B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  每个非正常检查单都是针对某一个或某一类“故障源”进行设计的。“故障源”不同,检查单的处置思路自然也不同。想要真正驾驭一个检查单,首先需要清楚这个检查单的“假想敌”是谁。

  每个非正常检查单都是针对某一个或某一类“故障源”进行设计的。“故障源”不同,检查单的处置思路自然也不同。想要真正驾驭一个检查单,首先需要清楚这个检查单的“假想敌”是谁。

  本文尝试打破“章节学习”的巢窠,以“故障源”为索引介绍B737NG型飞机增压系统的常见故障以及处置思路。文中涉及的故障和检查单并不仅限于快速检查单(QRH)第二章的内容,而是把所有与增压有关的检查单都囊括进来。

  以故障源划分,B737飞机的增压故障可以大致分为以下三类:

  第一类故障称作“控制失效”,处置原则是“隔离故障,恢复控制”。

  第二类故障称作“入不敷出”,处置原则是“开源节流,维持压差”。

  第三类故障称作“结构损坏”,处置原则是“减小压差,保护结构”。

  第二类故障 入不敷出

  B737NG飞机有两套空调组件,正常情况下飞机通过调节排气流速控制座舱增压。本节中所谓的“入不敷出”即是指机舱的供气量与排气量不匹配导致的增压异常。

  “入不敷出”类的增压故障可能源自供气系统,也可能源自排气系统或者座舱密封,或者二者兼具。

  第一节 供气不足

  B737NG有三套机载气源系统,支持两套空调组件为客舱供气。其中APU引气限制在飞行高度17000英尺以下使用。高空飞行时只有左发引气和右发引气提供气源。在空中,一个气源只能支持一个空调组件工作。

  “单个组件在高流量能够在飞机最大认证升限以内保持增压和可接受的温度。”——《B737飞行机组操作手册》

  (一)组件故障

  B737NG装有两款不同的空调组件:

  737-700装有老式空调系统,组件调制好空气直接供向混合总管。

  737-800/900装有新式空调系统。新式空调系统增加了电子控制器和区域温度控制系统。

  区分新老型号的空调系统,最简便的方法是通过空调控制面板。

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  需要注意一点,老式空调系统的组件故障警告灯为“PACK TRIP OFF”(组件跳开),其对应的《组件跳开检查单》仅针对组件过热跳开故障进行处置。

 

  新式空调系统的组件故障警告灯为“PACK”(组件),其对应的《组件检查单》涵盖了两个可能的故障点:组件过热跳开和电子控制器失效。

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  (1)组件过热跳开

  B737NG的引气温度约为200摄氏度,空调组件能将其快速制冷为最低1.7摄氏度(35华氏度)的冷气,并且维持充沛的冷气流量。

  如此高的制冷效率单纯靠散热是无法实现的。而且我们外部检查时都知道,空调舱排出的冲压空气温度并不算高,那么高温引气中所含的内能到哪里去了呢?

  B737NG空调组件的核心是一部涡轮式空气循环机(ACM)。对于空气循环机来讲,引气即是待加工的“原料”,又是运转所需的“能源”。高温引气所包含的内能,一部分都通过“压缩-膨胀”循环转化为机械能驱动循环机,另一部分通过冲压空气系统扩散至外界大气。

  无需外接动力,意味着更轻的重量、更少的部件、更高的可靠性,更低的失效概率和更简单的控制。回收引气内能,不仅能够提高制冷效率还降低了飞机的燃油消耗。

  即使制冷过程中分离的冷凝水都没有浪费,被重新喷入冲压空气管道用于辅助降温。B737NG的涡轮涡轮循环机设计是如此的巧妙和高效,实在让人赞叹。

  优秀的飞机设计能够带给人逻辑上的美感。

  空调组件有三个过热电门用于监控组件的工作状况。如果空气循环机因工作负荷过大而出现过热,过热继电器就会关闭“组件流量控制和关断活门”,从源头上掐断组件的引气供应。

  前文提到,引气对于空调组件,即是“原材料”又是“能源”。掐断引气供应后,整个组件就会停止运转。这就是我们所说的“组件跳开”故障了。

  过热继电器一旦动作,将会保持在过热位置,组件活门保持关闭状态。两个组件电门均位于AUTO位时,其中一个组件关闭,另一组件会自动切换至“高流量”方式以增加机舱的供气量。

  所以组件跳开后,机组应当先将温度选择器调定至较暖温度,以降低空气循环机的制冷负荷,避免组件重启后再次过热跳开。待组件温度冷却至极限值以下后,机组按压“跳开复位电门”即可重启组件。重启过热组件需要注意三点:

  第一、老式空调系统的温度选择器直接控制相应的组件温度。机组只需要将跳开一侧的温度选择至较暖温度即可。

  第二、新式空调系统按照三个温度选择器的最低温度决定组件制冷温度。所以三个温度选择器都要选择较暖温度。

  第三、空调组件冷却需要一定的时间。如果一次复位不成功,后续飞行中机组可以多次尝试复位。

  在地面,单组件放行限制最大飞行高度25000英尺以下。机组应当重新评估航线耗油、天气、越障和航路限制等因素制定新的飞行计划。在空中遇到单组件情况,较低的巡航高度会有利于增压的控制,但是法规对飞机的巡航高度没有硬性限制,机组可以综合评估各种因素选择最有利的高度。

  注意:单组件飞行时,机组应当确保飞机随时具备执行紧急下降的条件,禁止飞越雷雨。

  (2)主用和备用电子控制均失效

 

  B737NG的新式空调系统有两个“组件/区域温度控制器”,用于控制组件和区域温度。

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  组件主用温度控制和备用温度控制都有各自的活门,通过向制冷后的空气掺混一定量的热引气来达到调节组件温度的目的。主用温度控制失效后,备用控制自动接手。此外如果探测到水冷凝器结冰,备用控制活门也会自动打开用于加温。

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  如果其中一部电子控制失效,仅在主警戒再现时会触发“PACK”灯亮。主警戒复位后,所有“PACK”灯熄灭。另一部“电子控制器”可以完成对组件的正常控制。就整个系统而言工作是正常的,所以不需要执行检查单。如果在地面,机组需要通知机务,按MEL和DDG掌握放行标准。

 

  如果两部电子控制均失效,会直接触发PACK灯和主警戒灯亮。除非发生组件过热,否则组件还将继续运转。此时机组需要完成《PACK检查单》。

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  (3)如何区分组件跳开和控制器失效?

  由于B737NG新式空调系统的《PACK检查单》涵盖了两种可能的故障,确定故障的空调组件能否向机舱供气,对于机组的后续决策和处置十分重要的。

  验证方法一、座舱升降率出现短时的波动。

  当一个个组件跳开后,虽然另一个组件会自动切换至“高流量”,但毕竟通风量不如双组件工作。座舱升降率会短时上升,随后增压系统调整主排气活门开度,以恢复原座舱高度。座舱升降率会出现一个明显的波动过程。此外空调通风口的出风量也会有明显变化。

  验证方法二、通过发动机N1 极限验证组件是否跳开。

  组件跳开会导致“组件流量控制和关断活门”关闭。此时检查CDU的N1 LIMIT页面,你会发现组件跳开一侧的发动机N1 极限高于另一侧。卸去空调负载一侧的发动机推力更大,这里借用了“无发动机引气起飞”的思路。

  如果机组仍不确定组价是否跳开,还可以将故障一侧的组件电门关闭,观察相应的发动机N1 极限会否增加。

  发动机N1 极限不变,则说明不论电门位置如何,组件始终处于跳开状态。

 

  发动机N1 极限能够发生变化,则说明是组件控制器故障,组件仍能向机舱供气。

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  下面我们进行测试

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  需要注意一点,不论上述验证结果如何,只要两个PACK灯同时亮,机组都应按照检查单要求下降至最低安全高度或10000英尺。座舱仅有的两套供气设备都出现故障,即使是控制器故障,继续在高空飞行也是不安全的。我们不能将安全寄托在不可靠的设备上面。

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  编者注:

  迄今为止,笔者尚未在模拟机中见到过“空调组件控制器故障”选项。

  (4)双组件不工作项目

  不论什么原因,如果飞机造成事实的“双组件不工作”,都意味着飞机丧失增压。

  首先,机组应当人工关闭外流活门,尽可能的延缓座舱释压速度。

  其次,机组应当申请下降高度到10000英尺以下或最低安全高度。必要时可以宣布“紧急下降”。

 

  最后,当飞机在安全高度改平后,机舱温度会由于缺少通风而快速上升。不论飞机是由何种故障导致的“双组件不工作”,机组都应当参考《组件检查单》中的双组件不工作项目处理:

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  (二)引气跳开

  “发动机引气来自第5 和第9 级压缩机。当第5 级低压引气不满足引气系统所需时,第9 级高级活门打开以保持足够的引气压力。在起飞、爬升及大多数巡航的情况下,来自第5 级的低压引气是足够的而第9 级高级活门保持关闭。”——《B737飞行机组操作手册》

  (1)引气跳开的触发条件

  发动机引气离开压气机后,需要先经过预冷器降温,然后再进入引气管道。正常情况下,预冷器会控制引气温度保持在199-227摄氏度之间。

  如果引气温度超过254摄氏度或者引气压力超过220PSI,引气活门关闭,同时触发BLEED TRIP OFF灯和主警戒灯亮。这就是我们所说的引气跳开故障。

  (2)一个很有意思的特例

  当机组进行“无发动机引气起飞”时,起飞推力调定后,引气跳开灯有时候会亮。既然发动机引气活门已经关闭了,引气还怎么“跳开”呢?

 

  这是因为引气压力传感器位于引气活门上游,温度传感器位于引气活门下游。即使发动机引气活门已经关闭,如果超压传感器探测到压力超过极限,仍会触发“引气跳开”灯亮。

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  该情况可以被视作虚警。因为“无发动机引气起飞”形态下,发动机引气活门已经处于关闭位了。所以如果在80节之前出现引气跳开警告,中断起飞毫无意义。

  待起飞后发动机推力减小,引气压力降低故障就自然消失了。机组在进行“无发动机引气起飞”前,可以提前在“起飞简令”中对这种虚警情况进行复习和沟通。

  (3)引气跳开对防冰设备的影响。

 

  发动机整流罩防冰管路位于引气活门上游,不受引气跳开的影响,可以正常使用。

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  机翼防冰位于引气活门下游,且对引气的需求较大。单引气无法支持机翼防冰的负荷。遇到单引气故障,机组应当避开需要使用机翼防冰的结冰区。机组可以按照“每上升1000英尺大气温度降低2摄氏度”的规律,或者上升至SAT低于-40摄氏度,或者下降至TAT高于10摄氏度,以避开结冰区。

  理论上讲“速度每增加0.01 马赫全温将会增加约0.5 到0.7 摄氏度”。但是实际飞行中,增加空速对于脱离结冰区的帮助相对有限。

  单独向一侧的机翼除冰供气会导致升力不对称,其危害尤甚于双侧结冰。所以禁止向单侧的机翼提供除冰。

 

  (三)翼身过热

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  在飞行员日常使用的《飞行机组操作手册》和《快速检查单》中,翼身过热被归为气源系统故障。但是在《机务维护手册》和其他一些介绍机型系统的文献中,翼身过热却被视作“防火系统”的一部分。

  我们前面讲过,正常情况下发动机引气温度高达199-227摄氏度。高温引气可能导致铝合金韧性降低,并且损坏机内的非耐热部件。机翼防冰为例,由于地面没有高速气流冷却机翼,在地面发动机引气必须要先经过一个额外的“预冷器”降温至125摄氏度以下,然后才能供向前缘缝翼,否则可能损坏机翼结构。

  机翼和机身内存在大量的非耐热部件,一旦高温引气泄露,则可能损坏机体结构和机载设备。为了监控引气管道泄露,B737沿引气管道铺设一种特殊材质的导线。导线的线芯和线皮之间填充有一种热敏材料。在常温下这种材料是绝缘的,当温度达到一定值后这种材料的电阻就会降低。

  引气泄露位置的热敏材料变为导体后,线芯与线皮间的电路接通,即会触发翼身过热警告。待温度下降后,热敏材料又恢复为绝缘状态。

 

  在驾驶舱内仅有左和右侧翼身过热的警告灯。机务人员可以通过读取故障代码,获得更为具体的引气泄露位置。

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  《翼身过热检查单》通过开闭各个电门,利用排除法寻找引气泄露的管道区段,最终目的是切断泄露区段的引气供应。保护机体结构和设备。

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  (四)发动机停车

  由于发动机熄火、过热、火警、喘振或超限等故障导致的发动机停车,会造成相应的发动机引气失效。巡航过程中飞机被迫依靠另一侧组件的高流量方式维持座舱增压。

  (五)机翼防冰活门打开

  “在空中,机翼防冰系统可作为除冰设施或防冰设施。使用该系统的主要方法用作除冰器,即接通机翼防冰之前先允许积冰。采用本程序可提供最光洁的机翼表面,并使重新结冰的可能性最小,而且推力和燃油的损耗最低。除非有必要在穿越结冰情况下长时间飞行(等待),一般不需要定期除冰。

  第二种方法是在积冰之前使用机翼防冰。只在中度或严重的结冰情况下长时间飞行时,如等待,才使用机翼防冰系统作为防冰器。”

  — —《B737飞行机组操作手册》

 

  在绝大多数飞行条件下,机翼防冰系统都是被用作“除冰器”而非“防冰器”。这是因为机翼防冰系统仅提供前缘缝翼的热防冰。在结冰区持续接通机翼防冰,机翼前缘融化的冰水会再次冻结在机翼中后部,破坏机翼翼型。

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  如果某一侧机翼防冰活门失效在开位,检查单要求切断故障一侧的引气供应,以避免结冰条件下翼型畸变。这就会导致飞机被迫以“单组件”状态飞行。

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  注意:如果机组需要使用机翼防冰,应当恢复双侧引气供应,避免左右两侧不对称积冰情况的发生。

  (六)35000英尺以上使用机翼防冰

  “警戒! 大约在FL350 以上使用机翼防冰可能导致引气跳开并可能损失座舱压力。”——《B737快速检查单》

  (七)烟雾、着火或异味

  当机舱内出现烟雾、着火或异味时,机组可能需要通过轮流关闭左右两侧的组件来识别烟雾是否来自空调组件。如果关闭某一侧组件后,烟雾开始减少,后续飞行中则应当保持该组件处于关闭状态。

 

  空调管道清洗剂残留和除冰液进入空调系统,是最常见的空调冒烟原因。笔者曾经亲历过由于地面误操作导致除冰液进入空调系统的情况。仅仅几秒钟时间,我就看不见右座的副驾驶了。友情提示,如果APU被除冰液浇灭,后续飞行中尽量避免使用APU引气向空调供气。

B737增压系统故障简介之二:入不敷出

  (八)组合故障

  前面介绍的几种故障,都会导致机舱供气量减少。单一故障出现时,座舱通常都能够维持正常的增压控制。但是如果两侧的气源/空调系统均出现故障,则会导致座舱丧失全部供气。

  双组件失效后,自动增压方式为了维持座舱高度会逐渐驱动外流活门至全关位,但是速率较慢。如果机组有精力的话,可以考虑人工关闭外流活门,有助于减少座舱高度的损失。

  由于座舱高度无法控制,机组应当综合评估当前高度、越障、天气和航路限制等因素。APU供气、串气、下降或“紧急下降”都是可能的选项。总而言之,我们的目的是为了维持座舱高度始终低于10000英尺。

  (九)串气

  如果一侧的气源失效,而另一侧的组件失效的话,机组可以考虑通过“串气”的方式恢复座舱增压(高空)和通风(低空)。

  例:左组件跳开 + 右引气跳开,打开隔离活门,利用左引气为右组件供气。

  在评估“串气”与否时,机组应当考虑下列几项因素:

  (1)“串气”应当避免触发或二次触发现某些故障,例如“翼身过热”。

  (2)“串气”应当考虑引气和组件管道中残存烟雾的可能,例如如“发动机火警”和“烟雾着火和异味”。

  (3)“串气”并非强制要求,如果机组对“串气”的效果和风险存在疑虑,下降至安全的高度会是一个更稳妥的选择。

  (九)番外篇 “翼身过热”与“紧急下降”之辩

  下面这个案例源自于一次真实的正驾驶升级考试。

  (1)飞机在爬升过程中遇到左翼身过热故障。机组按照检查单要求关闭左引气电门,随后翼身过热警告熄灭。

  (2)到达计划的巡航高度后,机组通过雷达发现前方有大面积的雷雨天气。机组申请绕飞,被“管制员”以空军活动为由拒绝。同时“管制员”告知机组,前机均由11600米的高度正常通过,并询问机组能否接受11600米的巡航高度。

  首先,机组检查了CDU的巡航页面,确认11600米低于当前最大巡航高度。

  随后,经过交流机组一致认为,在《机组使用手册》中明确写有“单个组件在高流量能够在飞机最大认证升限以内保持增压和可接受的温度”的描述,单组件上升至11600米巡航符合规定。

  (3)机组决定接受管制员建议,由11600米的巡航高度飞越雷雨区域。

  (4)当机组以11600米的巡航高度飞至雷雨区域中心时,相信很多朋友已经猜出后面的“戏肉”了,右发动机停车了。

  至此,机组陷入了一个进退两难的“死局”。

  第一、飞机位于雷雨区域中央,下降高度会进入雷雨,脱离雷雨区域又需要一定的时间。

  第二、两侧引气全部失效,座舱开始缓慢释压。机组需要执行紧急下降程序,立即下降至10000英尺或最低安全高度较高者。

  第三、单台发动机无法维持飞机11600米的巡航高度。考虑到下方雷雨的影响,机组应当执行飘降程序,尽可能减少高度损失。

  (5)面临这样一个近乎于“死局”的局面,机组使出了浑身解数。

  第一步,配平飞机恢复自动驾驶,控制飞机进入飘降,维持尽可能小的下降率,避免进入雷雨。

  第二步,重新接通左引气和左组件,人工关闭外流活门。座舱压差达到8.35后,再关闭左引气和左组件。待座舱高度达到9000英尺后,再次恢复左引气和左组件。脱离雷雨区域前,间断利用翼身过热一侧维持增压。

  第三步,宣布紧急状态,并转向最近的方向尽快脱离雷雨区域。

  第四步,使用交输引气起动停车的发动机。(飘降速度无法风转起动。)

  第五步,脱离雷雨区域后,迅速转为紧急下降。

  应当说机组在身处“绝境”时的处置方案还是可圈可点的。与迫在眉睫的释压、单发和进入雷雨相比,“翼身过热”可能损坏机体结构属于远期威胁。间断间断接通引气维持增压,又进一步降低了结构损坏的可能性。

  面对多重故障,机组没有拘泥于单一检查单的操作要求,进行了较为准确的优先排序,偏离检查单的处置措施也基本得当。就在机组自认为化险为夷时,检查员宣布“决策错误,检查不合格”。

  过去正驾驶升级检查是由两个参检人互相配合,轮流上左座接受检查。当时负责扮演“副驾驶”角色的是我的朋友。由于没有向“机长”提出正确地意见,他连左座驾驶杆都没摸到就被检查员“杀”了。

  要知道,在擦航副驾驶转升机长只有三次机会。三次不过即为“终身副驾驶”。升级检查压力之大,可想而知。“死”在这样一套极限“组合拳”下,他们心存不服。

  听完他的“故事”后,我说:“我先问你一个问题,波音737有几套气源?”

  面对这样一个风马牛不相及的问题,他有些错愕。“波音737有三套气源,左引气、右引气和APU引气,其中APU引气限制在飞行高度17000英尺以下使用。”

  “不错,能够给出这样的答案,说明你是一名训练有素的第一副驾驶。但是在机长的概念中,波音737应当有四套引气,左引气、右引气、APU引气和紧急下降。实际上,在你们决定爬升至11600米巡航的那一刻,检查就已经结束了。”

  “使用手册中明确写有‘单个组件在高流量能够在飞机最大认证升限以内保持增压和可接受的温度’,难道遵守手册规定也有错吗?”

  “没错,‘单组件高流量支持最大升限’确实是手册的原话。但这仅仅是对机载设备的一个性能描述。而且这句话还有一个默认的前提,即波音737具备执行紧急下降的能力和程序。”

  “不知道你们注意没有,检查员给出的理由是决策错误而非处置错误。决定由11600米飞越雷雨,就意味着你们放弃了紧急下降的可能。左引气、APU引气和紧急下降都不可用,你们把整架飞机的安全维系在了单套设备(右引气)上面。作为‘机长’,你们的安全底线过低,没有给自己预留一个‘Plan B’。”

  “善战者无赫赫之功”,评价一位机长的能力首先是“能躲事儿”,其次才是“能铲事儿”。机长应当尽量让飞机维持一个稳定、足够的安全余度,如果这个安全余度无法维持,就应当考虑在最近的合适机场着陆。

  “波音737有四套气源”只是一句戏言,但是它体现了机长在把握安全尺度时遵循的一个基本思路。决策、心态、CRM,以及对安全尺度的把握,是很多第一副驾驶转升正驾驶过程中遇到最大的障碍。

  夏虫不可语冰,没有真正在左座行使过机长权威,没有体会过机组成员对你近乎于盲从的信任,没有在三万英尺高空体验过进退维谷的焦虑,他又怎么可能对安全尺度有游刃有余的把握?

  在带飞过程中,笔者常见下面两类副驾驶。

  第一类副驾驶机灵、“会来事儿”,业务娴熟,凡是机长指令或者职责范围内的工作绝对完成的漂漂亮亮;至于机长为何做出这样的决策绝口不问。日常航班中,这样的副驾驶很讨喜。与他们相处,机长会有一种如臂使指的愉快感受。

  第二类副驾驶木讷、迂腐、循规蹈矩,没“眼力见儿”。机长的指令到他那都要先“过滤”一道,只要与他的预期不同,都要问个“为啥”。有的时候问到机长的“痛脚”,难免遭人白眼儿。

  但随着时间的推移,我们会发现第二类副驾驶与机长的思维越来越同步。他能够准确的揣摩到机长决策背后的意图和权衡。到了转升正驾驶的关口,这一类副驾驶的心态转变会更为轻松。

  这两类副驾驶的形成,既有个人性格因素,也有企业文化和机队风气的影响。例如机长操纵飞机的时候,副驾驶连驾驶杆都不敢摸,在这种驾驶舱氛围中成长出来的第一类副驾驶就会多一些。

 

  未完待续…

(本文仅代表作者观点,中国民用航空网保持中立。)

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