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摘要：一架波音787飞机在进近阶段出现PACK ALTITUDE limit咨询信息造成机组复飞，深入分析后发现此故障信息的触发逻辑有缺陷，由此推进厂家进行改进，提高了波音787飛机的可靠性和安全性。
关键词：波音787飞机；故障分析；潮气入侵
Keywords：B787 aircraft；fault analysis；moisture ingress
0 引言
作为波音公司最新一代客机，波音787飞机上有诸多区别于“传统”飞机的设计理念。其中，使用独立的客舱空气压缩机（CAC）为客舱环控系统提供气源而不再使用发动机引气这一方案代表了当今飞机最先进的技术。该设计一方面大大提高了发动机效率，减少了飞机的整体燃油消耗，另一方面也减少了飞机上大量的气动部件，进而减轻了飞机重量和维护成本。
新技术在带来更多便利的同时也存在一些问题。例如，潮气侵入空调系统造成系统故障的问题一直未得到很好解决，过多的水汽在飞机起飞后可能冻结空气循环机（ACM）的涡轮叶片，既会造成相关部件故障，也会使空调系统流量短时间内骤变，引起CAC喘振，进而使整个空调组件不工作。当飞机进近高度低于1000ft时，如出现PACK ALTITUDE limit咨询信息，机组常因准备时间不足而复飞，影响飞行安全。针对此情况，海航航空技术有限公司（海技）787工程团队通过深入分析该系统的整体设计，发现了飞机软件设计的逻辑缺陷。该研究成果已经得到厂家的认可，并承诺将在后续升级软件解决此问题。
1 空调系统工作原理
787飞机空调系统使用电力驱动，外界空气经过CAC增压后，高温高压的气体经散热器冷却、水分离器和冷凝器除湿和ACM降温后进入混合总管，最终将温度和湿度适宜的空气分配到客舱和驾驶舱，为机组和旅客提供良好的旅途体验。整个过程由飞机计算机控制，分组控制单元（PCU）作为核心部件，通过软件逻辑控制整个空调系统的工作状态（见图1～图3）。
PCU通过控制经济冷却活门（ECV）、低限活门（LLV）、空气旁通活门（ABV）三个组件活门的开度来控制ACM的工作状态。在不同的外界环境和飞机状态下，空调组件有不同的工作模式。所有空调部件均正常工作时，包括两种工作模式：正常工作模式和经济冷却模式。空调系统部分部件失效后，系统可以工作在备用冷却模式，也包括两种工作模式：仅散热器冷却模式和冷凝器旁通模式。表1列出了各种工作模式下各关键部件的状态，ACM作为最重要的部件直接影响空调组件的工作模式。
2 ACM失效原因及后果分析
厂家经过多年的追踪调查，已基本明确了ACM主要失效原因为潮气侵入。在夏季尤其是湿度较大的南方地区，787飞机空调管路很容易积水，随着飞机起飞爬升，环境温度降低，积水结冰，飞机爬升至29500ft左右，ECV按照控制逻辑完全打开，积存在ECV后部的积水/积冰随着活门的打开进入ACM的T2涡轮，增加了叶片转动的阻力，导致ACM转速突然降低甚至叶片损伤。只要ACM转速处于2000～4000rmp之间超过1mim，就会触发ACM SPEED TOO LOW维护信息；ACM转速低于2000rmp超过1min，就会触发ACM FAIL维护信息。维护信息触发的同时还会触发PACK ACM状态信息。同时，ACM转速的急剧下降会造成空调组件内流量的变化，当通过CAC的实际流量接近或小于喘振流量时，CAC进口处将产生气流分离现象，此时相对气流冲向CAC叶片的凹面，形成正攻角，在叶轮通道产生涡流区，引起CAC喘振。为了保护空调组件，系统在监控到CAC喘振后会关闭故障侧空调组件。在空中，机组可以通过复位空调组件的方式恢复CAC的工作，使空调系统进入备用冷却模式。值得注意的是，相对于右侧组件，在整个左空调组件中左ACM的相对位置更低，导致左侧管路中的积水在重力作用下更容易流入ACM，即左组件更易出现故障。
3 技术分析
787飞机的空调系统与其他重要系统一样，在部分组件失效的情况下，依靠剩余部件仍能保障飞行安全和旅客舒适度。例如，在ACM因结冰出现故障关闭的情况下，可能导致一侧空调组件停止工作，而另一侧空调组件依然可以保障整个航程的顺利进行。但近日海技工程团队发现，出现上述情况时，如果飞行高度低于1000ft，飞机常会出现PACK ALTITUDE limit咨询信息，需要机组执行相应检查单。机组复飞后一切正常，但进近到同样高度后会再次出现PACK ALTITUDE limit咨询信息。
调查中发现，触发PACK ALTITUDE limit的条件为以下任意一条：
1）两个CAC不工作且设备冷却系统处于超控方式；
2）三个CAC同时不工作。
考虑到当时飞机设备冷却系统明显未处于超控方式，说明是3个CAC同时不工作而触发了PACK ALTITUDE limit警告信息。结合以往针对空调组件的工程调查，推断当潮气侵入左侧ACM后，在空中会因温度下降而在T2涡轮处结冰，造成ACM故障，引起整个左侧组件故障，进而使得左侧2个 CAC不工作。为了进一步分析第3个CAC不工作的原因，使用了航路数据译码。如图4所示，飞机起飞后爬升至29500ft左右，因积冰进入ACM，导致左组件ACM转速大幅波动，组件内气流振荡引起CAC喘振，造成整个左组件停止工作。机组对空调组件进行复位操作后，左组件进入备用冷却模式，左侧两个CAC恢复工作。当飞行高度下降后，外界条件不满足备用冷却模式的工作条件，左组件被指令关断，因此左侧两个CAC停止工作。 当飞机继续下降至1000ft左右时，因飞机座舱高度已经很低，故对增压系统需求的进气量不大，较低的组件进气量也能满足客舱的需求，但在低空和地面FOD（机场跑道异物）的可能性也大大增加。为了防止FOD，CAC进气口折流门将展开，进入组件的空气流量会受到影响，此时PCU的内部逻辑将通过关闭L2和R2两个CAC来满足流量控制的要求，即飞机自动进入流量管理模式的FS3模式。进入FS3模式后，R2 CAC被指令关闭，同时，左侧两个CAC未工作，满足3个CAC不工作的条件，从而触发了PACK ALTITUDE limit咨询信息。机组复飞、飞机高度上升后，R2 CAC恢复工作，咨询信息消失，再次进近到相同高度，R2 CAC再次被指令关闭，咨询信息再次出现，直至飞机落地后R2 CAC恢复工作。
针对此案例得出以下结论：当飞行高度下降到1000ft时，自动进入流量管理模式的FS3模式，L2 CAC和R2 CAC将被指令关闭。如果此时一侧组件故障，两个CAC停止工作，就满足触发咨询信息的条件。说明该信息的触发逻辑存在明显缺陷，当前的软件控制系统无法“智能地监控”整个空调系统，在2个CAC不工作的情况下仍然机械地继续关闭L2 CAC和R2 CAC。
了解上述控制缺陷后，对更多案例进行深入分析，发现并不是每一次ACM故障后都会触发PACK ALTITUDE limit警告。
图5所示为另一航段的译码数据图，从中可以看出在飞机起飞前已核实左侧ACM故障，依照MEL办理保留，将左侧ACM锁定。飞机起飞后，左组件进入备用冷却模式。通过译码图可知，在进近阶段L2 CAC和R2 CAC依照控制逻辑自动关闭，而L1 CAC和R1 CAC始终处于工作状态，没有触发PACK ALTITUDE limit信息。以上情况说明，整个飞行过程中左组件始终处于备用冷却模式，而非之前案例中的当高度下降不满足备用冷却模式要求时自动退出备用冷却模式。进一步分析系统原理后得出结论：当ACM在地面锁定后，整个飞行过程中组件都将工作在备用冷却模式。
综上所述，如飞机在空中出现ACM故障，可能导致故障侧2个CAC都不工作，即使通过复位空调组件使CAC重新工作，组件进入备用冷却模式，也会随着高度降低后不满足备用冷却模式而自动关闭。进近高度下降到1000ft时，有缺陷的控制软件逻辑无法识别当前飞机已有2个CAC不工作，仍按固有逻辑关闭另一侧的1个工作正常的CAC，导致出现3个CAC不工作的情况，进而触发PACK ALTITUDE limit咨询信息。如果在地面时将故障侧ACM通过MEL锁定，则在空中该侧组件一直工作在备用冷却模式下，不会因高度等条件不满足要求而自动退出备用冷却模式，故不会在进近时出现3个CAC不工作的情况。
4 解决措施
在明确了PACK ALTITUDE limit咨询信息的出现逻辑后，海技工程团队有针对性地与厂家合作，提出从以下几个方面着手解决。
1）更新软件控制逻辑
波音空调软件控制逻辑存在明显缺陷，在进近时会对机组造成干扰。波音认可了海技工程团队的结论，后续将通过软件更新的形式抑制PACK ALTITUDE limit信息在低高度时的触发。
2）提高空调系统可靠性
出现PACK ALTITUDE limit咨询信息归根结底源于787空调组件可靠性不高，尤其是潮气入侵问题无法得到很好解决。因此，采取了多种工程措施解决该问题，包括：
a.在空调管路上和次级散热器上打排水孔；
b.针对ECV、LLV、ABV三个重要活门进行升级改装；
c.针对CAC进行升级改装；
d.PCU软件升级等。
这些措施旨在从软硬件各方面解决问题，包括减少管路中的积水、提高散热器出口温度、减少ECV活门打开摆率、提供CAC硬件可靠性、減少CAC回流、修改PCU控制逻辑提高CAC喘振裕度等方面。
3）加强日常监控和维护工作
在缺陷没有彻底解决前，海技工程团队制定了一些监控和维护措施，包括通过AHM监控涉及空调系统的维护信息，提前预判将来可能发现的故障，及早进行处理；严控ACM故障，使用高于MEL的标准放行飞机，尽量在地面将故障处理完毕，不让飞机带故障上天；针对空调系统制定多项工程指令、维护提示和排故指导，在完善和提高空调系统可靠性的同时方便工程团队及时获取第一手数据，便于工作者能准确有效地处理故障。
5 结论
通过对PACK ALTITUDE limit触发条件的深入研究，了解其中的软件控制原理，帮助厂家纠正其中的逻辑缺陷，避免了后续全球其他787机队出现类似问题造成不必要的安全隐患。由于民航飞机运行环境的复杂性，实际运行中出现的很多状况是飞机设计时无法预见的，不能仅仅拘泥于现有的厂家手册和厂家意见、盲目遵从迷信厂家的方案，而需要对系统原理进行深入的分析，同时结合译码等辅助手段获得故障的第一手资料，透过现象看本质，才能找到故障的根源。
参考文献
[1] Boeing Engineering Data [Z]. 2019.
[2] 787 Fleet Team Conference [Z]. 2020-9-23.
[3] Collins 787 Fleet update [Z]. 2020-7-15.
[4] 沈燕良.飞机系统原理[M].北京：国防工业出版社，2007.
[5] 陈成.飞机空调系统原理与故障分析[J].科技创新导报，2016（15）：9-13.
关键词：波音787飞机；故障分析；潮气入侵
Keywords：B787 aircraft；fault analysis；moisture ingress
0 引言
作为波音公司最新一代客机，波音787飞机上有诸多区别于“传统”飞机的设计理念。其中，使用独立的客舱空气压缩机（CAC）为客舱环控系统提供气源而不再使用发动机引气这一方案代表了当今飞机最先进的技术。该设计一方面大大提高了发动机效率，减少了飞机的整体燃油消耗，另一方面也减少了飞机上大量的气动部件，进而减轻了飞机重量和维护成本。
新技术在带来更多便利的同时也存在一些问题。例如，潮气侵入空调系统造成系统故障的问题一直未得到很好解决，过多的水汽在飞机起飞后可能冻结空气循环机（ACM）的涡轮叶片，既会造成相关部件故障，也会使空调系统流量短时间内骤变，引起CAC喘振，进而使整个空调组件不工作。当飞机进近高度低于1000ft时，如出现PACK ALTITUDE limit咨询信息，机组常因准备时间不足而复飞，影响飞行安全。针对此情况，海航航空技术有限公司（海技）787工程团队通过深入分析该系统的整体设计，发现了飞机软件设计的逻辑缺陷。该研究成果已经得到厂家的认可，并承诺将在后续升级软件解决此问题。
1 空调系统工作原理
787飞机空调系统使用电力驱动，外界空气经过CAC增压后，高温高压的气体经散热器冷却、水分离器和冷凝器除湿和ACM降温后进入混合总管，最终将温度和湿度适宜的空气分配到客舱和驾驶舱，为机组和旅客提供良好的旅途体验。整个过程由飞机计算机控制，分组控制单元（PCU）作为核心部件，通过软件逻辑控制整个空调系统的工作状态（见图1～图3）。
PCU通过控制经济冷却活门（ECV）、低限活门（LLV）、空气旁通活门（ABV）三个组件活门的开度来控制ACM的工作状态。在不同的外界环境和飞机状态下，空调组件有不同的工作模式。所有空调部件均正常工作时，包括两种工作模式：正常工作模式和经济冷却模式。空调系统部分部件失效后，系统可以工作在备用冷却模式，也包括两种工作模式：仅散热器冷却模式和冷凝器旁通模式。表1列出了各种工作模式下各关键部件的状态，ACM作为最重要的部件直接影响空调组件的工作模式。
2 ACM失效原因及后果分析
厂家经过多年的追踪调查，已基本明确了ACM主要失效原因为潮气侵入。在夏季尤其是湿度较大的南方地区，787飞机空调管路很容易积水，随着飞机起飞爬升，环境温度降低，积水结冰，飞机爬升至29500ft左右，ECV按照控制逻辑完全打开，积存在ECV后部的积水/积冰随着活门的打开进入ACM的T2涡轮，增加了叶片转动的阻力，导致ACM转速突然降低甚至叶片损伤。只要ACM转速处于2000～4000rmp之间超过1mim，就会触发ACM SPEED TOO LOW维护信息；ACM转速低于2000rmp超过1min，就会触发ACM FAIL维护信息。维护信息触发的同时还会触发PACK ACM状态信息。同时，ACM转速的急剧下降会造成空调组件内流量的变化，当通过CAC的实际流量接近或小于喘振流量时，CAC进口处将产生气流分离现象，此时相对气流冲向CAC叶片的凹面，形成正攻角，在叶轮通道产生涡流区，引起CAC喘振。为了保护空调组件，系统在监控到CAC喘振后会关闭故障侧空调组件。在空中，机组可以通过复位空调组件的方式恢复CAC的工作，使空调系统进入备用冷却模式。值得注意的是，相对于右侧组件，在整个左空调组件中左ACM的相对位置更低，导致左侧管路中的积水在重力作用下更容易流入ACM，即左组件更易出现故障。
3 技术分析
787飞机的空调系统与其他重要系统一样，在部分组件失效的情况下，依靠剩余部件仍能保障飞行安全和旅客舒适度。例如，在ACM因结冰出现故障关闭的情况下，可能导致一侧空调组件停止工作，而另一侧空调组件依然可以保障整个航程的顺利进行。但近日海技工程团队发现，出现上述情况时，如果飞行高度低于1000ft，飞机常会出现PACK ALTITUDE limit咨询信息，需要机组执行相应检查单。机组复飞后一切正常，但进近到同样高度后会再次出现PACK ALTITUDE limit咨询信息。
调查中发现，触发PACK ALTITUDE limit的条件为以下任意一条：
1）两个CAC不工作且设备冷却系统处于超控方式；
2）三个CAC同时不工作。
考虑到当时飞机设备冷却系统明显未处于超控方式，说明是3个CAC同时不工作而触发了PACK ALTITUDE limit警告信息。结合以往针对空调组件的工程调查，推断当潮气侵入左侧ACM后，在空中会因温度下降而在T2涡轮处结冰，造成ACM故障，引起整个左侧组件故障，进而使得左侧2个 CAC不工作。为了进一步分析第3个CAC不工作的原因，使用了航路数据译码。如图4所示，飞机起飞后爬升至29500ft左右，因积冰进入ACM，导致左组件ACM转速大幅波动，组件内气流振荡引起CAC喘振，造成整个左组件停止工作。机组对空调组件进行复位操作后，左组件进入备用冷却模式，左侧两个CAC恢复工作。当飞行高度下降后，外界条件不满足备用冷却模式的工作条件，左组件被指令关断，因此左侧两个CAC停止工作。 当飞机继续下降至1000ft左右时，因飞机座舱高度已经很低，故对增压系统需求的进气量不大，较低的组件进气量也能满足客舱的需求，但在低空和地面FOD（机场跑道异物）的可能性也大大增加。为了防止FOD，CAC进气口折流门将展开，进入组件的空气流量会受到影响，此时PCU的内部逻辑将通过关闭L2和R2两个CAC来满足流量控制的要求，即飞机自动进入流量管理模式的FS3模式。进入FS3模式后，R2 CAC被指令关闭，同时，左侧两个CAC未工作，满足3个CAC不工作的条件，从而触发了PACK ALTITUDE limit咨询信息。机组复飞、飞机高度上升后，R2 CAC恢复工作，咨询信息消失，再次进近到相同高度，R2 CAC再次被指令关闭，咨询信息再次出现，直至飞机落地后R2 CAC恢复工作。
针对此案例得出以下结论：当飞行高度下降到1000ft时，自动进入流量管理模式的FS3模式，L2 CAC和R2 CAC将被指令关闭。如果此时一侧组件故障，两个CAC停止工作，就满足触发咨询信息的条件。说明该信息的触发逻辑存在明显缺陷，当前的软件控制系统无法“智能地监控”整个空调系统，在2个CAC不工作的情况下仍然机械地继续关闭L2 CAC和R2 CAC。
了解上述控制缺陷后，对更多案例进行深入分析，发现并不是每一次ACM故障后都会触发PACK ALTITUDE limit警告。
图5所示为另一航段的译码数据图，从中可以看出在飞机起飞前已核实左侧ACM故障，依照MEL办理保留，将左侧ACM锁定。飞机起飞后，左组件进入备用冷却模式。通过译码图可知，在进近阶段L2 CAC和R2 CAC依照控制逻辑自动关闭，而L1 CAC和R1 CAC始终处于工作状态，没有触发PACK ALTITUDE limit信息。以上情况说明，整个飞行过程中左组件始终处于备用冷却模式，而非之前案例中的当高度下降不满足备用冷却模式要求时自动退出备用冷却模式。进一步分析系统原理后得出结论：当ACM在地面锁定后，整个飞行过程中组件都将工作在备用冷却模式。
综上所述，如飞机在空中出现ACM故障，可能导致故障侧2个CAC都不工作，即使通过复位空调组件使CAC重新工作，组件进入备用冷却模式，也会随着高度降低后不满足备用冷却模式而自动关闭。进近高度下降到1000ft时，有缺陷的控制软件逻辑无法识别当前飞机已有2个CAC不工作，仍按固有逻辑关闭另一侧的1个工作正常的CAC，导致出现3个CAC不工作的情况，进而触发PACK ALTITUDE limit咨询信息。如果在地面时将故障侧ACM通过MEL锁定，则在空中该侧组件一直工作在备用冷却模式下，不会因高度等条件不满足要求而自动退出备用冷却模式，故不会在进近时出现3个CAC不工作的情况。
4 解决措施
在明确了PACK ALTITUDE limit咨询信息的出现逻辑后，海技工程团队有针对性地与厂家合作，提出从以下几个方面着手解决。
1）更新软件控制逻辑
波音空调软件控制逻辑存在明显缺陷，在进近时会对机组造成干扰。波音认可了海技工程团队的结论，后续将通过软件更新的形式抑制PACK ALTITUDE limit信息在低高度时的触发。
2）提高空调系统可靠性
出现PACK ALTITUDE limit咨询信息归根结底源于787空调组件可靠性不高，尤其是潮气入侵问题无法得到很好解决。因此，采取了多种工程措施解决该问题，包括：
a.在空调管路上和次级散热器上打排水孔；
b.针对ECV、LLV、ABV三个重要活门进行升级改装；
c.针对CAC进行升级改装；
d.PCU软件升级等。
这些措施旨在从软硬件各方面解决问题，包括减少管路中的积水、提高散热器出口温度、减少ECV活门打开摆率、提供CAC硬件可靠性、減少CAC回流、修改PCU控制逻辑提高CAC喘振裕度等方面。
3）加强日常监控和维护工作
在缺陷没有彻底解决前，海技工程团队制定了一些监控和维护措施，包括通过AHM监控涉及空调系统的维护信息，提前预判将来可能发现的故障，及早进行处理；严控ACM故障，使用高于MEL的标准放行飞机，尽量在地面将故障处理完毕，不让飞机带故障上天；针对空调系统制定多项工程指令、维护提示和排故指导，在完善和提高空调系统可靠性的同时方便工程团队及时获取第一手数据，便于工作者能准确有效地处理故障。
5 结论
通过对PACK ALTITUDE limit触发条件的深入研究，了解其中的软件控制原理，帮助厂家纠正其中的逻辑缺陷，避免了后续全球其他787机队出现类似问题造成不必要的安全隐患。由于民航飞机运行环境的复杂性，实际运行中出现的很多状况是飞机设计时无法预见的，不能仅仅拘泥于现有的厂家手册和厂家意见、盲目遵从迷信厂家的方案，而需要对系统原理进行深入的分析，同时结合译码等辅助手段获得故障的第一手资料，透过现象看本质，才能找到故障的根源。
参考文献
[1] Boeing Engineering Data [Z]. 2019.
[2] 787 Fleet Team Conference [Z]. 2020-9-23.
[3] Collins 787 Fleet update [Z]. 2020-7-15.
[4] 沈燕良.飞机系统原理[M].北京：国防工业出版社，2007.
[5] 陈成.飞机空调系统原理与故障分析[J].科技创新导报，2016（15）：9-13.