基于波音787 飞机电子冷却系统的空气滤芯动态监控手段

■ 梁剑武 梁伟杰/中国南方航空股份有限公司工程技术分公司

0 引言

随着航空器综合航电技术的不断发展，飞机航电系统集成化程度进一步提高，尤其以波音787 和空客A350 为代表的机型大量采用集成模块化计算机，涵盖了飞机大部分系统，飞机携带的电子设备种类和数量达到前所未有的水平，这也使航电设备的发热量越来越大，相应的防护要求越来越高，电子设备的散热问题日显突出。由于电子设备冷却系统跟不上航电技术的发展速度，飞机仍采用风冷散热方式对电子设备舱进行冷却，导致设备冷却系统内部的空气滤芯的污染程度直接影响冷却效率，需定期更换空气滤芯才能确保航电系统的可靠性。

本文基于波音787 飞机远程诊断系统，建立空气滤芯污染状况监控系统，通过设定相关参数标准，判定滤芯污染程度，找到最优的滤芯更换时间点，在保证航电系统可靠性的同时提高滤芯更换的合理性。

1 飞机设备冷却系统空气滤芯基本作用

民用飞机电子设备的冷却主要通过飞机设备冷却系统实现，一般采用风冷却方式，即采用自带风机通过供气管抽取空气流经电子设备将热量排出机外。在此过程中，空气中的颗粒（如杂质、灰尘、粉尘等）会随空气进入电子设备舱，同时，电子设备工作时产生的大量静电会引起灰尘积聚，造成电子设备散热不畅，还会影响各模块板卡的接触，甚至加速电路板的腐蚀，因此，在飞机冷却系统管路进口处设有微米级空气滤芯以避免上述情况的发生。以波音787飞机为例，空气滤芯精度达到50μm 标准（见图1）。

图1 波音787飞机空气滤芯

当空气滤芯被污染到一定程度（见图2），将影响气流进入供气管路，进而影响通风冷却效果，空气颗粒的过滤效果也会下降。因此，飞机需要定期更换空气滤芯，以保证设备冷却系统的工作效率。

图2 受污染的空气滤芯

2 空气滤芯更换间隔周期的设置

波音公司要求787 飞机以每8000FH 间隔更换空气滤芯，厂家反馈该更换间隔标准是基于美国空气质量而制定，即基于美国本土或美欧航线的长期航行数据得出。中国空气质量总体逊于欧洲和北美地区，美国的PM2.5 标准更严格，例如，PM2.5日均浓度值35 ～75μg/m³，按中国标准为良，按美国标准为中度污染（见表1）。因此，不能把波音公司提供的更换标准直接套用于中国运行的飞机。

表1 中美空气污染标准对比

由于前期没有数据样本，我司通过现场抽样记录以及借鉴其他机型的操作情况，以“一刀切”的方式将更换空气滤芯的间隔设置为4000FH（波音标准的一半）。后续通过多次抽样、分析、调整，但均无法找到恰当的更换周期间隔，原因是我司787 飞机为多地运行，涵盖广州、新疆、北京、武汉等城市，因各城市的空气质量不同，使得在相同运行周期内不同地域运行的飞机的空气滤芯受污染程度不一样，南方地区执管飞机的空气滤芯污染情况普遍较轻。另外，抽样发现空气滤芯的污染状况与航路有关，我司机队的运行情况是787-8飞机通常执行国内航线，787-9 飞机通常执行国际航线，在相同的运行周期内787-9 飞机的空气滤芯污染程度较轻。因此，有必要对波音787 飞机冷却系统空气滤芯污染程度引入动态监控的方式。

3 监控系统合理性分析

飞机设备冷却系统（见图3）是指对电子设备架上的电子设备进行冷却的装置，还包括对驾驶舱的面板及主仪表板的冷却。波音787 飞机装有前设备冷却系统和后设备冷却系统，系统基本组成相同，包括冷却供气管路和冷却排气管路，主要功能元件为供气/排气风扇、空气流量传感器和气动排气活门。在设备冷却系统中，流量传感器用于探测管道冷却空气流量变化，可侧面反映出空气滤芯的堵塞情况。

图3 飞机冷却系统

抽样选取一架787-8 飞机和一架787-9 飞机的前设备冷却系统管道空气流量值的三年动态数据（见图4），得出的数据和理论相符。空气滤芯随着使用时间发生堵塞，管道中的空气流速下降，当冷却空气流量不足时，流量传感器将触发警告，更换新的空气滤芯后，管道内流速恢复高位值。因此，可通过监控设备冷却系统中空气流量传感器的流量值参数来判断空气滤芯的堵塞情况，进而更换空气滤芯，实现动态管理。

图4 电子设备舱管道空气流量值与滤芯使用时间的关系

4 设定设备冷却系统流量传感器的门限值

波音787 飞机的系统参数储存在飞机状态监控系统（ACMS）中，经查询，设备冷却系统的流量传感器参数位于AHM-340 Report 报表。统计2015 ～2020 年间我司波音787 机队前设备冷却系统进气管道流量传感器参数值，以此为样本建立数据库模型（见图5），计算流量参数的最低值、最大值和平均值，分别为28ppm、62ppm、46ppm。根据波音公司提供的冷却系统空气流量设置门限表（见图6），随着客舱压力的升高，空气流量门限值也升高，当客舱压力为15psi 且客舱温度在15℃时，流量阈值位于26 ～27ppm 之间。另外，我司从运行787 飞机以来，从未发生过因滤网堵塞而导致的设备冷却系统流量低警报。因此，结合我司运行数据和波音提供的设置参数，将前设备冷却系统流量的门限值设置在28psi 较为合理。

图5 前设备冷却系统进气管道流量传感器参数

图6 前冷却系统空气流量设置门限表

5 结束语

目前国内各民用航空公司运营的飞机以欧美生产的空客、波音飞机为主，占我国民用飞机数量近90%，但原厂制定的方案多基于该国本土情况考虑，我国航司不宜照搬，而是应制定适合自身的方案。本文以设备冷却系统为案例，对空气滤网堵塞情况进行统计分析，获取最佳的滤芯更换时间点。每个机型上都有许多类似的空气滤网，均可采用此方法建立滤芯的动态监控系统，对滤芯的运行数据进行记录，绘制出其流量值/飞行小时图表以及其正态分布图，找出飞机空气滤芯对应的最佳更换周期。

本方法可推广至每个机型/型号飞机的空气滤网中，基于飞机系统对维修方案进行优化，以科学的监控手段减少盲目更换滤芯，减少不必要的更换工时，最终达到降低航空公司的运营成本的目的。