QAR 数据分析在ARJ21 飞机故障诊断中的应用

■ 曾家祥 陈传锐/成都航空有限公司

0 引言

国产ARJ21-700 支线客机于2016年6 月开始商业运行。成都航空有限公司是全球首家用户，目前也是该机型的最大运营人。截至2022 年6 月，成都航空共有ARJ21 飞机24 架，已累计安全飞行94986h、53446 架次，机队运行状态逐步提升。成都航空在探索运行和示范运行的过程中，深入钻研飞机系统原理，大胆尝试和创新，既积极推进ARJ21 型号的持续优化，又充分夯实维修能力、分析能力，创新能力稳步提升。在维修新技术手段的应用上，依托现有的机载飞机状态监控系统（ACMS）和飞机通信寻址报告系统（ACARS）等数据进行分析和监控，可以对飞机的实时技术状态进行有效控制，结合QAR 数据分析，对重大和疑难故障进行诊断，对存在的故障隐患趋势进行预测，变恢复性维修为预测性维修，最终达到精准维修的目的。

1 ARJ21 机型WQAR 系统简介

1.1 设备介绍

A R J 2 1-7 0 0 机型装备了一台Teledyne 公司的无线快速存取记录器（WQAR）计算机，该计算机也广泛应用于空客A320 系列及波音737 系列飞机。WQAR 具有记录和下载功能，内置储存卡，可存储飞机实时监控管理组件（RTMU）传输来的飞机参数，并发送到外置CF 卡备份。当飞机在地面满足条件时，WQAR 会自动通过移动通信网络将数据传送至指定服务器，当无线传输功能不可用时，可人工取下CF 卡获取数据。这些加密数据经专用软件译码方可使用。WQAR 数据传输如图1 所示。

图1 WQAR数据传输示意图

1.2 工作逻辑

WQAR 的数据发送并不是实时进行的，需要飞机在地面满足相应的条件后才能触发，记录和发送数据的逻辑受以下信号控制，进而实现记录和发送功能。

1）当飞机在空中或者至少有一个发动机燃油切断开关置于RUN 位时，WQAR 内部锁锁定，RF 模块断电，开始记录。

2）当飞机在地面且两个燃油切断开关都置于OFF 位，内部锁解锁，RF模块通电，WQAR 访问移动网络将存储的飞行数据发送到地面服务器。WQAR记录和发送功能逻辑如图2 所示。

图2 WQAR记录和发送功能逻辑图

2 QAR 数据分析和应用

2.1 QAR 数据分析方法

地面工作人员获得QAR 数据后，需使用专门软件对加密的数据进行译码。

目前使用较多的译码软件有Air-FASE、TDRS II 和AGS 等，使用方法见供应商说明书。

2.2 QAR 数据在维修方面的用途

根据厂家提供的WQAR 信息，目前ARJ21 飞机QAR 数据采用1 秒/次的采样率，记录的主要系统可译码的连续、离散参数值共计873 项。

在飞机维修方面，WQAR 数据有以下作用：

1）飞机状态分析。飞机在空中出现警告信息，受条件限制或系统逻辑等原因无法在地面复现时，可运用QAR参数译码，查看系统在空中时各系统参数情况，以确认飞机状态。

2）精准排故。从飞机状态监控系统（ACMS）获取触发的故障信息，结合相应系统的QAR 参数，分析并捕获系统异常，进行精准排故。

3）参数监控。运用译码软件建立模型，连续监控飞机某系统参数，如起落架刹车、飞控舵面、发动机滑油温度、发动机振动值等参数，在系统出现不良趋势、达到超限值之前，提前介入进行维修工作，减少非计划性停场时间。

3 应用案例

3.1 QAR 数据协助判断起落架实时状态

2019 年某机在进近过程中触发红色警告“LANDING GEAR”，持续1s 左右。飞机构型：AP、AT 接通状态，进近中襟缝翼形态2，气压高度2600ft 放轮，进入襟缝翼形态3。“LANDING GEAR”代表飞机在进近着陆构型下起落架未放下锁定。该信息给后续运行带来困扰，为判断能否正常放行，根据当时飞机的构型状态进行分析。

一般地，同时满足以下条件时触发该警告。条件一：高度信号、襟翼位置、起落架位置。在两部无线电高度都无效，且襟翼位置>23.5°（3 卡、4 卡）时，某一起落架未放下锁好；条件二：发动机油门杆位置。双发工作，两个油门杆角度（TLA）<50°；或单发工作，工作侧发动机TLA<68°，另一侧发动机

TLA<27°。

如表1 所示，通过译码QAR 相关数据得知，在3：52：11 时，飞机气压高度为2880ft，机组操作起落架手柄到放下位，操作襟缝翼手柄从2 卡到3卡。在3：52：20 时，第4 列数据表明无线电高度无效（因无线电高度大于2600ft，会始终输出2600ft，且系统判定为无效），第5 列数据表明此时飞机襟翼角度为23.8°，第11 列数据表明起落架未放下锁定，由此满足条件一；查看第9、10 列参数，双发油门杆角度均小于50°，从而满足条件二，符合着陆构型警告逻辑的触发条件，因此系统触发“LANDING GEAR”警告；1s 后起落架放下并锁定，警告消失。

表1 QAR起落架警告逻辑相关数据

对比飞机实际构型与警告触发逻辑可知，因飞机状态满足相关逻辑，随之触发“LANDING GEAR”红色警告。译码分析可以得出结论：该警告信息并不是故障警告，而是满足逻辑的状态提示。后续起落架放下锁定后警告消失，飞机正常落地，进一步说明了飞机各系统工作正常，符合设计逻辑，无需排故，飞机可正常放行。

3.2 QAR 数据精确定位刹车故障

2021 年某机起飞后出现自动刹车故障警告，同时查看中央维护系统有“BRAKE CONTROL SYSTEM：LOB SPINDOWN FAIL”信息，该信息表示飞机在起飞离地收轮后，刹车控制组件（BCU）检测到左1 号轮转速未下降。查询故障隔离手册，可能的故障原因为：左1 号轮速度传感器、BCU、左1 号轮刹车控制阀或左1 号轮刹车管路有异物，导致控制阀工作受影响。

自动刹车系统故障可能直接影响飞机最大起飞/着陆重量以及机组对落地跑道长度的评估，甚至可能导致飞机冲出跑道。根据系统原理，起落架收上时刹车系统会输出一定压力使机轮止转，系统工作逻辑为：当起落架手柄到达UP 位5s 后，四个主轮刹车输出不超过1500psi 的压力，5s 内将机轮刹停；触发警告逻辑为：刹车启动4.5s 后若检测到任一机轮速度大于20kts 且持续超过20ms，则触发止转刹车失效警告。

由于刹车系统复杂，涉及部件众多，按手册对部件一一隔离费时费力，因此利用QAR 译码分析刹车系统各参数情况。

如表2 所示，经过QAR 译码得知，从7：08：35 开始，飞机2、3、4 号刹车逐步输出压力直到超过1000psi，在3s 内将三个机轮转速从大于13kts 到刹停；但1 号轮刹车压力不足，导致1 号轮转速下降慢，超过刹车系统允许限制值，进而触发警告。由此可知，主要故障原因是1 号轮刹车压力不足，可以排除轮速传感器、BCU 故障。后续检查刹车油路无气泡、无杂质，更换该侧刹车控制阀，该机未再出现自动刹车警告，表明故障已彻底排除。

表2 QAR刹车止转警告相关数据

本次排故经过QAR 数据分析，精确锁定故障源头，节约了人力和器材，减少了停场时间，排故精准高效。

3.3 通过QAR 监控关键参数以提前干预

发动机监控一般通过ACMS 报文实现，该报文是发动机某一状态的瞬间快照，ARJ21 飞机在起飞、巡航阶段均会实时传送发动机报文到地面；QAR 数据记录的是发动机工作的全过程，数据更详尽，连续性更强。

在飞机系统中，发动机系统的健康管理尤为重要，如发动机涡轮级间温度（ITT）趋势监控、滑油温度监控、滑油量监控、发动机N1/N2 振动值监控等都需要通过译码软件建立一个持续数据监控模型，当监控的某一参数达到预设的警戒值时会进行相应的提示或报警。

ARJ21 安 装 了 两 台GE 公 司 的CF34-10A 涡轮风扇发动机，这是一款成熟型号发动机。2021 年，在利用QAR 译码进行发动机参数监控时，监测到某台发动机低压转子N1 振动值出现了阶跃点，最大值达到3.1（单位：Aircraft Units），接近其限制值4。进一步采集数据，发现最大振动值连续5 天呈上升趋势，如图3 所示。

图3 左发低压N1振动值监控

综合分析后执行排故程序。首先根据手册目视检查发动机风扇叶片，未发现损伤；随后对该发动机风扇叶片进行清洗和润滑；最后进行大推力运转振动测试，测试结果该发动机N1 振动值明显好转，最大值仅为1.1。飞机后续运行5 个航段，持续监控QAR 数据，确认振动值已恢复到正常范围。

该案例利用QAR 数据监控，预判发动机振动值的上升趋势，提前采取措施，收到了良好效果。

4 结束语

随着电子通信技术的发展以及大数据分析手段的应用，飞机维修管理也在不断创新。从2018 年开始，成都航空运用开拓性的思维模式、创新的技术手段，结合QAR 数据分析，保持机队处于良好的适航状态，确保安全性，提升正点率。在24 架飞机的规模化运行过程中，新的技术手段使维修质量更有保障，有效提升了ARJ21 机队的机械派遣率和运行可靠性。

成都航空承担国产民机探索运行、示范运行的重任。五年来，成都航空钻研飞机原理，逐步摸清机型特点，翔实反馈运行及维修过程中的经验教训，为机型的优化提出诸多合理建议，为国产民机事业做出积极贡献。