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第３２卷第６期　中国民航大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＩＶＩＬ　ＡＶＩＡＴ１０Ｎ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　Ｖ０１＿３２　Ｎｏ．６　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１４　２０１４年１２月　飞机座舱失压模拟仿真研究　白　杰　一，陈希远　一，杨建忠ａ，ｂ，杨士斌ａ，ｂ　（中国民航大学ａ．航空工程学院．ｂ．天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津３００３００）　摘要：针对近年来频发的飞机座舱环控系统飞行事故／事件，对国内外发生的飞机座舱环境相关的飞行事故／事件　进行了分析。分析表明，压力控制子系统中压力控制器部件失效是造成座舱压力异常事故／事件最重要的　原因。基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＥＭＳｉｍ建立了环控系统数学模型，并对一起典型压力异常事故进行仿真复现．对　事故中关键部件、关键参数及其风险进行评估，为事故深入调查及预防提供了指导意义。也为环控系统的　设计和维修提供了依据　关键词：飞机座舱；事故分析；环控系统；压力调节；事故仿真　中图分类号：Ｖ２２３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—５５９０（２０１４）０６—０００１—０６　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｃａｂｉｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ　ＢＡＩ　Ｊｉｅａ，ｂ　ＣＨＥＮ　Ｘｉ－ｙｕａｎ　，ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｚｈｏｎｇａ一，ＹＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｂｉｎ　’ｂ　（ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｃｉｖｉｌ　Ａｉｒｃｒａｔ　ｆＡｉｒｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｆＴｉｏａｎｊｉｎ．　ＣＡ　ＵＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｃａｂｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｒｅｌａｔｅｄ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ／ｉｎ—　ｃｉｄｅｎｔｓ　ｄａｔａ　ｏｆ　ＥＣＳ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ／ｉｎｃｉ．　ｄｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｒ　ｆａｕｌｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ．Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ＥＣＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ａｎｄ　ＡＥＭＳｉｍ．Ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｏｆ　ＥＣＳ　ｉｎ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｉＳ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｓｕｃｈ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｉｓｋ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｉｓ　ＷＯｒｋ　ｗｉｌｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｒｅｌａｔｉｎｇ　ｔｏ　ｃａｂｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｓｕｐｐｏ￣ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｉｒｃｒａｆｔ　ｃａｂｉｎ；ａｃｃｉｄｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ＥＣＳ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ；ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　为了在飞行时保证旅客和空勤人员正常生活和　设备可靠工作，环境控制系统已成为先进飞行器必不　可少的组成部分。特别是客机，舱内舒适的温度环境、　合理的压力、人耳无感觉的压力变化率、清新的空气　和适宜的风速，都已成为招徕旅客的重要条件『１１。　飞机客舱与房屋、办公室的室内环境有很多不同　国内外对于飞机座舱环控系统的仿真已开展了　许多研究【３＿ｌ２］，主要是利用计算机仿真技术，对环控系　统中各子系统（空气循环制冷系统、座舱压力控制系　统、座舱温度控制系统等）进行建模仿真，通过仿真研　究部件参数特性，以指导环控系统优化设计。然而关　注座舱环境事故／事件的分析和研究却很少。对事故模　拟仿真能够根据有限的信息对事故厚件的发生、发展　进行复现，有效提高事故调查能力，找出事故原因，提　出相应的维修、设计或驾驶员训练建议，从而提高民　航的安全性水平。本文在对所收集与座舱环境相关事　故／事件数据进行分析的基础上，选取对座舱环境影响　最大的事故／事件类型——座舱失压作为研究对象，建　立了事故模拟仿真模型，分析了事故／事件原因，研究　之处，如乘员密度高、乘员不能随意离开、需要加压　等。在飞行过程中，乘员普遍暴露于低湿度、低气压，　还可能接触像臭氧（Ｏ　）、一氧化碳（ＣＯ）、各种有机化　学物（ｖｏｃ）、生物制剂等污染物。此外，飞机座舱的环　境也很脆弱，有时一些微小的故障或操作不当都有　可能引起飞机座舱环境的恶化，甚至发生安全事故或　事件闭。　收稿日期：２０１３—０９—１１；修回日期：２０１３—１１－１４　基金项目：国家重点基础研究发展计￣（９７３计划）（２０１２ＣＢ７２０１０４）　作者简介：白杰（１９６３一），男，天津人，教授，硕士，研究方向为航空发动机适航审定研究．　
一，）一　中国民航大学学报　２０１４年１２月　关键部件的关键参数对事故／事件发展的影响，并提出　了相应的安全性建议。　及压力指示系统故障３类，而其中出现频率最高的失　效部件为压力控制器，出现的频次达到了６５起；③在　压力控制器失效造成的事件中，主要由ＣＰＣ（座舱压　力控制器，ｃａｂｉｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）计算机故障引起，　其次，压力控制组件和外流活门故障也会在很大程度　１座舱环境事故，事件分析　本文对近１Ｏ年中国和美国发生的与飞机座舱环　上对座舱内压力造成影响。可以确定，在座舱内压力　异常的事故／事件中，压力控制器及其子部件为该类安　全事件的关键部件，接下来将对座舱压力异常事件进　境相关的飞行事故／事件信息进行了搜集和整理，据不　完全统计，共计３９９条信息，约７５％数据来自国内，约　２５％来自美国。其中１４３起并没有出现明显的座舱环　境异常现象，主要是因为事件发生时，座舱内乘客并　没有出现不适感，飞行过程中也没有出现任何异常，　但是飞机驾驶舱内出现了告警信息，或在飞机航前或　航后的检查中发现部件损坏的情况。　剩余的２５６起事故／事件均对座舱内的空气环境　造成了一定影响并使机组人员或乘客出现了不适。按　照事故类型划分，将２５６起事故／事件分为８类：压力　异常、温度异常、烟雾或异昧、起火、异响、ＣＯ　污染、　ＶＯＣ污染及０，污染，如图１所示。　起火　１５％　５２％　图１飞机环控系统飞行事故分类　Ｆｉｇ．１　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｃｉｄｅｎ￣　从图１可以看出，出现次数最多的事故为座舱内　压力异常，达到了１３３起。因此有必要对座舱压力异　常事故进行进一步分析。　对座舱压力异常事故／事件发生原因进行分析，　结果如图２所示：①“其他”主要指由于结构问题导　致，如飞机蒙皮破裂或一些部位出现裂纹。在由环控　系统引起的压力异常事件中，事件发生的主要原因又　可细分为：压力控制子系统失效、环控系统部件机械　失效（系统中管路连接不严、短路以及人为因素等问　题）、以及空气分配子系统失效（主要由于空气分配系　统中通风管道泄漏造成）３类；②压力控制子系统失效　导致的座舱内压力异常事件共有１０９起。在这１０９起　事件中，主要原因有压力控制器故障、释压活门故障　行事故建模和仿真研究。　座舱内压力异常（１３３起）　环控系统引起（１２５）Ｉ　ｌ　其它（８）　机械故障ｌｌ压力控制子系ｌ　Ｉ空气分配子　（９）　ｌｌ　统（１０９）　ｌ　ｌ系统（４）　压力指示ｌＩ释压活门ｌ　Ｉ压力控制器Ｉ　ｌ不明原因　系统（２０）Ｉ　ｌ　（１２）　ｌ　ｆ　（６５）　ｌ　Ｉ　（１２）　ＣＰＣ失效ｌ　ｌ控制组件Ｉ　ｌ外流活门　（３３）　ｌ　ｌ失效（１９）Ｉ　ｌ故障（１４）　图２座舱内压力异常事故原因分析　Ｆｉｇ．２　Ｒｅａｓｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｃｃｉｄｅｎ￣ｉｎ　ｃａｂｉｎ　２座舱调压原理　为了对座舱压力异常事件建模和仿真，本节将介　绍座舱压力调节系统工作原理。飞机座舱的气源来源　于发动机压气机的高温高压引气，供气量为Ｇ供；座舱　并不是完全密封的，有一部分气体将从座舱泄漏到大　气中，漏气量为Ｇ漏；座舱压力控制器有主动向大气排　出气体的作用，排气量为Ｇ　根据气体状态方程，座舱空气参数关系可表达为　Ｖ　＝Ｇ　ＲＬ　（１）　其中：　为座舱内空气压力；Ｖ。为座舱容积；Ｇ　为座　舱空气质量；Ｒ为气体常数；　为座舱空气绝对温度。　在研究座舱压力控制时，假设座舱温度和容积保　持不变，式（１）对时间ｔ进行求导，可得座舱压力变化　的微分方程为　＝　＝Ｇ供一Ｇ　Ｇ漏　（２）　由式（２）可以看出，要保持座舱压力不变，应保持　座舱供气量等于排气量与漏气量之和，即Ｇ供＝Ｇ排＋　Ｇ漏。要控制座舱压力升高，就需使得Ｇ供＞Ｇ排＋Ｇ漏。　
第３２卷第６期　白杰，陈希远，杨建忠，等：飞机座舱失压模拟仿真研究　～３一　由于漏气量不可控制，所以座舱压力及压力变化率应　通过控制供气量Ｇ供和排气量Ｇ排来实现。目前飞机上　的座舱压力调节通常采用不改变供气量而改变排气　量的办法来实现对座舱压力控制。飞机压力调节装置　通常由控制机构和排气活门两部分构成，当座舱高度　座舱压力实测值，得到偏差信号，控制器根据此偏差　信号输出电机电压来驱动电机，外流活门根据此电压　输出活门的开度来改变座舱排气流量，以实现整个反　馈回路对飞机座舱内压力值的控制。　高于给定值时，控制机构将调整排气活门开度增加，　使得Ｇ供＜Ｇ排＋Ｇ漏，座舱压力下降；当座舱压力低于　给定值时，控制排气活门开度减小，使得Ｇ供＞Ｇ排＋Ｇ　漏，座舱内压力升高；当座舱内压力等于给定值时，保　持排气活门开度不变。　现阶段飞机座舱压力控制系统主要由被控对象　（座舱压力）、驱动装置（控制电机）、实现装置（外流活　门）和控制器（座舱压力控制器）构成。具体工作原理　３座舱压力控制系统建模　本文采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ仿真软件共同完　成座舱失压事故模拟仿真。ＡＭＥＳｉｍ是一款多学科复　杂系统仿真软件，可以利用其中丰富的跨学科元件库　建立期望的系统模型。首先根据座舱压力控制系统工　作原理，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立飞行座舱压力控制系统简　化模型，进行仿真计算并对ＰＩＤ控制器参数进行调　节，然后利用ＡＭＥＳｉｍ高精度元件库进行建模，并仿　真验证座舱压力控制系统，最后通过故障注入研究座　舱失压事故模拟仿真。建立的飞机座舱压力控制系统　模型如图３所示。　为座舱压力控制器接受来自座舱压力传感器、大气数　据计算机及驾驶舱压力控制面板的信号，通过内部程　序判断飞机的飞行状态，通过比较根据座舱压力制度　计算出的座舱压力理想值与座舱压力传感器实测的　图３座舱压力控制系统模型　Ｆｉｇ．３　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃａｂｉｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　３．１座舱压力制度模型　在飞行高度０＜ｈ＜１２　ｋｍ时，大气压力Ｐ＾随高度　变化的规律为　，Ｊ　Ｒ　令Ｃ　：　：　ｄｆ　孥：Ｇ供ｄ　一Ｇ排　：（５）。　　，对式（５）两边进行拉氏变换，可得　（６）　Ｐ＾＝Ｐ０（１一　）