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关于B737-300进近时飘摆的排故与分析

日期:2017-12-14 14:45 作者:韦跃先 点击:

        2017.11.10 GI4019 ,B-2571(B737-300),广州—杭州航班,杭州落地后机组报告在截获下滑道后飞机不能跟随自动飞行指引,需要断开B通道自动驾驶(当时用的是B通道的自动驾驶),改为人工操纵才能迅速修正回正确的航道。
        B-2571的这个相似的故障现象之前机组曾反映过两次,一次是9月17号,晋江—无锡,在截获下滑道进近时,高度不能保持,机组脱开B通道自动驾驶,改为人工操控,当时机务对应的工作是做DFCS的测试,未发现故障,继续监控。一次是10月12号,广州—西安,在截获下滑道后飞机响应飞行指引慢,飞机左右偏摆,机组脱开B通道自动驾驶,改为人工操作,当时机务对应的工作是对串FCC A和B,做DFCS测试正常,继续监控。然后就是11月10号的报告了。
        信息收到了,都是B-2571的,都是在使用B通道自动驾驶在进近的时候发生的。就算左右FCC对串后,现象依旧。而我们机队的B-2986和B-2572则没有相关的故障报告过。
        但实际上,由于总共就三次报告,且每次的时间间隔都很长,每次的现象虽然相近,但并不完全一样,所以我们很难确认这个故障现象具体是怎样的。又由于没有驾驶舱的警告信息,机组的报告也太简单,计算机里也没有故障代码,没有详细的状态信息可供分析。所以我们首要的任务,就是明确故障现象到底是怎样的。最早两次的时间太久机组记的已不太清楚,所以11月10号当机组再次报的时候,我们立刻向机组问清了当时的详细信息。据机组描述当时的过程是:飞机在截获下滑道后,在转弯并对准跑道的过程中,飞机一直保持转弯姿态以至于转过了头而偏离了航道都还没有回正。因为当时高度已经很低,机组立刻脱开了自动驾驶,人工修正回航道。
机务维修人员擅长的是给飞机做保健,如日常勤务,这时我们是飞机的保健医生;和对飞机具体故障的排除,如有驾驶舱效应的现象,有故障代码,有看得到的漏油闻得到的异味等等,这时我们会变为飞机的专科医生。但是对于这种有关于飞行操纵的异常却没有任何警告和故障信息的情况,我们会很头痛,因为往往不知道从何下手。
        工欲善其事,必先利其器。还好我们现在就有了这么个强大的工具来分析这类现象,那就是------利用QAR数据来监控飞机的软件AIRFASE。工具有了,那该怎样来用呢?这其实很简单,方法就是-------差异比较法。我们要看看飞机正常时的表现是怎样的,有故障报告时的表现又是怎样的,它们之间有什么不同?找到这些不同点,再进行下一步的分析。所谓抽丝拨茧,能找到那个线索的头,后面就容易了。
AIRFASE提供两种模式的监控方式,一是数据式,一是图形式。数据的优点在于精确,利于细致的分析判断;图形的长处是直观,对于整体的把握快速方便。
现在先直观的看看当时的状况,那就用图形来比较一下:

        正常情况下,飞机以较大角度一次转弯飞正到对正跑道的航道上。但在不正常的情况下,飞机转向角度偏小,当飞到航道上时,机头还没有转正,于是飞过了航道,所以就向回修正,但不是一次就能完全修好,飞机又飞到航道的另一侧,需要继续修正。这时机组就脱开了自动驾驶,改为人工操控了。
看到这种情况,又根据之前机组的反映:飞机响应飞行指引慢,突然想起是不是存在这种可能:FCC给出了大角度转弯的指令,但不知道什么原因,实际的姿态改变跟不上指令的需求,造成只能以较小的角度转弯,于是需要更多的时间才能达到目标值,这样就对应了响应飞行指引慢。想到这里,我们立刻利用了数据分析的优点:精确。通过把在正常和异常情况下多个航班,三架飞机的进近转弯时姿态值进行比较,真的发现了异常情况:飞机的横滚变化确实是明显的比正常情况下慢。通过询问机组得知在自动驾驶模式下,当下滑道信号截获后,开始转弯时的位置和飞机的空速就是设定好的了,所以转弯半径也就定好了。横滚偏慢就会导致飞机达到指引的姿态所需的时间增多,所以转弯半径会变大,飞到航道时就还没对正。于是我们就找到了这个线索头,开始了进一步的分析。
        怎样会导致横滚变化慢呢?由于样本少表明发生的概率小,我们想出三种可能情况。一:由机组的误操作引起。二:由外部的风造成。三:自动驾驶B通道的间歇故障导致。
        对于第一种情况,由于当时飞机是在自动驾驶模式下,副翼和升降舵都由计算机控制,航向由LOC信标引导,发动机推力也是由自动油门计算机在控制,所以机组操作的只有襟缝翼,起落架和扰流板。襟缝翼在进近转弯前已放下,但不同的航段角度设置不一样。起落架的放下时间则不固定,有前有后。扰流板的减速功能则是按需而用。本来想看看由于这些设置的不同会不会导致空速的较大差异,姿态的明显改变,但是通过对多个航班的数据比较,并没有发现这些参数和故障现象有什么明显的联系。机组操作没有问题。
        第二种情况,外部的风。从数据看有问题的那段时间风速其实很小,不会对飞机的姿态造成什么影响。
        第三种情况,自动驾驶B通道的问题。这个就很麻烦了,因为自动驾驶系统的逻辑交联实在太多,又是很久才出现一次,在没有故障代码的支持下,要找起来实在是让人头大。还好,虽然只有这么几个样本,但每次的现象都会稳定持续一段时间,并非一闪而过。所以我们可能会在地面模拟出这种现象。这让差异比较法可以继续发挥它强大的威力,因为我们有一个没问题的—A通道。
        首先还是要来研究一下自动驾驶的工作原理。飞机的自动飞行控制系统(AFCS)由三部分组成:一。数字式飞行控制系统(DFCS),二。偏航阻尼系统(YAW DAMPER),三。自动油门系统(A/T)。一般我们说的接通A或B通道的自动驾驶,在操作上就是按压方式控制面板(MCP板)上的“A/P ENGAGE”里A或/和B通道的CMD或CWS按钮,CMD,CWS模式只能二选其一。一般机组会选CMD模式,这时计算机会根据各种设定指令来自动控制飞机的飞行。
        自动飞行系统(AFCS)的结构图和数字式飞行控制系统(DFCS)的结构图

        自动驾驶对飞机的姿态控制主要是通过对副翼和升降舵的控制来实现的。它的大脑是两部FCC计算机,它们接受来自管理员FMCS,MCP的命令和各种传感器,无线电收发机的信号,计算出姿态的目标值,也就是飞行指引显示在EADI上。同时也计算出实际的动作指令到副翼和升降舵的自动驾驶作动筒。作动筒用来控制舵面的动力控制组件(PCU),以此带动舵面运动到需求的位置。A通道和B通道一般同一时间只有一套能工作,两套自动驾驶的功能一模一样,但是A通道用的是FCC A计算机和它的信号源,执行机构,B通道用的则是FCC B计算机和它自己的信号源,执行机构。所以总的来说,对于自动驾驶,有两个大脑,两套信号源,两套作动筒。大部分时间,只有一套在工作,另一套在休息。
        自动驾驶对横滚的控制主要是通过对副翼角度的控制来实现的。同等速度下,副翼偏转角度越大,则横滚的速度越快。那现在的实际情况是横滚偏慢,则副翼偏转角度就应该比正常偏小,是这样吗?我们再次通过QAR数据进行比较验证,果然发现在出问题的几个航班副翼偏转角度偏小,而且偏小的量还不小。这说明我们找对了方向。
那又是什么原因导致副翼角度偏小呢?我们设想:一:FCC本身有问题,二:输入指令和信号有问题,三:输出指令有问题,四:执行机构有问题。都将会导致不正常的副翼动作。
对于可能性一,FCC A 和 B 计算机我们在机组第二次报告之后已经对串过,现象依旧,并没有变到A通道,所以不是FCC B 计算机的问题。
对于可能性二,输入指令和信号,我们在地面依据AMM对A ,B两个通道都做了完整的DFCS测试,检查了和自动驾驶相关的位置传感器的值,测试了仪表着陆系统的功能和LOC,G/S信号的接受能力,都很正常,没有发现差异。
对于可能性三,输出指令,其实在可能性二当中,我们做DFCS的测试时,是把输入输出一起验证了,所以输出指令也应该没问题。
对于可能性四,我们检查了A和B通道的副翼自动驾驶作动筒以及和PCU的连接状况,没有漏油,腐蚀,虚位等非正常现象发现。功能测试它们的作动速度,角度也是一样的。
        这就奇怪了,找不到问题了。是不是不是飞机的问题,而是外部瞬间的信号变动,比如LOC的漂移造成的?但飞行指引是正常的,说明外部的信号应该也是正常的。问题还是出在飞机内部。
        一时间失去了方向,只好再回过头来对系统继续进行研究。在看AMM的时候,在DFCS的章节里,对于和副翼有关的部件,除了作动筒和传感器外,还看到了一个部件---副翼力限制器。根据AMM的描述,它的作用是:“限制驾驶盘的角度,当后缘襟翼收上时,角度限制在17°;当后缘襟翼放下时,角度限制在25°。它只在自动驾驶接通的情况下起作用,能够限制滚转率,因而限制自动驾驶的操纵能力”。看到这里,突然灵光一现,是不是这玩意儿有问题,错误的限制了副翼的动作?但再一看,心却凉了半截,因为根据有效性,B-2571根本就没有装副翼力限制器。怎么办?换个角度思考,对于B737-300这种大伯级的飞机,各种功能,部件的改装一定不少,是不是这个功能已经不需要一个限制器来实现了,是不是已经整合到计算机内部了?带着这个疑问,我们查阅了很多资料,终于在SSM和WDM里找到了这个逻辑,就是“FORCE LIMITER INTERLOCK”。

        我们首先来看看有副翼力限制器这种构型:
        副翼力限制器有一套开关和离合的作动机构和两套独立但一模一样的输入信号,分别连到FCC A 和 FCC B的 “FORCE LIMITER INTERLOCK”和 “AILERON FORCE LIMIT CLUTCH ENGAGE”这两个逻辑。在“INTERLOCK”逻辑中,还并联有马赫配平电门S290。正是这个这个电门给出一个襟翼收上/放下的信号到FCC,然后FCC告诉副翼力限制器,驾驶盘最大能转动是17°还是25°。于是当驾驶盘转到相应的度数时,副翼力限制器就起作用了,它拉住了驾驶盘,不让它的转动角度进一步变大。

        无副翼力限制器构型
        再看看B-2571,因为没有了副翼力限制器,所以没有了“AILERON FORCE LIMIT CLUTCH ENGAGE”这个逻辑,但还是有“FORCE LIMITER INTERLOCK”这个逻辑,只是现在这个逻辑只和S290有关了。
 从系统原理来看,现在只有S290的信号逻辑,找不到类似于副翼力限制器那样的执行部件,FCC的其它接口上也没有看到等效的执行指令输出。难道没有限制功能了,还是软件升级功能被整合到计算机内部了?可能性很多,想起来千头万绪,但其实只要动一动手就立刻知道了。于是我们按照有副翼力限制器构型的测试步骤在飞机上验证了一下,结果这一做,就像一道金光刺透层层迷雾,瞬间给我们指明了方向。
我们来看看有副翼力限制器这种构型的AMM对测试的描述。
(1)      接通B通道自动驾驶,襟翼为收上位(0°),驾驶盘在中立位。
(2)      把MCP板上的 BANK LIMIT设置为30°。
(3)      在MCP板上把 HEADING和飞机的机头朝向调到同一方向上。然后按压MCP板上的HDG SEL按钮。
(4)      在MCP板上把HEADING设置为偏离机头右边45°,则驾驶盘会顺时针转动到2.8---3.2个单位(15°--19°)。
(5)      放下襟翼到10个单位,则驾驶盘会继续顺时针转动到3.8---4.5个单位(23°--27°)。
然后看看在B-2571上的验证结果。做A通道的时候,一切结果都和测试描述相近,只是驾驶盘偏转的值不一样,当襟翼收上时,转动为3.5个单位左右,襟翼为10个单位时,转动为5.0个单位左右,这表明自动驾驶对副翼的限制功能的确是存在的(驾驶盘的转动代表了副翼的偏转,驾驶盘转动角度越大,副翼偏转角度越大),而且这个限制功能是根据襟翼的位置来起作用的,襟翼收上,副翼偏转小,襟翼放下后,襟翼偏转大。但是B通道,差异出现了! B通道在襟翼放下时,驾驶盘并没有继续顺时针转动到更大的角度。我们试过所有的襟翼位置,驾驶盘都只会停在3.5个单位附近。考虑到A,B通道功能的一致性,这表明B通道的限制作用发生了错乱,导致无论襟翼怎样,副翼都只能转到一个小角度。
而这样就匹配起来了。以前的故障现象都发生在最后的进近着陆阶段,那时襟翼已经放下,FCC B根据从襟翼位置传感器(这个传感器已做过测试,工作正常)传回来的实际位置计算出了正确的飞行指引并要求副翼大角度偏转(因为最后进近时空速已很低),无奈FCC B中的限制功能神经错乱,不让它转这么大,于是就出现了机组报告的那些现象。
        那么为什么会错乱呢?两部FCC计算机是没问题的,现在的构型不需要专门的部件来起限制作用,是直接由FCC发指令到执行机构,而之前已说明这也是正常的。那就只剩下FCC前面的输入逻辑有问题了,并且这个逻辑还是和襟翼位置有关的。联系WDM中连接到“FORCE LIMITER INTERLOCK”的逻辑就只和开关S290有关且从WDM可知,它正是一个襟翼位置收上与放下的信号开关,当襟翼在全收位时,它输出一个状态信号,当不在全收位的其它任意位置时,它输出另一个状态信号。S290是一个大的开关组件,其内部总共有六个独立的小开关,分别独立连到FCC A,FCC B,和空调,液压,起落架,飞控系统。通过这些分析我们肯定S290和FCC B之间的线路或者S290内部和FCC B相对应的那个小开关有问题,导致襟翼放下的信号输送不到FCC B。然后的工作就简单了,S290和FCC B之间的线路测量正常,而S290内那个小开关测试则未通过。参考之前的图WDM 22-11-72,在襟翼放下时,发现E-7和E-9的线路没有连通,E-7还和E-8连在一起,代表FCC B还是收到襟翼收上的信号所以这时副翼的偏转角度被限制在了较小的角度上了。
        终于找到问题的根源了,剩下的就是例行活了。订件,更换S290,然后再看看更换后的效果一切正常!
        到此为止,可以说这个偏摆问题基本解决了。但其实还是有些疑问在心中:S290的故障是个稳态故障,并不是间歇性的,那应该机组会多次反映同样的问题。为什么到现在为止只报过三次?是不是触发问题的条件非常特殊还是和机组的操作设置有某种联系,现在还不得而知。但不管怎样,对于飞机本身的技术问题,我们发现了。737-300的手册并不完美,比如AMM中对S290的拆装测试里就没有对这个限制作用的描述,手册里的排故程序也太过简单。而且机型太老,感觉同功能计算机之间不像现在的新飞机那样有相互检查功能,所以A通道和B通道的相同逻辑信号不一样时不一定能触发驾驶舱效应和故障记录,这就需要我们对系统进行详细的研究分析,充分利用现有的新工具来帮助我们确定故障源,缩短排故的时间,减少用以验证而进行的部件更换。机型虽然很老,但维修所用的技术和设备一直在不停发展,所以我们要不停的学习,不断的专研,让我们的工作越来越快速,准确,高效。

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