浅谈波音737 飞机AOA 不一致故障

许敬远 吴坤恒/海航航空技术有限公司

0 引言

2018 年10 月狮航和2019 年3 月埃航的两起空难将波音公司寄予厚望的737MAX 机型推上风口浪尖，一个小小的机动特性增强系统（MCAS）竟成为了百年波音的罗生门。作为激活MCAS功能钥匙的AOA 传感器同样获得了前所未有的关注（错误的AOA 信号可能使FCC 误认为飞机失速，从而激活MCAS 功能）。抛开737MAX 不论，对于保有量最庞大的737NG 机型来说，AOA 传感器对于大气数据惯性基准系统和失速管理系统等的影响也是举足轻重的，这些系统是涉及飞行安全的关键系统。因此，航空公司大都提高了对AOA 传感器故障的重视程度，并增加了相应的实时监控手段。

1 故障描述

2019 年12 月某航一架737NG 飞机连续多日反映巡航阶段左右侧PFD 气压高度指示相差100ft 左右，误差随高度增加而变大。经过接近一个月的密集排查，故障仍未排除。虽然查询波音手册误差未超标，但已经接近容差极限（见图1），影响到飞行安全。

2 大气数据系统简介

大气数据惯性基准系统（ADIRS）为机组和飞机其他系统提供高度、空速、温度、航向、姿态和当前位置等多个重要参数。ADIRS 主要部件有2 部ADIRU、4 个ADM、2 个AOA、1 个TAT、1 个MSU、1 个ISDU 和1 个IRS主警戒组件（见图2）。

大气数据系统从皮托管和静压孔获得大气压力，通过管路输送到ADM，ADM 将气压信号转换成数字信号送给ADIRU，ADIRU 利用全压和静压数据计算飞机的空速和气压高度，由于静压孔对于静压信号的采集精度无法满足要求，因此引入静压源误差修正SSEC（SSEC 与马赫数和AOA 角度等有关），ADIRU 将修正后的空速和气压高度信号发送给DEU 和FCC，分别用于显示、自动飞行、自动油门等功能的控制。

飞机机头左右两侧分别安装了一个AOA 传感器，用于测量飞机的迎角，转化为电信号后分别送给ADIRU 和失速管理偏航阻尼系统（SMYD）。当左右ADIRU 修正高度相差大于200ft 持续5s，将在PFD 上出现ALT DISAGREE警告；计算空速相差大于5 节持续5s，将出现IAS DISAGREE 警告；当左右AOA 信号相差大于10°持续10s，将出现AOA DISAGREE 警告。

3 故障排除

查询FIM31-62 TASK875《Altitude Disagree-Fault Isolation》可知，造成该故障的可能原因如下：

1）EFIS 控制面板上气压没有设置相同的值。

图1 大气数据容差检查表

图2 大气数据系统组成

2）全压、静压管路的堵塞、潮湿、渗漏、走向异常。

3）外部探头加温异常，如皮托管、TAT、AOA 叶片的加温功能失效。

4）飞机部件故障，包括全压ADM、静压ADM、ADIRU、AOA叶片等。

5）飞机线路故障。

排故中多次更换了相关ADIRU、静压ADM、动压ADM 等部件，吹洗相关动静压管路，检查管路走向均正常且无渗漏，但误差情况仍没有缓解。

排故人员怀疑是一侧的AOA 角度异常致使静压源误差修正SSEC 错误，进而导致单侧气压高度存在误差。为了隔离AOA 传感器故障的可能性，根据QAR 数据译码，分析了多个航段的飞行参数，未发现迎角数据异常；按照AMM 手册进行了AOA 传感器的安装测试，读取AOA 角度均准确。排故陷入僵局。

排故人员并未就此放弃，通过自动油门系统测试页面读取到上段左右迎角平均差值1.99°，而提示平均差值不能超过1.5°（见图3 左侧图），由此印证了排故人员的怀疑。

为了进一步判断故障，使用外部工具将两侧AOA 传感器都固定在0°，从SMYD 计算机读取迎角数值，分别是-0.2°、-0.2°，符合手册要求。但通过数字飞行控制系统“DFCS BITE-EXTENDED MAINTENANCE-SENSOR VALUES-DIGITAL SIGNALS-ADIRU-LCL（ADC-BUS）”页面查看ALPHA数据，发现左侧为-4.3°，右侧为-0.2°（见图3 右侧图），说明两侧迎角数据有较大差值。继续设置多组AOA 传感器角度进行测试，发现左侧迎角数据均存在较大误差。为了验证故障情况，转动左侧AOA 传感器，使得DFCS BITE 读取到的左右ALPHA 数值一致，此时使用大气数据测试仪进行模拟测试，分别打压到5000FT、15000FT、25000FT、35000FT 检查气压高度，显示均一致，故障现象消除，由此确认故障原因是左侧AOA 传感器发送给ADIRU 的迎角错误。更换左侧AOA 传感器后，故障得到了彻底排除。

图3 A/T BITE和DFCS的ALPHA数值

4 故障分析

飞行时，AOA 传感器的叶片在气流的作用下飞起，计算出飞机相对于气流的迎角。分析波音737NG 飞机统一使用的古德里奇公司生产的0861FL1型AOA 传感器资料可知，一个AOA传感器内部包含两个电解算器（见图4），飞机左侧AOA 传感器的两个解算器通过AOA 传感器本体的两个电插头分别将迎角数据送给左侧ADIRU1 和SMYD1，右侧AOA 传感器的两个解算器分别把迎角数据送给右侧ADIRU2 和SMYD2。

本次故障原因是左侧AOA 传感器给ADIRU1 提供信号的解算器故障，导致ADIRU1 和ADIRU2 接收到的迎角角度不一致，使计算静压源误差修正SSEC 存在误差，经过修正后也就出现了左右PFD 气压高度不一致的现象。

将拆下的左侧AOA传感器送修后，厂家给出的检测报告简述是：检测发现该件静摩擦力测试和精度测试通不过，主要表现为静摩擦力在整个行程范围内不均匀，且超差；2号解算器角度增大3°多（要求不超过±0.20°），与1 号解算器在相同位置相比较，两组角度最大相差3.6°（要求不超过0.25°），超过限值。 确认故障原因为2 号解算器角度出现偏差。疑似内部齿轮组机械间隙、摩擦力发生变化，导致2 号解算器角度出现 偏差。

5 总结

1）波音图纸S233T913 设计规范说明，空速在95±5 节时AOA 传感器应在气流作用下摆到气动零角度的0.25°范围内。由于飞机必须达到一定的速度才能使AOA 摆到气动零角度，在空速小于75 节时，ADIRU 视AOA 的角度输入为无效值，不作为计算的一个参数，因此飞机在地面滑行或停放时AOA 传感器角度不一致并不会导致任何故障现象的出现。而空中AOA 角度错误将影响ADIRU 计算下列参数或功能：计算空速、马赫数、气压高度、飞行航路角、飞行航路加速度、惯性高度、惯性垂直速度、推力计算等。错误的AOA 信号可能导致下列驾驶舱效应：PFD 上显示错误的空速和气压修正高度、潜在错误激活一侧抖杆功能，PFD 出现不正确的低速琥珀色速度带和俯仰限制指示、自动驾驶断开警告（灯光和音响）、自动着陆能力降级信息、感觉压差灯点亮、虚假的风切变警告等，对于选装AOA 指示软件的飞机PFD 会出现错误的AOA 角度指示。另外，当无线电高度大于400ft 且空速大于60 节时，DEU探测到左右ADIRU 的AOA 信号不一致，相差大于10°超过10s 将触发AOA DISAGREE 警告。

图4 AOA内部原理图

2）AOA 传感器内部有两个解算器，分别给ADIRU 和SMYD 计算机提供迎角信号，而飞机QAR 系统仅从SMYD采集迎角数据。对于此案例，AOA 传感器负责给SMYD 提供信号的解算器是没有故障的，译码分析迎角参数时不会发现异常。因此，对于AOA 传感器的排故，不能仅通过数据译码的方法进行判断。

3）波音当前的737NG 和737MAX维护手册存在一定缺陷，对于AOA 传感器的检查测试程序均只是通过SMYD数据接口进行角度测试，缺失对ADIRU数据接口的测试程序。而据AOA 传感器维修厂家反馈，AOA 传感器单个解算器数据错误的情况并不罕见，当前的维护手册无法发现这类故障，存在较大安全隐患。我司排故团队采用从数字飞行控制系统DFCS 数据接口读取迎角参数的方法可实现对ADIRU 数据接口的检查，在实际排故中具有重要作用。我司将此情况反馈给波音，波音接受并采纳了此方法，并于2020 年1 月31 日改版了737MAX 飞机AMM 手册，在“Angle of Attack Sensor System Test”程序中添加了此方法，同时在2020 年6 月15 日改版737NG AMM 手册时也加入该检查程序。其他航空公司的维护人员也应注意核实波音是否在客户化维护手册中更新添加了该检查程序。