民用飞机座舱温度异常事故仿真研究

官颂，邱吉超，杨建忠，杨士斌

民用飞机座舱温度异常事故仿真研究

官颂，邱吉超，杨建忠，杨士斌

飞机座舱温度异常事故模拟仿真问题，飞机座舱温度控制系统结构复杂，故障类型较多，为深入分析座舱温度控制系统故障机理，同时，为相关的适航条款的验证提供数据支撑。根据流体和能量守恒建立座舱温度控制系统数学模型；用蒙特卡洛方法通过调用座舱温度控制系统模型对随机故障注入进行仿真研究。得到座舱 Simulink动态仿真曲线，分析其变化过程；并对温度变化情况进行统计。仿真结果表明，故障与理论结果一致，随机故障注入结果表明，数据对相关的条款验证修改能够提供数据支撑。表明对座舱温度异常事故仿真研究具有重要的参考价值。

座舱温度；事故/事件；随机故障

0 引言

飞机环境控制系统是满足飞机在各种条件下飞机的安全、经济、舒适、环保的关键系统。解决飞机在高空中的温度问题是保证飞机正常使用的重要方面。随着我国客机适航体系的不断完善，对于大飞机座舱内的热舒适性要求的不断提高。目前，涉及CCAR 25部运输类飞机座舱温度控制的专门研究相对较少。国内外对飞机环控系统也做了很多研究[1-4]，对座舱温度控制系统的评估和改善有很大的帮助。目前国内研究人员在进行安全性分析时，往往由于缺乏故障数据而导致工作无法进行；对于飞机系统故障研究集中于单一故障部件。但是事实上引起座舱温度异常的失效部件及其失效模式的不同，不同的故障组合导致的事故的发生、发展变化也就不同。飞机事故/事件进行分析的却很少，不能充分利用有限的信息对安全性工作进行有效的指导。因此，如何使这些故障随机的组合发生，并利用有限的事故/事件信息为安全性分析工作提供分析数据，是本文研究的重点。

本文在深入分析研究座舱温度控制原理的上，建立完整的数学模型，之后建立随机故障模型，并以空气配平活门发生故障为例，验证了温度控制系统模型的正确性，为相关条款的制定修改提供了指导。随机故障模型的建立对于座舱温度异常事故的研究具有重要的意义。

1 座舱温度异常事故/事件统计

由于飞机环控系统结构复杂，很多部件对外界变化敏感，因此环控系统故障一直是影响座舱空气质量的原因之一。本文统计了国内SDR 1994年到2012间发生的大飞机事故/事件共计404起，与空调系统相关的有268起，其中温度异常的事件出现22次，占所有空调事件的8%多。造成温度异常的原因如图1所示：

图1 座舱温度异常部件比例

其中与活门有关的占到46%，由此可见活门的性能好坏是影响座舱温度的关键因素。另外空调组件和温度控制器所占比例也较大。所以本文根据统计数据对座舱温度控制系统进行仿真。

2 座舱温度调节原理

座舱温度调节原理如图2所示：

图2 座舱温度控制原理简图

座舱温度控制系统的作用是保持座舱有合适的温度。其中的空气最初是从发动机引气系统出来的是高温引气，经过流量控制与关断活门（FCSOV）调节，在FCSOV处分成两路，其中一路热空气供给左右空调组件，经过空调组件冷却后，形成冷路空气，进入混合总管；另一路热空气则直接到达混合总管处。图中的黑点表示座舱温度传感器，它们感受座舱温度信号并将信号传给座舱区域温度控制器，然后座舱区域温度控制器根据接收的温度信号控制配平活门来调节进入混合总管的冷热空气比例控制供气温度，进而调控座舱各区域温度。

本文根据某机型座舱温度控制原理，建立了座舱区域温度控制模型。模型主要包括空调组件、空气配平活门、混合组件、温度控制器和座舱等模块。

3 座舱温度控制系统建模

对于大型飞机座舱，座舱内部的热载荷不确定，干扰因素多，传统方法建立模型困难。因此，本文从系统中气体热焓变化角度进行建模。仿真过程不考虑流阻，因此也就不考虑管道模型。建立数学模型前作如下假设：

1）座舱内空气作为理想气体来处理，舱内气体满足理想气体状态方程。

2）组件、活门泄漏流量忽略不计。

3）座舱内压力保持一定，即由温度引起的座舱压力变化忽略不计。

4）温度变化不影响座舱体积。

5）组件、配平活门以及座舱内的热焓保持不变，且与外界没有热量交换。

6）没有其他气体来源。

3.1 空气循环制冷系统

空气循环制冷系统是座舱温度控制系统最重要的制冷组件。如图3所示：

图3 空气循环制冷系统物理模型图

空气循环制冷系统物理模型图[5]。本文对空气循环及建模主要包括热交换器、压气机和涡轮3部分。

其工作原理：从FCSOV出来的高温引气首先进入主热交换器，通过冲压空气进行冷却，进入压气机，变成高温高压气体。然后进入次热交换器再次被冲压空气冷却。最后在涡轮中进一步膨胀降温，推动涡轮做功，带动压气机工作。此时，空气的温度和压力会大幅下降。这一步是对空气温度进行粗调。

3.1.1 热交换器

热交换器一般是间壁式热交换器，即热流体通过隔板与冷流体进行对流换热。是空气循环制冷系统主要的冷却部分。热交换器数学模型，假设：

1）在任一时刻，流体与壁的物性参数如比热、密度及对流换热系数在热交换器中处处一致。

2）在任一时刻，热交换器内的两流体热容与芯体热容相比可以忽略。

3）热量在热交换器芯体内传递，仅沿流体流动方向之法向进行。在此方向上，材料对热传导而言热阻可以忽略。

4）热交换器外壳内表面与流体绝热，对流体温度不论是动态还是稳态都无影响。

5）流体不可压。

本文假设热交换器[6]里的是理想气体，满足能量守恒和热量方程得公式（1）：

3.1.2 压气机和涡轮

压气机和涡轮在同一根轴上，压气机用机械方法对气流进行压缩，进入次级热交换器预冷，然后进入涡轮膨胀做功，变成低温低压空气。涡轮机和压气机的动态性能在一个大系统仿真中处置成比例模型。控制方程[7]如下公式（3）、（4）：表示输出、输入温度，表示压气机的压缩比和效率，分别取为1.35和0.78，表示涡轮的膨胀比和效率，分别取为6.02和0.745。

3.2 混合组件

热空气和冷空气在混合组件中按照一定的比例进行混合成合适温度的空气。根据及能量守恒，可得

3.3 空气配平活门

空气配平活门是用来调节冷热空气混合比例的一个执行部件，受温度控制器控制。通过调节热空气的比例，微调客舱温度，使达到舒适状态。

对比4.2节混合组件原理，经类似计算可得公式（6）：

3.4 座舱

座舱内部的空气热焓主要来自3部分，分别是外界新鲜空气、再循环空气及座舱内起初的一部分空气。座舱内部的空气温度是目标控制参数。忽略机组人员对驾驶舱温度的影响。

在Simulink中对座舱模型进行二次建模，座舱温度控制Simulink模型如图4所示：

图4 座舱温度控制Simulink模型

受系统各部件中空气温度、流量的影响，座舱温度变化不稳定，因此模型中使用PID控制器通过调节座舱温度与目标值之间的差值对座舱温度进行调节。

4 随机故障模型

建立随机故障模型，首先要解决随机故障的生成。由于座舱温度控制系统复杂，座舱温度异常的原因可能是单一故障也可能是组合故障，且不同的失效部件及其不同的失效模式下，对温度异常事故的发生、发展变化影响也就不同，具有随机性。随着温度控制系统功能的增多、结构变得更加复杂，给随机故障的研究带来更大的挑战。

本文主要采用蒙特卡洛方法来解决随机故障的问题。根据蒙特卡洛法的基本原理，编写程序调用座舱温度控制系统模型，模拟随机故障生成。座舱温度变化是受环控系统内部各个部件以及不同部件的不同故障类型的影响。因此在这个过程中需要确定系统中部件的概率模型、部件的故障类型概率模型。通过改变模型中故障部件的参数来进行故障注入。

1）系统部件概率模型 飞机环控系统结构复杂，部件众多，部件故障对座舱温度有很大的影响。本文认为部件发生故障是随机的，且相互独立。

p为事故/事件数据中的统计故障率。

2）单个部件故障类型概率模型 由于缺少数据，因此本文假定每个部件的不同故障类型随机发生，且其概率为公式（10）：

n 表示单个部件中故障类型数，其中p(c1)+p(c2)+...+p(cn)=1。

同一部件不同故障类型发生的概率均相同。设随机数u2～(0,1)服从均匀分布。则其故障概率模型为公式（11）：表示不同故障类型发生概率。

蒙特卡洛仿真次数的确定是根据统计的飞行事故率来估算。事故率简化后的分母就是蒙特卡洛仿真次数的参考值为公式（12）：

用蒙特卡洛法结合所建立的座舱温度控制模型进行仿真，程序流程如图5所示：

图5 随机故障程序流程图

模型主要包括三个作用：随机确定系统故障部件；随机确定故障部件的故障类型；运行座舱温度控制仿真模型并重复循环。随机故障模型每一次循环，内部故障参数就会自动更新一次。仿真模型输出的温度曲线数据就会自动保存到指定路径。

5 仿真分析

飞机座舱温度控制系统结构复杂，大多数部件为敏感气路控制，所以该系统很容易发生故障。空气配平活门通常是蝶形阀设计。通过活门的调节，可以使活门出口流量保持在设定值。设各个部件及部件参数相互独立。设置仿真时间1000s，驾驶舱目标温度为297K，座舱（经济舱）目标温度293K，座舱初始温度都是288K，根据第2节事故/事件统计对空气配平活门进行故障仿真分析，以 200s时活门故障，开度由30度变为60度为例。仿真结果如图6、图7所示：

图6 座舱误差变化曲线

图7 活门故障仿真结果

从仿真结果看出活门发生故障开度变大时，导致热空气比例变大，使座舱温度会明显偏高，有升高趋势。客舱热惯性大，温度变化较驾驶舱变化相对缓慢。与事故描述一致。误差变化在100s时间内基本达到稳定，该温度控制系统模型具有很好地调节效果。

对于随机故障模拟首先要确定部件故障率。经过计算部件故障大约为5×10-6，因此将蒙特卡洛循环次数数量级定为109次。用MATLAB仿真并对故障数据进行处理，对活门不同开度、座舱温度变化范围等进行统计，并结合适航条款CCAR25.831(g)和飞机气密座舱温度要求进行分析。

以座舱加热为例，仿真时间1000s,设置在200s时活门发生故障。气体常数值为287KJ/Kg，空气比热值1000KJ/Kg，引气温度473K，座舱初始温度值288K，目标值297K。经过多次仿真试验，空气配平活门在不同开度区间出现次数的统计如表1所示：

表1 空气配平活门异常频次统计表

从表1中的数据可以看出，不同活门开度区间出现异常的次数基本持平。但在[50,60)和[80,90]开度内，出现次数有所增加，活门这两个开度区间对座舱温度的影响也相应较大，是其相对薄弱处。并且活门故障时的座舱温度维持在302K以上的次数较多，可以认为活门开度在50以上时，就应注意避免座舱超温。

在本次仿真试验中空气配平活门异常共出现211次，经计算故障率近似为2×10-7。用MATLAB对故障数据进行处理发现空气配平活门开度异常引起的座舱温度异常现象的整个仿真过程座舱温度变化范围是 288K到 303K。根据CCAR 25.831（g）款：任何不可能的失效情况发生后，在给定温度下的持续时间不得超出下面曲线所定出的值，如图8所示：

图7 时间——温度曲线

由表1可以知道超过CCAR25.831（g）款的温度异常现象一次也没有出现，满足任何不可能失效的情况发生的概率（10-5-10-7）。仿真结果与条款规定一致。

座舱温度异常现象与各个部件的故障机理有关，改变故障机理的概率分布模型，会对结果产生影响。不同故障部件的不同故障机理的组合会对座舱温度异常规律及安全性分析研究造成不同影响。

6 总结

座舱温度控制系统结构复杂，故障原因繁多，由于研究人员的水平所限及缺少故障数据，对其安全性分析较为困难；同时系统故障原因的随机性，使得研究成果难以满足要求。本文对座舱温度控制原理进行分析，建立了较为准确的模型，在此基础上又建立了随机故障模型，结合座舱温度异常事故/事件进行仿真研究。结果表明，本文随机故障模型可以为安全性分析工作提供指导，对进一步研究座舱温度变化规律及推进适航安全性分析工作有重要意义。

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[8] 寿荣中，何慧姗著, 飞行器环境控制[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

The Research of Simulation about Cabin Temperature Accidents

Guan Song1, Qiu Jichao2, Yang Jianzhong3, Yang Shibin3
(1. Engineering Techniques Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China; 2. College of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China; 3. Tianjin Key Lab for Airworthiness and Maintenance of Civil Aircraft, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China)

The paper researches on simulative problem about abnormal temperature accident in the airplane cabin. Due to the complicated temperature-control system and numerous bug in the cabin, the paper analyzed the bug mechanism in the cabin temperature-control system. On the other hand, it supplied data support for relevant proof of airworthiness provisions. According to the fluid and the conservation of energy, the paper established mathematical model of cabin temperature control system. With the help of Monte Carlo method, the paper conducts simulative research on random fault injection by calling the cabin temperature control system simulation model. After getting the Simulink dynamic simulation curve, the paper analyzed its change and carried on statistics according to its temperature change. The simulative result indicated that the fault is fit for the theory result. Random fault injection result shows that the data is able to supply data support for the verification and modification of relevant provision, which shows significant value for the research of simulative problem about abnormal temperature accident in the airplane cabin.

Cabin Temperature; Accidents/Incidents; Random Failures

V223

A

2014.09.16）

国家重点基础研究发展计划（973计划）；大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究（2012CB720100）

官 颂（1964-），女（汉族），辽宁省沈阳市，中国民航大学，工程技术训练中心，研究员，硕士，研究生导师，研究方向：航空维修工程管理与适航管理，天津，300300

邱吉超（1988-），男（汉族），山东省青岛市，航空自动化学院，硕士研究生，研究方向：飞机环控系统仿真建模，天津，300300

杨建忠（1974-），男（汉族），天津市人，天津民航空器适航与维修重点实验室，副教授，研究生导师，研究方向：飞行器环控系统，天津，300300

杨士斌（1982-），男（汉族），天津市人，天津民航空器适航与维修重点实验室，讲师，研究方向：飞行器动力学与控制研究，天津，300300

1007-757X(2014)11-0012-04