DA42NG飞机空调系统特点及故障分析

2022-09-06张一夫

科技创新导报 2022年12期

张一夫

（中国民用航空飞行学院新津分院四川成都 611430）

DA42NG 飞机作为一款国外研制、国内生产组装的轻型双发飞机，已在国内通航领域广泛使用，其采用的座舱空气循环冷却系统（RACC，以下简称空调系统）为飞机座舱提供适宜的温度、流量稳定的清洁空气，保证了机组和乘客的舒适度，因而深受用户的喜爱和依赖。

本院DA42NG 飞机自运行以来，由于空调系统存在运行条件限制、选装构型差异、技术资料缺少等方面的问题，空调系统的正常与否成为了影响该型飞机运行品质的重要因素。根据故障数据统计，空调系统的故障率居前，约占总故障的8%。由于DA42NG飞机是学院新一代中教训练的主力机型，降低空调系统的故障率，提升空调系统的维护能力，对保障学院飞行安全和训练任务完成具有重要意义。

1 飞机空调制冷系统的分类

根据民用飞机的运行特点和性能要求，空调制冷系统的设计既要满足舱内人员对温度的要求，又要保证空调设备工作的可靠性。现代民用飞机空调系统根据制冷原理的不同，主要分为空气循环制冷式和蒸发循环制冷式［1-2］。空气循环制冷式空调系统通常配备有一套空气循环机用于制冷，通过热交换和热/动能转换的方式使发动机引气的温度降低，而且整个过程不需要制冷剂的参与，气体没有蒸发与冷凝。蒸发循环制冷式空调系统是利用液态制冷剂的物理变化来吸收空气中的热量，使进入座舱的空气温度显著降低，从而达到冷却的目的。

随着航空工业的发展，蒸发循环制冷技术以其制冷能力强、冷却效率高、经济性好、代偿损失小等优点，在轻型飞机上得到了广泛应用，但同时也面临着其固有的可靠性差和制冷剂泄漏等问题［3］。

2 DA42NG飞机空调系统概述

DA42NG飞机的空调系统采用了电驱动式蒸发循环制冷技术，通过一台独立的直流发电机供电，是一套独立的飞机子系统，且仅具备制冷功能。

2.1 空调系统组成

DA42NG飞机的空调系统采用典型的蒸发循环制冷式结构，由制冷循环单元、控制单元、供电单元、流通单元4个部分组成。液态制冷剂采用R134a。

制冷循环单元为位于飞机尾舱的空调组件，包括压缩机、电子控制模块、冷凝器、蒸发器、冷凝器风扇、蒸发器风扇及相关制冷管线路。其中，电子控制模块作为整个空调系统的核心控制元件，将根据空调控制面板的设置来控制制冷回路的阀门和压缩机的工作。

控制单元为位于座舱左侧壁板上的GL-F700型空调控制面板，用于显示座舱温度、控制空调系统电源供给、调节座舱温度和空调出风量。同时，空调控制面板连接有一个温度传感器，用于对比人工设置温度与座舱环境温度的差异，从而控制制冷循环单元的制冷功率。

供电单元为安装于左侧发动机的一台交—直流发电机，额度电压为28V，最大工作电流为65A。发电机通过一台Lamar VR2000 高频式调压器控制并向空调系统供电。为保证空调压缩机工作于一个稳定的电压范围，调压器有一根电压敏感线连接到空调系统的汇流条，当系统电压异常时，调压器将切断发电机故障继电器，从而断开空调系统的电源供给。

流通单元为位于座舱顶部和尾舱的冷、热空气流通管路，包含了冷凝器、蒸发器等设备的局部导流风扇，以及可以调节风量的可控阀门、管路等。

2.2 空调系统工作原理

DA42NG飞机的空调系统主要分为制冷回路和流通回路（见图1）。空调的电子控制模块根据空调控制面板的设定来控制整个系统的工作。

图1 DA42NG 飞机空调系统示意图

制冷回路是飞机空调系统的核心，由制冷循环单元作为执行元件。当空调控制面板设置于“ON”位且人工设定温度低于当前座舱环境温度时，制冷回路被激活，压缩机开始工作。低温、低压的气态制冷剂通过电驱动式压缩机中被加压成高温、高压的气体，通过冷凝器冷却为中温、高压的液体，通过干燥器吸收水分并过滤杂质，然后通过膨胀阀的流量控制变为低温、低压的液体，最后制冷剂在蒸发器中沸腾并相变为低压、低温的气体，并再次回到压缩机中开始下一个循环［4］。

流通回路主要分为制冷循环单元的热交换部分和冷气输出部分。当空调系统开始工作后，冷凝器的风扇启动并将飞机内、外部的常温空气引入冷凝管路，然后将热交换后的高温空气排出到飞机外部。蒸发器的风扇将飞机座舱的空气引入蒸发管路，经热交换冷却后向座舱输送冷空气。由于最终通过蒸发器冷却的空气直接来自于座舱，该部分空气在座舱内部往复循环，体现了座舱空气循环冷却系统（RACC）所具备的良好制冷效果和良好经济性。

3 常见故障

DA42NG飞机的空调系统结构复杂、部附件较多，其故障现象呈现“小而散”的特点。根据DA42NG机队的运行数据，空调制冷系统的故障主要分为3类：制冷循环单元故障，电子控制系统故障，供电系统故障。常见的故障现象有空调不制冷或制冷效果不佳、制冷状态不稳定、温度控制失效、系统存在噪音等。

3.1 空调不制冷或制冷效果不佳

此类故障现象是DA42NG飞机最为常见的制冷循环单元故障，主要表现为座舱出风口无冷风吹出或出风量较小无法达到制冷效果。造成类似故障的原因较多，主要有以下几种可能：压缩机失效或不工作，冷凝器的热空气排气口堵塞，冷却剂渗漏，冷凝器失效，膨胀阀失效，干燥器组件失效，电源供给不足［5］。

其中，压缩机作为空调系统的核心，其故障率较为突出。判断压缩机工作与否，是隔离故障件的首要步骤。根据飞机线路图手册，压缩机的失效可能是由压缩机本体故障造成，也可能是高/低压力电门失效、恒温阀异常断开、空调控制面板失效、供电端故障，使压缩机控制线路或供电线路失效所造成的。

本院DA42NG飞机在运行过程中曾出现一起典型的空调系统不制冷的案例。飞行员在运行中发现飞机空调无法制冷，通过空调控制面板可以人工调节空调风力的大小，出风口却无冷风吹出。为减少排故工作量，维护人员通过地面试车运转空调系统，人为接近位于尾舱的空调组件，初步确认空调压缩机未能正常工作。随后，在确认其电气线路、制冷剂管路无异常后，拆下空调组件，采用地面通电测试的方式，模拟空调工作状态，依次隔离故障元件并进行线路测量，最终确定压缩机JP5 插头3 号插钉未能正常通电。图2 为DA42NG 飞机空调系统供电和控制线路图。经查，DA42NG飞机采用的是Ranco波纹管式恒温阀，它感受蒸发器的表面温度，从而控制压缩机的开与停，起到防止蒸发器结霜的作用。当蒸发器出口温度上升到某一设定值时，温度开关触点闭合，压缩机工作；当蒸发器出口温度下降到某一设定值时，温度开关触点脱开，压缩机停止工作。恒温器有一个偏心弹簧调节机构，用于人工调节触点断开的温度范围（即断开时间），以便有足够的时间防止蒸发器结霜。综合故障现象和恒温阀的工作原理，本次故障系恒温阀内部通断机构性能下降而恒温阀在蒸发器未结霜的情况下异常断开所致［6］。

图2 DA42NG 飞机空调系统供电和控制线路图

3.2 空调工作不稳定

通过DA42NG飞机空调系统的工作原理和制冷机制分析，系统制冷工作不稳定多是因为空调系统的保护性停机造成。制冷循环单元的管道堵塞、制冷剂过多或过少、冷凝器风扇或蒸发器风扇散热性能下降等因素，会导致系统进入高压/低压保护状态。

安装在干燥器上的高压、低压电门，通过串联的方式共同作用于压缩机的控制线路。其中，低压电门用于防止空调系统在制冷剂压力低或外界温度低的情况下工作，高压电门用于防止制冷剂压力过高或者外界温度过高时损坏空调系统。当系统压力恢复正常后，高压/低压电门将自动恢复，并使空调系统恢复正常的工作状态。

此外，电源供给端的发电机调压器故障或自动保护也是造成空调系统工作不稳定的原因之一。本系统采用的Lamar VR2000 高频式调压器具有接地故障保护、过压保护、发电机输出感知及指示、低电压感知及指示等功能，作为空调系统供电单元的“CPU”，调压器直接关系到空调系统的工作稳定性。据统计，因调压器故障而造成空调系统失效的情况时有发生，维护人员仅需通过隔离并更换调压器后故障即能排除。由于调压器相关技术资料的缺乏，尚不能明确具体的故障成因。

3.3 温度控制失效

温度控制失效主要涉及控制单元和制冷循环单元，表现为驾驶员无法通过空调控制面板进行座舱制冷温度和出风量的调节。根据飞机维护手册，空调控制面板本体故障、制冷循环单元的电子控制组件故障、温度传感器故障是造成类似故障现象的主要原因。

在DA42NG 飞机的运行过程中，曾出现过一起因空调控制面板故障而造成空调系统失效的案例，呈现空调控制面板上的电源指示LED灯（蓝色）正常闪烁而出风口无冷风吹出的故障现象。经查飞机维护手册，电源指示LED灯点亮即表明空调系统电源单元供电正常，同时，由于GL-F700型空调控制面板具有控制蒸发器风扇的档位、控制冷凝器及风扇的供电、通过收集温度传感器和压力电门的信号来控制压缩机工作等多项控制功能，考虑其涉及多单元、多部附件的特点，出于排故工作的便利性，维护人员首先对该机空调控制面板进行了更换，后经地面通电测试，故障顺利排除。

3.4 空调系统噪音

空调系统在工作中出现异响或噪音，往往表示系统存在部附件性能下降的情况。其中，风扇部件的运转震动、制冷管路的介质堵塞导致流通不畅、送风管路破损等问题都可能造成故障的出现。

4 空调系统维护建议

DA42NG 飞机的空调系统工作原理看似简单，但涉及的部件繁杂，任一部件的失效或性能下降都会导致整个系统的故障。因此，在诊断空调系统故障时，维护人员需要思路清晰，在熟悉掌握空调系统组成特点和工作原理的基础上，明确故障现象，区分故障单元，排查疑似部件，从易到难，从简到繁，逐步隔离故障，从而最终准确排除故障。

根据DA42NG飞机维护手册的推荐和实际维护保障经验，常见的故障诊断方法可分为辨、看、听、摸、测。

辨，维护人员需要第一时间了解飞行员在空调系统使用过程中所遇到的问题，并根据实际情况进行空调系统的运转验证。通过验证，全流程、全功能操作空调系统，记录故障现象，辨别可能存在故障的部件或单元，缩小故障范围。

看，针对故障率较高的制冷循环单元，维护人员首先需要查看相关控制跳开关、制冷剂管路、电气线路是否存在断开、渗漏、脱落等异常情况。观察冷凝器、蒸发器及管路连接处是否有油污，如有，则说明有制冷剂泄漏。检查部件和管路是否存在结霜、结冰的现象。若系统制冷效果不佳，需要着重检查冷凝器热交换管路和蒸发器热交换管路是否存在表面脏污、堵塞的情况，并对风扇部件的状态进行检查。

听，需要维护人员在空调运行状态下进行甄别，区分判断噪声的来源与产生原因。噪声可能来源于工作异常的压缩机，或者存在机械故障的部件风扇，此种方式需要维护人员具备一定的维护经验，准确定位故障点。

摸，在运行空调组件一定时间后，用手触摸系统部件，感受部件运转情况及制冷循环单元的温度变化情况。根据空调系统的工作原理，压缩机、冷凝器、膨胀阀的进出口管路应有一定的温度差异。其中，冷凝器出口温度应明显低于进口温度，而干燥器的进出口管路不应有明显温度差异。

测，对于空调系统的制冷回路，可以采用汽车行业广泛使用的检漏仪检查各接头和管路是否存在泄漏问题。由于DA42NG 飞机的空调组件安装在尾舱，空间狭窄，不便于维护工作的开展，若是将其拆下则无法通过飞机电源系统进行供电，因此，需要使用一款集成电源供给和控制面板（含温度传感器）的DA42NG飞机空调系统专用地面测试台用于系统故障的隔离和排除［7］。通过该地面测试台，维护人员可以直接对离位的空调组件进行全功能测试，模拟故障现象，并观察空调系统部分件的工作状态，及时测量电气线路的通断情况。