飞机空调系统原理及故障分析

陈成

摘要：随着越来越多的新技术和新材料在现代民航飞机上的应用，飞机座舱空调系统的可靠性和自动化程度获得了长足的进步。虽然现代民航飞机能对空调系统进行自检自测，某些部件的状态和参数也能实时监控，但由于空调系统部件众多、结构复杂，很多故障单靠系统自测往往不能准确判断。该文通过对空客A320系列飞机空调系统进行原理分析，结合实际维修经验，论述空调系统常见故障的成因及排除方法。

关键词：空调系统 空客A320 系统原理 故障分析

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章編号：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

1 引言

现代民航飞机巡航高度在6000至12000米之间，高空环境低温、低压、缺氧。根据航空医学的要求，飞机座舱温度应保持在15～26℃，压力不高于2400米的座舱高度。这就需要空调系统对座舱环境进行控制。飞机空调系统给飞机气密座舱增压并调节温度、压力，保障空中人员的人体生理和机上设备的正常工作。

2 空调系统原理

空调系统分为四个子系统：空气冷却系统、温度控制系统、空气分配系统和增压控制系统。来自飞机发动机高压压气机的热引气经过初步的压力及温度调节后输送到飞机空调系统，此时热引气温度在200℃左右、压力在44PSI左右。热引气经过流量控制活门（FCV）调节流量后，在进入初级散热器之前被分成两路，一路经过冷却系统消耗能量，温度降低到0℃左右，再进入混合总管；另一路则作为配平热空气与混合总管出来的冷空气掺混在一起，进入驾驶舱和前后客舱，在温度控制系统的调节下，达到座舱需要的温度。配平热空气管路上有1个配平空气压力调节活门（TAPRV）调节压力，3个配平空气活门（TAV）分别调节通向驾驶舱和前后客舱的热空气流量。

2.1 空气冷却

空气冷却系统有两套空气调节组件（PACK），原理图如图1所示。每套PACK组件包含两套热交换器称作主次散热器，他们利用机外的冲压空气来给热引气散热。PACK组件还包括涡轮压气机风扇式（又称三轮式）空气循环制冷机（ACM）、再加热器、冷凝器、水分离器、旁通阀、防冰阀以及用于控制与指示的温度传感器、压力传感器。热引气经过FCV调节流量后，进入次级散热器降温，再进入ACM压气机，压气机对气流做功，气流温度升高、压力增大，从压气机出来的气流经过主级散热器降温后，通过再加热器、冷凝器、水分离器，进入ACM涡轮膨胀做功，带动ACM涡轮旋转。由于ACM涡轮、压气机、风扇同轴，压气机、风扇也高速旋转，高温高压气流的内能转化为机械功，温度大大降低。涡轮出口的气流再次经过冷凝器，防止涡轮出口气流冰物质的形成，之后进入混合总管。

2.2 温度控制

温度控制分为PACK温度控制和驾驶舱客舱温度控制。PACK温度控制：驾驶舱空调控制面板上有三个区域温度选择旋钮分别用来选择驾驶舱和前后客舱的需求温度，ACSC以选择的温度为基础，综合客舱FAP（乘务员面板）上的温度选择和座舱侧壁热量的流失，计算出所需混合总管温度，以此来确定PACK出口温度。ACSC调节冲压空气进气门开度和旁通阀开度使PACK出口温度达到目标值。驾驶舱客舱温度控制（如图2所示）：混合总管的温度调节到满足最低的温度需求，有较高温度需求的区域则由ACSC打开对应区域的TAV来调节。驾驶舱以及前后客舱各装有一个区域温度传感器，ACSC比较区域温度的实际值和区域温度选择旋钮上的选择值，用于控制驾驶舱客舱区域的TAV开度，使区域温度满足要求。

2.3 空气分配和座舱增压

调节好的空气由空气分配系统分配到驾驶舱、客舱、电子设备舱、货舱以及厕所、厨房，再由外流活门排出机外。增压控制系统有两台客舱压力控制器（CPC）通过控制外流活门的开度来控制客舱压力。两台CPC轮流起主控作用，另一台热备份。在每次飞机着陆，起落架压缩的时候切换，或在一台CPC故障时自动切换到另一台。在自动模式下CPC使用来自飞行管理和导航计算机（FMGC）以及大气数据和惯性基准组件（ADIRU）的数据来控制外流活门开度，使座舱压力符合座舱压力制度。

3 常见故障成因及排除方法

3.1 故障确认

空调系统出现故障信息，首先要确认故障是否为真。复位相关跳开关（CB）、断电、通过中央故障显示系统（CFDS）做温控测试能够排除假故障。若确认故障为真，参照排故手册（TSM）进行排故。飞机综合数据系统（AIDS）的ALPHA-CALL UP功能可以调取出空调系统的关键参数，用于故障隔离。常用的参数是COT（压气机出口温度）、TP（组件出口温度）、PF（组件流量）、PBV（旁通阀开度）、TW（水分离器出口温度）、RI（冲压空气进气门开度），这些参数对系统实时监控。

3.2 FCV故障

FCV是电控气动活门，其控制原理图如图3所示。FCV主体是一个文氏管，通过1个压差传感器和1个压力传感器分别测量文氏管喉部压差和入口处压力来计算空气流量，再由ACSC通过力矩马达操纵FCV主控制腔放气来实现流量控制。FCV上的压差传感器和压力传感器故障会使探测到的流量值错误，从而导致流量不能按需调节，引起空调系统故障。电控和气控都可以使FCV关闭。电控关闭：压气机出口超温、发动机启动、发动机火警电门按出、水上迫降电门在ON位。发动机启动电门信号通过发动机接口组件（EIU）送到ACSC，启动电门或EIU故障可能会导致FCV始终关闭，从而引起空调系统故障。FCV气控关闭：引气压力过低。还有一种情况是部分老构型飞机装有压气机气动过热传感器，其原理是把两种膨胀系数不同的金属套在一起，在高温下两种金属之间会产生间隙，当压气机温度超过230℃时，过热传感器和FCV之间的气路（sensor line）通过两种金属之间的缝隙给FCV控制腔放气。sensor line漏气会导致FCV关闭。为判断FCV故障原因，可以拔出FCV相关CB，如果气控部分正常，来自FCV上游的气压就会克服FCV控制腔内的弹簧弹力使FCV蝶型活门打开，否则FCV气控部分就存在问题。无论电控还是气控，控制FCV关小或关闭，都是通过给主控制腔放气来实现的，与主控制腔连接的控制气路漏气就会导致FCV关闭，在检查FCV的时候需要留意。

3.3 压气机出口温度超温

COT正常情况下控制在180℃左右，当COT在215～260℃之间时，ACSC将通过控制FCV开度减小PACK流量。当COT超过260℃，将触发超温警告，ACSC将控制FCV关闭（在空中需要由飞行员来决定是否关闭）。COT过高，有可能是FCV故障在全开位，FCV故障前面已单独分析过，这里不再赘述。冲压空气进气门意外关闭会导致冲压空气不足，热引气不能有效降温而引起COT温度高，可检查冲压空气进气门是否打开。冲压空气进气门作动筒故障或卡阻会导致进气门打不开。刹车转弯控制组件（BSCU）跟ACSC有交联，1号轮速传感器继电器25GG或BSCU故障可能会使其给ACSC发送飞机处于起飞或着陆阶段的错误信号，导致冲压空气进气门关闭。温度传感器故障也可能导致超温的假警告。通过测量COT温度传感器电插头相应插针的电阻值，与TSM上的正常值比较来判断是否是温度传感器故障，也可以通过串换件来确认故障。

3.4 PACK出口温度超温

TP是反应PACK组件性能的关键的参数。TP温度过高会导致座舱温度高。TP温度高的原因可能是主次散热器堵塞或ACM故障。此外，再加热器堵塞、冷凝器漏气、冲压空气进气门意外关闭、旁通阀或防冰阀故障打开以及温度传感器本身故障都可能导致PACK出口温度高。主次散热器、再加热器都是平板鳍片式散热器，空气通道较小容易堵塞。主次散热器在冲压空气流经的气路上由于没有空气滤，灰尘会逐渐累积堵塞通道，使其散热能力下降。在环境温度较高的地面，影响特别明显。而在空中由于冲压空气温度极低，主次散热器热交换效率又恢复正常，从而使TP降到正常温度。所以，TP在地面温度高而在空中正常，原因很可能是主次散热器堵塞。再加热器里面的鳍片比主次散热器的更密，流过的气流速度更快，灰尘和鳍片变型都会导致其堵塞。再加热器堵塞会使涡轮进口气流压力降低，导致ACM启动困难、转速低，也会使PF、冲压空气流量偏低。如果发现有上述现象，可以优先考虑再加热器堵塞故障，而不是直接更换ACM。冷凝器是管-管式结构，不容易堵塞，但其内部结构容易出现裂纹，导致热空气掺混到涡轮出口空气中，使TP温度高。如果PF值、冲压空气均正常，而主次散热器又刚换过不久，可以考虑冷凝器故障。旁通阀和防冰阀故障在打位导致过量的热引气不经过ACM而直接旁通到涡轮出口，也会使TP温度高。正常情况下防冰阀是始终关闭的，旁通阀的开度在21度左右，两者的开度都可以从阀体上观察到，阀体上也都有超控连杆，通过转动超控连杆可以判断活门是否卡阻。

3.5 驾驶舱、客舱温度无法调节

当PACK出口温度正常，而座舱温度无法调节，座舱过冷或过热，可能是驾驶舱客舱温度控制系统故障。TAV故障一般在航后报告的故障信息里面会给出，做温控测试也能确认，注意如果驾驶舱TAV故障或前、后客舱TAV同时故障将会使TAPRV自动关闭，这时候不要误换TAPRV。一般驾驶舱或单独某个客舱温度无法调节，如果航后报告或者温控测试没有给出TAV故障信息，可以首先考虑驾驶舱或该客舱的区域温度传感器是不是有问题，在更换温度传感器之前，首先检查传感器本体、通风管道有没有被污染、破损、漏气，温度传感器必须通风良好，才能持续感知客舱温度的变化，如果温度传感器的通风管堵塞，温度传感器将不能真实反映客舱区域的温度，导致客舱温度“超调”，客舱忽冷忽热，或无法调节。三个管道温度传感器感知输送到驾驶舱、前后客舱的管道温度，用于超温保护。正常情况下管道温度会限制到8～50℃，特殊情况如单PACK运行时会放宽到2～70℃，管道温度传感器异常也可能导致驾驶舱或前、后客舱区域温度不能正常调节。驾驶舱30VU面板有三个区域温度选择器，可以选择温度范围18～30℃，温度选择器故障也会导致某个座舱区域温度无法调节。TAPRV控制配平空气压力大于客舱压力4.06PSI， 它的下游安装有一个压力电门，当压力大于6.53PSI时接通，压力下降到5.08PSI时断开，用于发送活门的开、关信号。当测试给出TAPRV故障时，可能是活门本身故障，也可能是由于压力电门故障发送了错误的信号给ACSC导致，可以考虑更换该电门再做测试来确认故障原因。

3.6 管路漏气

除了部件本体故障外，在PACK组件内部，管路与管路之间、管路与部件之间的正确安装，以及胶圈、胶垫是否完好且安装到位都关系到空调系统的正常运作。胶圈、胶垫破损以及卡箍的不规范安装导致的漏气时有发生。特别是高温气流流经的管路，胶圈、胶垫更容易老化脱落导致漏气，从使引起空调系统故障。此外，高温气体泄漏还会导致周围的引气环路跳警告。ACM压气机进口管路上的方形接口（如图4所示）处常有漏气现象，拆开后发现接口之间的方形胶垫已经残缺老化，更换胶垫重新安装后恢复正常，但2～3个月后胶垫再次破损漏气。分析原因是由于老化的旧胶垫有残留物粘连在接口上没有清除干净，导致新胶垫装上去有缝隙。在安装过程中拧紧螺杆的力矩过大使胶垫挤压变形也会产生缝隙。高温高压的气流会从微小的缝隙泄漏出来，并使缝隙周围的胶垫迅速老化、脱落，缝隙越来越大，最终严重漏气导致故障。为避免这一情况的发生，安装前要将结合面彻底清理干净，调整好管路使安装口对齐贴紧，不要试图用拧紧螺杆的方式来对齐安装口，否则容易将方形胶垫以及方形接口上螺座的钢丝螺套损坏。在PACK运转时，用手沿着管路周围游走来检查管路是否漏气，目视检查各部件本体及其连接处有无裂纹、凹坑等损伤，电插头及其线缆是否破损，与其他部件的间距是否足够。

4 其他排故方法

除了利用AIDS、CFDS、TSM研究单个PACK故障外，还可以通过对比同一架飞机的两个PACK的参数来判断故障。由于同一架飞机上的两个PACK处于相同环境下，他们的参数应该大致相当，可以从两者差异较大的地方着手。另外，在空调系统发生故障时，会自动生成一份ECS（环境控制系统）报告，可以通过AIDS调取，这份报告记录了故障发生时，飞机、空调系统以及环境的各项参数，包括活门位置等，可用于维修人员判断故障。

5 结束语

排除飞机空调系统故障需要维修人员熟悉空调系统的基本原理，熟知各个部件的功能、特点以及可能发生故障的原因，掌握各种参数的意义和参数值的正常范围。飞机各个系统之间互有交聯，有时候我们遇到一个部件或系统报故障，有可能是这个部件或系统自身故障，也可能是其他部件或系统故障引发的，这就要求我们要透过故障现象，多方面收集数据，善用逻辑推理，快速准确的找出故障的本源，彻底排出故障。

参考文献

[1] 任仁良，张铁纯主编.涡轮发动机飞机结构与系统[M].北京：兵器工业出版社，2008.

[2] A320 AIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL AIRBUS COMPANY. 2016.

[3] A320 TROUBLE SHOOTING MANUAL AIRBUS COMPANY. 2016.