活门。霍尼韦尔针对TCV的设计缺陷，重新设计了398908-5的TCV，使用398908-3构型上的限制电门（耐热性、可靠性更好）以及改进后的作动器，并保留了398908-4构型上新型的蝶形盘密封环。

2.4 ACT

Ram air inlet actuator，冲压进气门作动器，简称ACT。目前波音737-800机队存在2种构型冲压进气门作动器:旧构型（ram air door actuator，简称RADA），件号541674-4; 新构型（smart ram air door actuator，简称SRADA），件号67600014-1。新构型ACT送修后经常测试NFF（no fault found），送修后返回件中，NFF率高达50%。依据波音737-SL-21-109提供的信息，SRADA NFF率高与系统部件的上电顺序有关。SRADA由自身控制器进行控制，当系统上电时，PZTC/PFTC（pack zone temperature controller/pack flow temperature controller）会进行BITE（Built-in Test Equipment），因产品设计问题，当SRADA控制器晚于PZTC/PFTC上电时，PZTC/PFTC认为这种情况属于“故障”，因此会触发一条故障代码储存在SRADA控制器的存储器中，当执行Master Recall操作时，该故障代码就会被调出，并点亮PACK灯。故送修件在测试台上无法检测出故障。目前，波音已修订相关手册，强调排故及换件过程中，需要对相应的ACT跳开关进行复位，以便清除存储在SRADA控制器中的故障记忆，尽可能减少Master RECALL后点亮PCAK灯的概率。RADA送修报告表明，主要故障为ACT内部的轴承、衬套等部件老化，导致部件性能衰退。针对RADA 构型作动器，波音推出SB 737-21-1174，对现有冲压门机构进行改装:更换作动器的连杆手柄组件并改装固定端衬套，减少作动器的负载。针对折流门松动及进气门机构磨损问题，按照手册要求对冲压门机构进行检查并调整。

2.5 其它部件故障

其他空调部件故障发生率不高，且分布相对离散。在翼清洁散热器时检查扩散管单向活门安装及空调舱相关部件漏气情况。

2.5.1 温度传感器

座舱温度传感器为抽吸式采样，且当飞机上电时绝大部分时间处于工作状态，当滤网因灰尘堵塞时，传感器采样空气的流通性变差，从而传感器与外界存在内外温差，导致温度控制速率变慢，制冷效果变差。经验表明，间隔600飞行小时清洁滤网能取得良好效果。

2.5.2 FCSOV

组件活门，简称FCSOV（flow control and shutoff valve），控制空调组件的气流，它由弹簧保持在关闭位。由于波音737-800飞机空调组件活门没有位置指示灯，如果组件活门没有按指令打开，机组无法通过直接的指示灯得知故障情况，若机组忽略了这种情况，可能导致飞机在单空调工作情况下在高于25 000 ft的巡航高度，存在客舱释压的不安全事件。分析研究发现，飞行管理计算机（flight management computer，简称FMC）有接收组件活门位置电门数据，并且数据有传送到QAR中。因而可利用QAR数据监控组件活门的异常情况。图5是一起组件活门故障时的译码结果，出现组件活门故障时，译码显示出电门位置和活门位置不一致。可以利用报文形式发送空调组件活门位置不正常警告，提示空调组件活门的故障情况。利用飞机通信寻址与报告系统（aircraft communication addressing and reporting system，简称ACARS）报文提出组件活门位置报文采集需求:飞机在空中时，当组件开关电门和对应的组件活门位置电门出现差异超过2 s，即向地面发送报文提前通知，以短信方式通知技术人员，可以及时在飞机落地后向机组确认证实。此外，活门本体上有位置指示器，地面排故测试时可检查该活门的作动情况。

2.5.3 空调管脱开

某航司B-XXXX飞机机组反映驾驶舱温度偏高，空调出气量较小，航后检查发现前货舱后部上方壁板处水汽较重，拆下货舱壁板后发现该处通往驾驶舱空调管脱开。针对空调管脱开故障，分析常见脱开位置:

a）前货舱内，混合室通往驾驶舱的上升管路;

b）EE舱内，通往驾驶舱的空调管路;

c）客舱顶板，空调上升管及分配管。

空调管脱开故障现象可归纳为以下三点:

a）客舱或驾驶舱空调出气量小，制冷效果下降;

b）客舱或驾驶舱出现噪音;

c）空调管脱开位置周围出现大量冷凝水。

因空调管脱开位置一般位于目视不可见范围，机组在不明故障原因的情况下，对该故障的描述或处理方式可能对航班运行造成较大影响，甚至造成中断起飞或滑回等不安全事件。实际地面维护工作中，对经常脱开的空调管位置进行定期检查/包扎、视情改装或更换。

3 空调性能健康监测

对于机队规模在100架以上的航司而言，如何高效管控好每一架飞机，确保空调性能良好，并能够提前预测到性能衰退趋势，很大程度上体现了航司维修队伍的工程技术管理水平。一方面，飞机落地后，通过采样空调运行数据统计分析后，确定出空调的定量检查标准，从而确立预防性维修方案。另一方面，利用波音737NG飞机的飞机状态监控系统（aircraft condition monitor system，简称ACMS），通过线路改装，将传感器采集到的数据实时输入到ACMS，利用空地数据链实时下传到地面监控平台，实现远程参数采集和性能趋势分析。对于预测到空调系统性能存在衰退趋势的飞机，地面维护团队可以采取维护措施加以纠正。

3.1 空调温度数据采集

盛夏时节，高温天气持续，空调制冷需求大，其制冷效果问题也略显突出。通过建立统一的空调系统健康测试，来监控制冷性能。如表1所示，采集驾驶舱空调温度数据:地面APU引气，单空调运行模式下，所有温度选择在全冷位，等待管道温度稳定并做相应记录。采集数据上传至远程监控告警系统，工程师对空调制冷性能进行决策分析，视情采取维护措施。波音对空调温度给出相应参考标准:驾驶舱供气管道温度10℃左右，客舱供气管道温度20℃左右，组件出口温度30℃左右^[3]。根据采集的空调数据进行统计分析，识别出制冷效果差的飞机，及时采取维护措施，防止空调制冷差影响服务质量。

3.2 空调性能参数实时监控

传统方式下，通过地面采集空调系统运行数据，实现对空调系统健康监测的目的。但随着机队规模的大幅增加，地面人工采集数据的方式不仅花费大量的人力和物力，而且存在实效性和局限性。地面采集到的数据是在飞机落地后空调系统的运行状态，无法实时获知空中航段的工作状况。该方式没有有效利用数据采集组件获取实时数据做译码分析，不能准确分析出具体故障源头，仅仅通过故障现象来换件，一个个排除故障部件，效率不高且准确性差，被动排故容易导致重复性故障发生，且无有效预警机制和性能衰退趋势分析。

通过对空调系统线路原理的深入分析，在满足适航安全的前提下，对一些传感器执行工程改装方案，对空调系统参数自动远程采样，可实现空调性能监控和趋势分析。线路改装涉及到的传感器有:组件温度传感器T471/T474、冲压空气控制温度传感器T481/T482、混合总管温度传感器T472/T475^[4-5]。通过线路改装，数字飞行数据采集单元（digital flight data acquisition unit，简称DFDAU）可以识别出传感器的信号。如图6所示，通过控制显示组件（control display unit，简称CDU）可方便读取空调传感器温度值。地面人员通过对QAR数据译码分析，可方便监控全航段空调系统运行状态。

利用ACMS实时动态监控功能，通过ACARS空地数据链实时向地面下传空调监控报文，实时监测空调运行状态。当监控参数偏离门限值时，邮件或短信通知维护人员进行相应检查处理。空调系统实时监控流程图如图7所示。

4 结论

空调系统管路、部件和传感器线路相对其他系统而言会复杂些。在实际维护实践中，空调系统性能不佳的原因往往是若干个部件性能衰退的结果。为有效降低故障率，并有效提高排故效率，结合典型故障对现行空调系统维修方案持续优化，加强对空调故障的监控和处理力度，提前发现性能下降的部件进行预防性维修和排故，可确保空调工作性能良好，为航司赢得声誉。

参考文献