B737增压系统故障简介之一:控制失效

  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”。

  第一类 控制失效

  B737NG飞机通过调整座舱的排气流速控制增压。本节所讲的“控制失效”主要是指座舱主排气活门的控制故障。

  主排气活门故障不外乎三种可能:控制器故障、直流马达故障和主排气活门卡阻三种。

  控制器故障和直流马达故障,可以通过切换备用控制方式来解决。排气活门机械卡阻,机组只能通过下降至安全高度一下来维持座舱的气压。如果故障发生时存在结冰条件,脱离结冰区后主排气活门有可能恢复控制。

  B737NG的增压系统有三种控制方式,AUTO、ALTN和MAN。当前方式失效后,机组应当按次序切换至其他方式。如果所有方式均无法将增压恢复至安全水平,机组应当立刻放出氧气面罩,下降至安全的高度。

  由AUTO方式至ALTN方式至MAN方式,增压控制方式的切换遵循这样一个原则,即“不错序,不倒序”。

  “不错序”是指当AUTO FAIL警告出现后,优先使用ALTN方式替代。确认ALTN方式不能控制增压后,再使用MAN方式接手控制。“尽可能利用自动设备”是安全工程设计的一个重要理念,目的是为了减轻机组的工作负荷,并且降低人为操作失误的风险。

  “不倒序”是指增压方式切换仅沿“AUTO - ALTN - MAN”的次序进行,对于已经排除的方式绝不做二次尝试。这样做的目的是为了将故障或不可靠的设备隔离在控制系统之外。

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  (一)活门介绍

  B737NG飞机增压系统的活门分为两类:增压控制活门和增压释放活门。增压控制活门用于正常飞行时的客舱压力控制,包括一个主排气活门和一个机外排气活门。增压释放活门的作用是限制座舱压差上限,保护机体结构,包括两个正释压活门、一个负释压活门。

  (1)主排气活门

  主排气活门的面积远大于其他几个活门,并且可以根据需要灵活调整开度。所以我们下文中讲到的增压控制主要是指对主排气活门的控制。

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  主排气活门共有三个直流马达,分别受自动增压控制器(AUTO)、备用增压控制器(ALTN)和人工增压电门(MAN)的控制。三台马达共同使用一套机械机构控制主排气活门。

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  (2)机外排气活门

  在地面及空中压差低时,机外排气活门打开,来自E&E 舱的暖空气排放到机外。在空中,座舱压差大时,机外排气活门正常情况是关闭的,排出的空气会扩散到前货舱的侧壁。——《B737飞行机组操作手册》

  机外排气活门位于机身前部,只有“开”和“闭”两个位置,并且遵循固定的压差动作。机组也可以通过关闭“再循环风扇电门”或者将组件置于高流量的方式打开机外排气活门。这两种方法在机舱排烟程序中会被应用到,具体可以参见《烟雾、着火或异味检查单》和《排烟雾或异味检查单》的内容。

  机外排气活门的开闭,会导致座舱升降率瞬时的波动,但不会影响正常增压控制。(下图)

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  (2)正释压活门、负释压活门

  正释压活门和负释压活门的起到“保险阀”的作用,目的是防止超过极限的正压或负压损坏机体结构。正释压活门和负释压活门不参与正常的增压控制。

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  (二)主备用控制落地交换

  B737NG飞机的增压由数字式座舱压力控制系统(DCPCS)控制。DCPCS系统有两个完全相同的控制器,每次落地后两个控制器会互换主备用角色,也就是增压面板上的AUTO和ALTN方式。

  “落地交换主备用控制”这一特点可以用于识别故障的控制器。因为每次轮到故障控制器负责AUTO 的航段都会出现AUTO FAIL警告,所以如果单一控制器故障在航班中会出现每隔一个航段AUTO FAIL一次的现象。

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  一个例子:

  按照B737NG飞机DDG的要求,如果一个增压控制器故障机务应当关闭不工作的系统,并确认人工控制正常。但是实际航班生产中各地机务的维护保障能力差异很大,未必能够提供理想的排故保障。笔者在航班中就曾经遇到过这样的情况。

  前一班的机组在空中遇到AUTO FAIL故障,ALTN控制正常。落地后机务测试AUTO控制正常(估计是因为故障控制器已经轮换到ALTN了),那就“请机组继续观察使用”吧。

  于是当班机组就把飞机飞回来了。回程AUTO 方式工作当然是正常(还是因为故障控制器轮换到ALTN了)。飞机交到我手里的时候,放行机务很高兴:“回程故障消失了,说明这是一个偶发性故障。您再飞飞看吧。”

  当时我对机务的结论表达了异议,但是没有得到机务的认可。双方各执一词,调度又没有飞机可换。把飞机扔在外站打官司?这官司很难打赢。飞机毕竟是停在地面上的,故障如何定性公司必定以机务意见为准。

  最终,在确认增压人工控制正常后我决定继续执行航班。我采用每个航段切换一次AUTO和ALTN的方法来“避开”故障的增压控制器。

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  “一尘不染的事情是没有的,我们都在吸进灰尘,可不妨碍我们做好一点。”——《我的团长我的团》

  设计再严密的运行体系,交给人来执行也一定会出现或此或彼的偏差。飞行区别于其他职业的一大特点就是“只解决问题,不纠缠是非”。机长作为最后一道安全关口尤其如此,谁拉的屎都是你来擦屁股。换句话说,你机长干的就是这个擦屁股的活,没有什么好抱怨的。既要保护好自己,还要解决问题。把心态放平了,这个尺度也就更好把握一点。

  夜半噫语,不成个道理,诸位看官权作笑谈罢。

  (二)自动失效(AUTO FAIL)

  不是所有的控制器故障都会触发AUTO FAIL等亮。只有符合下列条件,并且控制器未给予恰当反应时,才会触发AUTO FAIL警告。

  “如出现下列任何一种情况都会导致琥珀色 AUTO FAIL 灯亮:

  DC电源失效

  控制器故障

  排气活门控制故障

  压差过大(>8.75psi) *

  座舱压力变化率过大(+/-2000 海平面英尺/分) *

  座舱高度高(超过 15, 800 英尺)。 *

  * 如控制器未恰当反应”

  ----《B737飞行机组操作手册》

  AUTO控制器失效后,ALTN控制器会自动接手增压控制。如果ALTN控制正常,增压面板上AUTO FAIL灯和ALTN灯会同时亮,FLT ALT和LAND ALT窗口显示正常。

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  将增压方式选择器置于ALTN位后,AUTO FAIL灯熄灭,ALTN灯保持亮。

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  增压方式选择器在ALTN位时,如果负责ALTN方式的控制器也失效,ALTN灯熄灭,AUTO FAIL警告灯会再次点亮并触发主警戒灯亮。两部增压控制器都失效时,增压面板的FLT ALT和LAND ALT窗会显示为虚线。

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  (三)人工增压控制

  不论增压方式选择器在AUTO 还是ALTN位,只要两部增压控制器都失效增压面板的FLT ALT和LAND ALT窗都会显示为虚线。在确认两个自动控制器都失效后,机组应当切换至MAN位人工控制增压。

  《自动失效或非计划的增压变化》中对于人工增压控制的描述十分简单且粗略。B737NG的各种手册中均未对人工增压控制的具体操作技巧进行介绍。实际操作中人工增压控制是很考究技巧的科目。

  下面我们以飞行阶段为线索介绍人工增压控制的使用技巧。

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  (1)爬升阶段的人工增压控制

  第一步,验证MAN方式的有效性。

  MAN方式不具备AUTO和ALTN方式的自检和失效报警功能。所以确认MAN方式能够控制正常座舱高度十分重要。机组需要人工确认MAN方式能够保持座舱高度,并且能够控制座舱高度下降。这直接决定了机组后续故障处置和对飞行剖面的规划。说的直白一点就是“只要座舱高度随时能够下降,我们就不怕它上升”。

  将外流活门电门向关闭位连续搬动几下(通常约为2-3下),直至座舱升降率表指示至少1000ft/min的下降率。

  如果外流活门全关后座舱升降率仍然无法转为下降,或者只能形成很小的座舱下降率,则可视为人工增压方式不能控制增压。原因可能是主排气活门机械卡阻或者座舱存在其他漏气点。机组应当立刻停止爬升,通过改变飞行高度来维持最低限度的座舱增压需求。

  第二步,检查“座舱/飞行高度标牌”,按照计划巡航高度确定目标座舱高度。

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  第三步,以稳定的座舱升降率达到目标座舱高度并保持。

  人工控制增压时需要注意,座舱升降率对于外流活门电门的响应很快,大致上每搬动一下外流活门电门,座舱升降率就改变500ft/min左右。除非遇到快速释压,否则不要长时间搬住外流活门电门不放。超过1500fit/min的座舱升降率即会引气人体产生明显的生理不适。

  推荐机组按照“搬动一下,检查一次”的方法,以500-1000ft/min的座舱升降率控制座舱高度逐渐接近目标高度。达到目标座舱高度后,控制座舱升降率保持为零。

  随着飞行高度的上升,座舱内外压差会逐渐扩大。如果座舱上升率过小,且飞行上升率过大,则可能导致座舱压差过大。“座舱/飞行高度标牌”给出的数据已经考虑到了座舱压差保护的因素,所以正常操作下这种情况发生的可能性很小。

  机组可以通过增大座舱上升率,减小飞行上升率的方法避免座舱压差过大。下表是增压自动控制器在巡航阶段确定座舱高度所参照的座舱压差标准。机组人工增压控制时,可以参考该表格的数据控制座舱压差。

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  2)巡航阶段的人工增压控制

  在综合评估地形、天气、油量和航路限制等因素的前提下,机组应当考虑申请一个尽可能低的巡航高度。较低的巡航高度能够减小座舱压差,减小人工增压控制的难度。

  巡航阶段机组需要周期性检查和调整增压数据,维持稳定的座舱高度。在巡航阶段对于增压控制影响最大的因素是引气量的变化。最常见的引气量变化是由于发动机推力改变引起的。机组应当养成“收加油门后,调整增压”的意识。

  除了发动机推力以外,组件跳开、引气跳开、翼身过热、发动机失效/关停等故障也会导致引气量降低。机组进行人工增压控制时应当对上述因素的影响保持警惕。

  (3)下降阶段的人工增压控制

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  下降阶段人工增压控制的关键在于制定完善的计划。下降阶段人工增压控制最终的目标是在安全的高度将外流活门完全打开。如果飞机着陆时未能完全释压,座舱压差影响客舱门难以打开。强行在增压状态下打开客舱门,会导致机舱内气压剧烈变化,严重时会导致人员受伤。这对于正常客舱操作和紧急撤离都存在很大的威胁。

  多年的航班和训练中我们发现,《自动失效或非计划的增压变化检查单》对于飞机完全释压的要求有两点明显的不妥。

  其一,外流活门一次性打开存在伤人风险。

  “在外流活门位置指示完全打开给飞机释压之前,保持在OPEN 位”忽视了客舱存在剩余压差的情况。增压面板的座舱压差表精度有限。

  模拟机试验表明,即使座舱压差表已经指示为零,一次性将外流活门全开也会导致短时2000ft/min以上的座舱升降率。如果机组在2-3PSI的座舱压差下将外流活门一次性打开,会导致3000-4000ft/min的座舱升降率。机械的遵照检查单操作,存在伤人的风险。

  正确的做法是,在外流活门全开前首先确认座舱压差指示近似为“0”,然后“少量多次,前慢后快”搬动外流活门电门,始终控制座舱升降率不超过1500ft/min,直至外流活门全开。

  其二,“起落航线高度”操作外流活门增大了机组的工作负荷。

  在飞行程序中,起落航线高度通常是指机场之上真高1500英尺。但是在真实飞行中真高1500英尺时飞机已经进入最后进近阶段,机组的工作重心应当是集中精力保证着陆的稳定和安全,操纵外流活门势必会牵扯精力,增加着陆风险。

  基于以上两点考虑,通常情况下机组会选择机场真高3000英尺(海拔高度不超过10000英尺)时控制外流活门将飞机释压。为了从容完成人工增压控制,避免旅客不适,机组应当将下降的高距比规划的更宽松一些。

  例:飞机巡航高度10400米,计划向太原机场进近。

  1).巡航高度10400米(34100英尺),巡航座舱高度为8000英尺

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  2).太原机场标高2600英尺,计划机舱释压的高度为2600+3000=5600英尺。

  3).综合考虑进场程序和座舱高度表指示误差的影响,计划在飞行高度1800米(5900英尺)前将飞机释压。

  4).飞行高度由10400米(34100英尺)下降至1800米(5900英尺),需下降约28000英尺高度。以2000ft/min平均下降率计算,需要约14分钟。

  5).座舱高度由8000英尺下降至6000英尺,需下降2000英尺座舱高度。以500ft/min下降,需要4分钟时间。以1000ft/min下降,仅需要2分钟时间。

  6).根据上面的计算,在飞机下降的前半阶段,机组只需要保持8000英尺座舱高度不变即可。随着飞行高度的降低,座舱压差会逐渐减小。

  7).在飞机下降的后半阶段,至少在飞行高度8000英尺以前,控制座舱升降率转为500-1000ft/min下降率,以避免座舱产生负压差。

  8).当座舱高度达到6000英尺后,控制座舱升降率保持为“0”,等待飞行高度达到1800米(5900英尺)。

  9).飞行高度1800米(5900英尺)保持,座舱高度6000英尺保持,此时的座舱压差最小。渐次搬动外流活门电门,以不超过1000ft/min的座舱升降率逐渐将外流活门全开,使飞机释压。

  10).飞机完全释压后,飞机的下降率尽量控制在1500ft/min以内,以避免旅客出现不适。

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  (四)识别无警告的控制失效

  大量的实例证明,有相当数量的控制失效第一时间并未触发任何警告(例如缓慢释压)。只有当情况恶化到一定程度后,才会触发AUTO FAIL警告,甚至于直接触发座舱高度警告。故障发现偏晚,判断犹豫不决,会令机组处置的难度成倍增加。

  把对增压的监控完全寄托在警告系统上是不明智的。飞行中定期检查座舱高度、座舱压差和座舱升降率是否与当前飞行阶段匹配,是否处于正常阈值范围才是最稳妥的做法。

  如果遇到疑似的座舱控制异常,我们该如何验证呢?下面我们以最难判断的“爬升过程中座舱升降率大”为例介绍一些常用判断的方法。请注意:

  第一,以下处置基于这样一个前提,即座舱高度尚未接近极限值,座舱升降率稳定且仅小幅度高于正常值(1500ft/min左右)。一旦座舱高度接近极限,或者座舱升降率过大,机组应当果断按照《座舱高度警告或快速释压检查单》记忆项目处置。

  第二,下述方法的并不具备固定的优先排列次序,机组可以按需要选择一种或几种进行组合使用。

  第三,笔者可以确认下列方法在航班和模拟机上切实有效,但并非所有的同行都认同下述方法(事实上我所写的所有文章争议都很大)。请各位批判吸收,谨慎使用。莫谓言之不预也。

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  (1)检查压差

  在爬升过程中,随着飞行高度的增加,座舱高度未必上升(高海拔机场起飞,座舱高度可能下降),但座舱压差一定是逐渐增大的。自动增压控制方式会限制座舱压差不超过各个高度区间的极限值(下表)。如果座舱压差接近所在高度的极限值,自动增压控制系统可能会增大座舱上升率以保证座舱压差不超限。

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  如果座舱压差该高度的上限值,且座舱上升率偏大,那么基本可以认为这是正常现象。机组可以适当减小飞机的上升率

  如果机组发现座舱压差远小于该高度的极限值,那么“座舱升降率偏大”就变得很可疑了。这就有可能是机舱缓慢释压的征兆。需要我们做进一步的验证了。

  (2)计时检查座舱高度

  机组可以使用机载时钟计时一分钟,通过记录座舱高度表的变化值。将人工测得的座舱升降率与座舱升降率表的读值进行比较。在实际航班生产中,我们遇到过大量由于指示误差导致的“座舱升降率大”虚警。

  需要说明一点,即使座舱压差未接近极限,且座舱升降率确实偏大,也不能藉此认定增压失去控制。判断座舱增压失控与否,关键在于座舱升降率能否由“升转降”或者“由降转升”。

  (3)申请改平高度检查

  如果机组高度怀疑增压控制存在异常,可以申请在最近的高度改平,保持一段时间的平飞,同时将增压面板的FLT ALT设置为当前高度。如果增压系统正常的话,座舱升降率应当很快会在对应的座舱高度改平。

  这种验证方法有两点好处:

  其一,操作简便,原理简单易懂。机组只需要申请低高度平飞,正常操作增压面板,检查座舱升降率是否改平即可。

  其二,万一座舱真的存在“缓慢释压”,低高度座舱压差更小,有利于延缓释压速率,缩短紧急下降的时间。

  (4)设置低FLT ALT验证

  有些时候由于气象或者管制等因素,机组无法在就近高度改平飞检查增压。这时候该如何处置呢?我们可以借用“座舱/飞行高度标牌”的数据,通过在增压面板设置低FLT ALT验证增压控制。

  第一步,根据当前的座舱高度,在“座舱/飞行高度标牌”中查找对应的飞行高度区间。在本例中,当前座舱高度5000英尺,对应的飞行高度区间为“FL220 - FL320”。

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  第二步,将增压面板的FLT ALT 窗设置为低于下限的高度。

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  第三步,检查座舱升降率是否下降。

  按照上述步骤设置后,增压系统会试图降低座舱高度。如果增压系统能够形成稳定的座舱下降率,那么说明增压控制基本正常。这里沿用了前文中处置控制故障的一个重要的理念— —“只要座舱高度随时能够下降,我们就不怕它上升”。

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  (5)切换增压控制方式

  将增压系统切换至其他控制方式,检查座舱升降率是否发生变化。必要时可以使用MAN方式,验证外流活门的工作是否正常。

  (五)排气活门卡死在关位

  与缓慢释压相反,排气活门卡死在关位会导致座舱升降率持续下降。在飞模拟机训练中,经常在下降过程中出这个故障。座舱升降率显示下降,座舱高度也持续下降,隐蔽性和处置难度更甚于“缓慢释压”。

  识别这个故障最关键的指标在于——座舱压差持续上升。该故障应当执行《自动失效或非计划的增压变化检查单》,但是检查单项目对故障解决的帮助不大。如果在下降过程中发现外流活门卡死,下列四点需要综合考虑:

  (1)按检查单要求切换增压控制方式。

  机组应当按照检查单尝试切换至ALTN或MAN方式恢复增压控制。即使增压恢复控制,飞机恢复到正常座舱高度也可能需要一定的时间。机组可以考虑加入本场等待程序,推迟着陆。

  (2)采取一切手段,尽可能让飞机以释压形态着陆。

  如果三套增压控制方式均无法恢复增压控制,那么说明主排气活门可能发生了机械结构卡阻。

  如果飞机在结冰区域,机组应当尽可能下降至较暖高度。此外,机组还需要考虑在低高度关闭组件和再循环风扇,打开厕所和厨房排水孔。利用机体其他的排气途径为飞机释压。

  需要注意,长时间关闭所有空调组件可能会导致机载电子设备冷却不良,和机舱温度快速升高。机组需要综合评估各方面的影响。

  (3)如果带压差着陆,通知客舱和地面不要触动舱门。

  如果飞机被迫带着一定程度的座舱压差着陆,推荐将增压方式选择器保持在MAN位,这样可以避免飞机接地后主排气活门突然打开(详见下例)。

  飞机带座舱压差着陆后,通知乘务员和地面人员不要触动任何舱门,防止伤人。等待维护人员前来协同解决飞机释压问题。

  例:一个听来的“故事”

  话说很久以前,有一个组出来飞航班。下降过程中突然机组发现座舱高度指示为50000英尺。驾驶舱哥仨面面相觑。

  “如果座舱高度真的是50000英尺,那我们肯定早就死了。”机长最终得出结论。说的没错,B737NG飞机的升限也达不到50000英尺。而且人是不可能在50000英尺的高空存活的。于是机组认定是座舱高度表故障,继续正常进近。

  就在飞机接地后不久,只听一声巨响!整个机舱浓雾弥漫。很多旅客的耳朵都流血了。事后据当事人描述,眼泪从眼眶里不受控制的“滋出来”(当事人原话)。

  这是什么现象?典型的爆破性释压!

  飞机已经落地了,为什么会出现爆破性释压?

  事后查明,故障原因是主排气活门卡死在关位,座舱高度持续下降。下降过程中机组看到的座舱高度并不是真的指向50000英尺,而是指针反着转到了50000英尺位置。也就是说着陆时的座舱高度是负的好几千英尺。

  坦白的讲,我最初听完这个故事对其真实性有很大的怀疑。就算机组三人没有检查座舱压差,难道飞机的释压活门不会动作吗?直到多年以后的一次亲身经历解开了我的疑惑。

  有一次在外站由于廊桥故障,我们的机舱门被廊桥刮伤。机务排故后需要进行座舱增压测试。由于基地只派来一名机务排故,我被留在驾驶舱内作为机务的助手参与测试。

  在测试中,我亲眼目的座舱高度表不仅能够反转至50000英尺位置,还能够继续逆时针反转。座舱压差也远未达到释压活门动作的标准(座舱高度50000英尺,座舱压差3 PSI;座舱高度40000英尺,座舱压差4 PSI)。

  我也亲身体验了座舱增压状态下一次性将外流活门全开的感受。坑爹的波音手册,增压测试程序也是要求“在外流活门位置指示完全打开给飞机释压之前,保持在OPEN 位”。参加完测试,我的耳朵疼了三天。

B737增压系统故障简介之一:控制失效

  (六)增压控制故障小结

  (1)增压方式应当遵循“不错序”、“不倒序”的原则进行切换。

  (2)主排气活门的开度决定了座舱增压的方向。

  (3)AUTO和ALTN方式使用两个完全相同的控制器。每次落地后两个控制器交换角色。

  (4)AUTO和ALTN方式失效时都会触发AUTO FAIL警告灯亮。

  (5)AUTO和ALTN方式都失效后,FLT ALT 和LAND ALT窗显示虚线。

  (6)除非遇到快速释压,否则应当以“搬动一下,检查一次”的方式操纵外流活门电门。

  (7)人工控制增压,座舱升降率应当控制在500-1000ft/min为宜,最大不应超过1500ft/min。

  (7)人工增压控制下,飞机应当以完全释压的形态着陆。

  (8)能上能下,才算是有效的控制方式。

  (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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