A320 系列飞行数据记录器工作原理浅析

■ 冷宇嘉 冯琦 李振江/北京飞机维修工程有限公司

1 飞行数据记录器简介

飞行数据记录器（FDR）是记录飞行状态、操纵状态，以及与航空器、发动机有关信息的机载自动记录装置，具有一定的抗冲击、耐高温、抗化学腐蚀的保护能力，以在飞机发生飞行事故后获取所记录的数据。FDR 的设计必须符合适航当局（民航监管机构）的强制性记录要求，使运营商能够履行法规规定的运营人职责，如EU-OPS（JAR-OPS）、FAR121.344 和其他国家法规[1]。

早在20 世纪40 年代世界各国已先后开始飞行数据记录器的研制工作，50 年代时多国将其列为飞机的必选设备[2]。1957年，美国民用航空署（CAA）要求从1958 年7 月1 日起，质量大于5670kg（12500lb）、 飞 行 高 度 大 于7620m（25000ft）的运输机必须装备飞行数据记录器，飞行数据记录器由此正式在飞机上装备使用[3]。中国民用航空局也在CCAR-91 部中明确了对于FDR 的具体要求。FDR 从最初只能记录高度、空速、航向、垂直加速度和时间等5 个参数发展到记录更多的参数种类，记录介质也从最初的胶片、钢带、磁带发展到固态存储器（SSFDR）。各OEM 厂家以及各国局方都制定了关于飞行数据记录的参数标准[4]，对FDR 在航空器坠毁后的幸存防护标准则从TSO C-51 逐步提高到TSO C-124c。中国民航局颁发的FDR 的标准规定CTSO C-124c 于2016年8 月4 日正式生效，规定了FDR 为获得批准和使用适用的CTSO 标记进行标识所必须满足的最低性能标准。FDR的用途已从发生特殊事故时的调查扩展到飞机维护保障和对飞行员飞行驾驶技术的考核评估。

2 A320 系列飞行数据记录系统

2.1 DFDRS 系统概述

A320 系列飞机上的飞行数据记录器也被称为SSFDR（固态飞行数据记录器），属于DFDRS 系统（数字式飞行数据记录系统）的一部分。在较新的A320 系列机型中，对飞机系统数据的搜集、记录以及各种数据报文的生成、管理等功能进行了综合，主要由飞行数据接口管理组件（FDIMU）进行控制（包含FDIU 和DMU 两个部分）。因此，在DFDRS 系统中，作为核心部件的FDIU（飞行数据接口组件）接收和处理来自飞机系统的各种数据信息，并对采集到的信息进行格式转换后传输给SSFDR 用于强制的数据存储。同时，CFDIU（集中式故障显示接口组件）也与FDIU 相连，用于系统测试和故障数据采集。SSFDR 是固态的飞机数据存储设备，可存储FDIU 收集的最近25h 的飞行系统数据，SSFDR 记录以FIFO（先进先出）方式管理（一旦达到完整的记录自主权，最老的数据将被覆盖）。因此，发生特殊事件后，通常第一时间要求拆下数据记录器下载飞行数据并解析，以防止数据被覆盖。DFDRS 系统与其他辅助设备也存在关联，例如，线性加速度计（LA）用于测量飞机在3 个轴向的加速度，通过SDAC（数据采集集中器）的模数转换后，将信息发送给FDIU。图1 为DFDRS 系统概图，其中“DFDR event”电门位于驾驶舱头顶板区域，用于对飞行员某时刻存储在SSFDR 内的飞行数据进行事件标记[5]。

图1 DFDRS系统概图

SSFDR 的记录配置和记录参数的精度取决于以下因素：

1）飞机型号；

2）选择安装的记录设备（FDIU 的硬件和软件构型，SSFDR 的硬件和软件构型）；

3）源系统接口与精确的飞机接线配置；

4）飞机上程序销钉设置的选择（如每秒64、128、256、1024 字节）。

在A320 飞机上可以进行以下记录构型的配置：

1）64WPS（每秒字数）配置；

2）128WPS 配置；

3）256WPS 配置；

4）1024WPS配置（源自新的法规要求，即FAR 修正案25-124 和121-338《修改对语音记录器和飞行数据记录器的规定》）。

2.2 SSFDR 的工作逻辑

SSFDR 的记录通过启动和停止供电继电器进行逻辑控制，该逻辑基于数个输入信号，包括直接的发动机控制以及空/地信息（供电内锁环路逻辑）。

当飞机处于以下条件之一时，SSFDR 自动进行数据记录（需保证汇流条提供115V 交流电源）：

1）飞行中，发动机运行或停止；

2）地面上至少有一个发动机在运转；

3）在飞机电力网络通电后的前5min；

4）在发动机最后一次关闭后5min 且在地面。

在A320 系 列飞机上，用于控制SSFDR 的 启 动/ 停止逻辑的发动机控制信号可通过继电器12KS1 和12KS2 获得，这两个继电器分别由EIU1 和EIU2 提 供 控制指令（由1 发和2发分别提供与滑油低压OIL LOW PRESS 对地的GND 有关的信号，即发动机是否给出滑油低压力的信号）。这一信号的触发在A320 系列飞机不同选型的发动机之间存在差异。例如，A320 系列的IAE 发动机上为60psi，而CFM 发动机为13psi。因此，当发动机第一次启动且转速N1 和N2 达到一定阈值（N1 为15%，N2 为40%），才开始激活SSFDR 的数据记录。

另一种记录方式是人工激活，即飞机在地面时所有发动机停止工作（此时飞机由APU 或外部电源供电），机组或地面人员可以通过使用RCDR/GND CTL 电门，激活供电内锁环路继电器，使SSFDR 开始飞行数据的存储。

3 SSFDR 供电逻辑介绍

由于SSFDR 和各辅助系统的正常工作需要连接到飞机供电系统的各个电源汇流条，在分析SSFDR 工作原理时需分析飞机电源系统的供电逻辑。

3.1 飞机系统供电

A320 系列飞机的供电系统包括一个三相115V/400Hz 恒频交流供电系统和一个28V 直流供电系统。在正常状态下，电源系统由2 台发动机的发电机和1 台APU 发电机组成。由于A320 系列飞机供电网络为非并联供电，每台发电机均可为所有电气汇流条提供交流电源，如果正常的交流电源不可用，一台应急发电机可提供交流电源。当飞机处于地面时，外接电源可连入飞机供电网络进行供电，如图2 所示。

图2 飞机供电网络

在正常状态下，1 发的IDG 负责对主交流汇流条AC BUS 1、交流重要汇流条AC ESS BUS 以及交流可卸载重要汇流条AC SHEDDABLE ESSENTIAL BUS供电，2 发负责主交流汇流条AC BUS 2的供电，APU 发电机作为备用供电。

供电网络的电源选择优先级依次为：本侧发动机的发电机；外部电源（飞机在地面时）；APU 发电机；对侧发动机的发电机。

各个发电机通过主交流汇流条AC BUS 1 和AC BUS 2 来覆盖所有的飞机系统用户的供电网络。AC BUS 1 和AC BUS 2 的供电源选择通过汇流条连接接触器BTC 1 和2 对供电网络进行控制，以便当任一发电机失效时可由另一台发电机或APU 发电机对AC BUS 1 和AC BUS 2 供电。在驾驶舱头顶板的电源面板区域设有一个BUS TIE 电门，该电门负责对BTC 1 和2 进行控制。正常情况下BUS TIE 电门处于按入位置（AUTO位），可自动根据电源网络的供电情况控制BTC 1 和BTC 2 的闭合或断开。

例如，当2 发的发电机失效，只有1 发工作时，BUS TIE 电门会自动通过相应继电器控制BTC 1 和BTC 2 闭合，将1 发发电机的电源供给到AC BUS 2。若2 发的发电机失效时1 发和APU 发电机均在工作，BUS TIE 电门会自动控制BTC 1 断开，BTC 2 闭合，此时AC BUS 1 由1 发供电，AC BUS 2 由APU供电。1 发失效时的供电逻辑同理。

A320 系列飞机供电系统中还包含应急发电机，可在紧急情况下为飞机的重要系统供电。但由于应急发电机仅在其他发电机系统都失效时才能工作，且只为交流重要汇流条AC ESS BUS 和DC ESS BUS 供电，因此当双发发电机及APU 发电机均失效的情况下，飞机的供电网络中只有与AC ESS BUS 和DC ESS BUS 关联的系统用户才能获得供电，其他汇流条的网络用户（如仅与AC BUS 1 或AC BUS 2 连接的系统用户）均无法获得供电。

3.2 DFDRS 系统供电

FDIU 的主硬件FDIMU 是通过交流正常汇流条AC-NORM 的202XP 提供115VAC 电源。SSFDR 同样通过交流正常汇流条AC-NORM 的202XP 提供115VAC 电源。SSFDR 的工作逻辑受到供电内锁环路（power-interlock）的控制。供电内锁环路的控制继电器通过直流重要汇流条DC ESS BUS 提供28VDC 电源，如图3 所示。

图3 DFDRS供电图

4 SSFDR 工作原理总结

4.1 DFDR 系统的工作供电逻辑分析

通过对SSFDR 的供电分析可以看出，SSFDR 与FDIMU 的工作电源均由交流汇流条202XP 提供。而202XP 汇流条属于AC BUS 2 的汇流条用户，因此202XP 的供电情况与AC BUS 2 存在直接关联。

供电内锁环路的电源来自401PP，直接与DC ESS BUS连接，可通过AC BUS 1、AC BUS 2 或应急供电网络进行供电。

4.2 总结

通过对DFDRS 系统供电逻辑分析可知，SSFDR 正常存储飞机数据的工作条件如下：

1）DC ESS BUS 需正常供电，供电内锁环路继电器正常工作，以确保SSFDR 的工作逻辑正常；

2）202XP 汇流条需正常供电，以保证FDIMU和SSFDR硬件的正常工作；

3）双发发电机及APU 发电机至少有一个正常工作，可为AC BUS 2 汇流条供电，以此保证202XP 汇流条供电正常。

综上，当双发发电机及APU 发电机中至少有一个正常工作时，可确保SSFDR 正常记录飞机数据；当处于特殊紧急情况，如双发发电机及APU 发电机均无法正常工作时，虽然DC ESS BUS 仍可通过应急发电机正常供电，供电内锁环路工作逻辑正常，但AC BUS 2 已无法正常工作为202XP 汇流条供电，SSFDR 与FDIMU 均无法工作。

因此，虽然FDR 对于飞行事故的事后分析与甄别具有重要意义，通常情况下即汇流条保证115V 交流电时能够正常完成飞机数据记录与保存，但在极特殊情况如飞机供电严重缺失时，FDR将无法进行正常的数据保存，无法保证飞行数据的完整记录。