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[30防冰排雨] 大翼前缘大脾气:怕冷怕热爱挑剔

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发表于 2019-9-8 18:11:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
为什么FCOM不允许使用APU大翼防冰?为了解决这个多年的困惑,A机长开着模拟机穿过20,000 ft的潮湿空域,只见咔咔咔一顿操作猛如虎,瞬间整出4条狗:发动机稳如狗、APU怂成狗、客舱冻成狗、大翼冰成狗……


01
背景知识:大翼热防冰、引气

大翼热防冰(wing thermal anti-icing),指的是飞机使用自身的热引气对大翼前缘装置进行加热,从而在有结冰条件的情况下,防止这些部位产生积冰。在某些已产生了积冰的情况下,也能起到除冰(de-icing)的作用。

1.gif
▲ A320空中除冰情景

热引气,指的是来自发动机或APU(辅助动力装置、区别于正常发动机的简化版“发动机”)的“三高气体”:高压、高温、高流量。引气“三高”是引气的关键属性,对于理解本文的热防冰概念非常重要,我们曾在这篇文章里简单介绍过——《引气:发动机“泵”出的“3高”气体》。正常情况下,B737NG和A320的发动机与APU,输出大约200℃的热引气。

2.gif

以缝翼为代表的大翼前缘装置,在飞行关键阶段伸出或收起,从而改变大翼的形状,对于飞机的正常操作(根据需要产生、维持或减小升力/阻力)至关重要。因此大翼前缘装置,尤其是其正对着来流方向的部位,其外形对于任何改变十分敏感。而积冰可以显著改变大翼前缘的实际形状、产生紊乱的有害气流,严重时导致飞机失控和坠毁。2004年11月21日中国东方航空MU5210(机型CRJ-200)从包头飞往上海虹桥,起飞不久后失事坠毁,即是因为大翼前缘结冰。

3.jpg
▲ A320大翼前缘缝翼

02
B737NG大翼防冰:APU引气“帮不上忙”

很多人记得2016年1月24日中午,广州迎来了65年来的第一次降雪,那是南方极冷的一天。而在稍稍往南一点的地方,北回归线以南,稍早一些的宝安机场,原计划执飞一架B737NG早晨6点多航班的B机长,遇到了机场投入运行以来第一次需要防冰的情景。然而宝安机场没有除冰车,B机长和其他飞行员一样,坐在驾驶舱吹着暖气,等待外界气温自然上升,直到9点以后,看见覆盖在机身和大翼上薄薄的一层霜已经融化,这才排队出。

“机身上有点儿霜倒没什么影响,但是大翼前缘和发动机进气道就不能有啊”,后来聊起这事的时候,B机长说,“进气道还可以在开车之后用发动机自己的引气来加热,但是大翼前缘就尴尬了,在北方可以用除冰车,在咱们南方就只能等着外面升温了。”B机长说的“开车”,是“老司机”的俚语,意思是起动发动机。

他接着说:“大翼有霜就不能开车,不能开车就不能除霜,于是乎大翼和发动机他俩就干瞪眼了……”一边说一边比划,好像模式控制面板是大翼,驾驶盘是发动机。

我听了暗想:“后来是太阳爷爷来帮忙了吧?然后大翼笑了,发动机也笑了,是这回事?”我自己忍住没笑出来,问道:“那APU引气也可以给大翼前缘加热吧?”

“APU?APU不能吧?”B机长右手往后一摆,手指后方。

“只能用发动机引气吧?APU引气应该过不去……”副驾之前还瘫坐着享受机长的故事,这时也挺起身,表示赞同。他说“过不去”,指的是APU引气无法到达大翼前缘。

“但是我们用APU引气来做这个系统的测试,说明是过得去的……”我一只手托着下巴,表示疑问。

4.png
▲ B737NG:“过得去”的APU引气

他俩相互看了看,我们仨相互看了看,摊摊手,没有答案。

“那有没有要求使用APU引气来进行大翼防冰的操作程序呢?”我又问。

他俩分析了一番,达成一致:操作程序还真没有、正常情况下也没必要、我们还真没想过可以用APU引气……

“那咱这南方的特殊情况下,APU引气也帮不上忙了呗?”

“是吧……”,B机长一只手托着下巴,陷入思考的样子像个表情包。

03
A320大翼防冰:手册不允许使用APU引气!

关于大翼防冰,关于APU引气的使用,飞A320的A机长也有疑问——

“为啥FCOM写着大翼防冰不允许使用APU引气?”

5.png

“不知道啊……”于是我俩研究了一下,发现A330/A340、A350的FCOM也有一样的使用限制——

Use of APU bleed air for wing anti-ice is not permitted.

事实上,和B737NG一样,A320大翼防冰部件和系统的测试,也是可以使用APU引气来完成的,也就是说APU引气是“过得去”的。那么FCOM为什么要限制飞行员使用APU引气进行大翼防冰呢?A机长认为,重点在于这个限制并没有明确说明是地面还是空中,但是从飞行操作的角度,应该主要是说在空中的使用限制。

究竟是为什么呢?A机长说:“有一种说法认为是因为APU没有预冷器,引气温度太高了,所以不能用作大翼防冰。另外一种可能,我在地面试过,用APU引气接通双组件的同时,可以打开大翼热防冰活门,但是ECAM上显示为琥珀色,怀疑是引气压力太低了……”

嗯,这里要划重点了。A机长猜测不允许使用APU引气进行大翼防冰的原因,可能是:1、温度太高;2、压力太低。而真实的原因,后来还是A机长自己“上天”去找到了答案……

04
娇气的大翼 VS. 彪悍的发动机

究竟为什么不允许使用APU进行大翼防冰?FCOM只是给出一纸禁令,这让A机长很是疑惑,他问维修资料里面有没有说法。

应该有吧?这就来查!翻遍A320和B737NG两个机型的飞行操纵、防冰、引气、APU等章节的AMM,又查找部件维修手册(SCMM)、结构修复手册(SRM)。结果十分乐观:意外解锁了不少新姿势知识:)

关于不允许使用APU进行大翼防冰,维修手册里真的没有给出直接的答案。以下摘抄一部分比较相关的说法,大家一起来赏析——

  • A320 AMM 30-11-00


When the aircraft is on the ground, the automatic test facility is started when the control switch (3DL) is selected ON and is stopped after 30 seconds by the time delay relay. SDAC/ECAM monitors the test function and if the test continues for 35 seconds or more, the ECAM signals a SHUT DOWN PENUMATIC SYSTEM warning message (to prevent overheat damage to the slats).

  • A320 AMM TASK 30-11-00-040-004 Deactivation of the RH Wing Anti-Ice Control Valve to the OPEN position


The engine bleed must not be operated during ground operation (unless for engine start). If the crossbleed valve is open, the APU bleed must not be operated during ground operation (unless for engine start). If the engine or APU bleed is operated, heat damage to the slats can occur.

  • B737NG SDS 30-11-00


When the wing thermal anti-ice is used on the ground, the engine and wing anti-ice control panel (P5-11) energizes the WTAI solenoid valve. This releases the control pressure from the precooler control valve actuator. This causes the precooler control valve to open fully.

The wide open precooler control valve gives maximum cooling to the engine bleed air. This protects the wing leading edges from overheat damage.

The wing thermal anti-icing system is made to keep the leading edge of the wing free of ice accumulation during flight. During flight there is a large airflow over the wing. This airflow has a great cooling effect on the leading edges. The wing thermal anti-icing system heat output is great enough to overcome this cooling effect.

When the wing thermal anti-icing system is used on the ground, there is very little cooling airflow over the wing. In these conditions, the wing thermal anti-icing system heat output can overheat the wing leading edges. This can damage the heat treatment of the leading edges devices. To prevent overheat damage to the wing leading edge, the engine bleed air is given maximum cooling during ground operations.

以上资料的要点是:
  • 在地面,如果进行大翼热防冰,对于A320,无论使用发动机引气还是APU引气,都被限制为30秒后自动关断,从而防止大翼前缘缝翼受到过热损伤。
  • 在地面,如果进行大翼热防冰,对于B737NG,使用发动机引气,那么预冷器的控制活门将会自动完全打开,使引气得到最大程度的冷却,从而防止大翼前缘缝翼收到过热损伤。
  • 在地面,如果进行大翼热防冰,对于B737NG,大翼前缘几乎得不到(对面的)冷却气流。
  • 在空中,如果进行大翼热防冰,对于B737NG,大翼前缘得到大量气流的冷却,同时引气的热量也足够克服冷却效应。


由此可以抓到的最重要的结论其实是:大翼前缘实在有点娇气——撇开它挑剔引气来源不说,它既怕过冷(需要防冰),还怕过热(机械性能下降)……

事实上,SRM告诉我们,这两个机型的大翼前缘缝翼,主要的材料是铝合金(7075和2024)。这些铝合金材料在150℃以上时,机械性能将显著下降。然而,当发动机在正常情况下输出引气,无论在地面还是空中,引气温度都能高达200℃,并且刚刚离开吊架区域,就立即到达需要加热的大翼前缘。

6.jpg
▲ A320大翼热防冰操作原理

200℃ VS. 150℃!彪悍的发动机,究竟要如何做,才能正确地呵护娇气的大翼前缘?答案是:适时节制!

在空中,由于有大量的冷却气流,发动机大可以自由自在地给大翼前缘进行热防冰。只是为了保留推力、节约燃油等外部的原因,飞行员才需要在确实没有结冰条件时关掉它。而在地面,将发动机引气用于大翼热防冰,要受到严格的节制!具体方案是:

  • B737NG:发动机吊架上有一个特殊的电磁活门,使预冷器控制活门完全打开,从而来自风扇的冷空气能对引气进行最大程度的冷却;同时在大翼热防冰关断活门的下游,有一个过热保护电门,其触发温度是——125℃。
  • A320:每次通过电门启用热防冰,都将在30秒延时之后自动关闭。


05
弱小的APU

彪悍的发动机,对面娇气的大翼,是如此节制。那么作为“辅助动力装置”的APU,表现又如何?

不知道啊!维修手册又没有给出答案,我又不会编故事……

A机长:也不好到天上去测试啊!不安全且不说,你也知道人在做,QAR在看……

我说:你说得对,那就模拟机上试试啊!

于是A机长后来真的到模拟机上试了一把。结果十分乐观:这次我们知道答案了!答案就是:辅助的就是辅助,APU就是个弟弟!

7.jpg
▲ 测试条件:地面APU引气只用于两侧大翼热防冰

首先,即使是在地面,在距离大翼前缘不太远的引气总管上,温度传感器可以测出,APU提供给大翼热防冰的引气,在外界温度-5℃的典型结冰条件下,可以达到150℃以上,这30秒使用时间的情况下,虽然不足以伤害大翼前缘,但是相比于正常的发动机引气(200℃),效能显然已经要低很多了!

8.jpg
▲ 测试条件:高空APU引气只用于左侧大翼热防冰

其次,模拟一个空中极端条件下的测试。在环境温度接近-60°的20,000 ft高空,将APU引气全部用于左侧大翼热防冰,并和正常使用发动机引气的右侧对比。从参数(压力、温度)可以看出,由发动机输出的右侧引气依然强劲如同在地面,而由APU输出的左侧引气,温度几乎只有不到右侧的一半,压力则只有右侧的约四分之一。虽然防冰活门依然打开了(事实上根据SCMM打开该活门的引气压力小于10 PSI),但是可想而知,左侧的防冰能力和处于正常状态的右侧相比,是非常地低了。

通过以上两个试验,我们得出结论:无论在地面还是空中,APU引气用于大翼热防冰,其效能都是不能满足正常需要的,在空中尤其如此。可见,不允许将APU引气用于大翼防冰,并不是不让APU去试试,而是APU真的担当不来。如果从参数的角度来看,既不是由于没有预冷器而导致温度过高,也不是压力不足以打开活门,而是温度过低、引气流量也过低(表现为压力低)导致不能正常防冰。

只用于大翼热防冰,APU的表现尚且如此,就更别说在空中假设真的需要使用APU了,那么一定是发生了一些十分紧迫的情况,以至于大哥(发动机)扛不住,弟弟也不得不出来帮忙了——在快速检查单程序[QRH] BLEED 1+2 FAULT(双发动机引气失效)中,除了要求尽快下降之外,还要求将APU引气(如果可用)用于客舱增压,这种情况下,APU引气就更不能用来做相对不紧迫的大翼热防冰了。因此程序要求避开结冰条件,并且反复强调不可以将APU引气用于大翼热防冰。

KEEP WING A.ICE OFF
APU BLEED must not be used for wing anti-ice.

06
APU:为经济性而弱小

APU之所以弱小,是因为它真的只是个“辅助”性质的动力装置。这里和正常的动力装置——发动机做个简单的对比。

1)温度

无论在地面还是低温并且空气稀薄的高空,发动机的多级轴流式压气机始终能对来自环境的空气压缩和加热,输出的初始引气温度和压力都非常高,以至于必须始终使用预冷器进行冷却,才能保证最终输出的可用引气“只有”200℃。而APU的单级离心式压气机,虽然也对来自环境的空气进行压缩和加热,但大部分时候无法稳定输出200℃以上的正常引气,输出的压力也始终比较低。参数的情况,我们从前边的两个试验中,已经能看出来了。

以A320典型选配的APS 3200为例,它的压气机在最理想的情况下,最高也只能输出232℃(450 F)的初始引气,完全无须使用预冷器进行冷却,就可以提供给大多数对高温没有要求的用户。

9.png
▲ APS 3200:单级离心式压气机、引气无温度调节

2)与用户的距离

与用户的距离比较远,在运输管道上发生的热交换,使得原本已经比较弱的APU引气进一步受到明显的损失。事实上,对于A320而言,通过设置发动机引气电门、交输活门电门、组件电门等,可以隔离和观察APU引气到达总管中央位置时的状态(有温度和压力传感器)。在各种环境中,其温度通常已经衰减到160℃以下了。而发动机引气的运输管道比较短,热损失很小,状态参数就接近于它的初始值。

10.png
▲ A320大翼热防冰部件位置图

APU之所以弱,就是因为已经有了两个正常的发动机。它作为辅助动力装置,必须是简化了的小型发动机,这样重量才足够轻以便节约燃油成本,其造价和维护成本也才足够低。假如它不再弱小,那么B737NG和A320也就变成麦道了(第三个发动机在飞机尾部)。

07
B737NG和A320大翼热防冰综合对比

最后附上一份比较全面的总结。

说明:
- N/A = not applicable 不适用或者不涉及
- “系统描述”和“维修操作”部分,主要依据是AMM和SRM等手册;“飞行操作”部分依据是FCOM


B737NG
A320
系统描述
用户/加热部位
每侧大翼3个内侧前缘缝翼(SLAT  2, 3, 4)
典型材料:7075-T62包铝、7075-T6
每侧大翼3个外侧前缘缝翼(SLAT  3, 4, 5)
典型材料:2024-T42包铝
气源
发动机
正常程序(空中或地面)
正常程序(空中或地面30秒)
APU
仅用于测试(30秒手动关断)
仅用于测试(30秒自动关断)
地面气源
可用于测试(冷引气无限制)
可用于测试(30秒自动关断)
电门
操作电门
头顶板的1个跳开关型toggle电门(空地逻辑可触发其从ON位跳回OFF位)
头顶板的1个PushButton电门
逻辑电门
推力保留:左右各1,中央操纵台下方的自动油门电门组件内部
过热保护:左右各1,关断活门下游
延时保护:30秒自动关断继电器
压力保护:低压、高压,关断活门下游
指示/警告
活门开指示灯(VALVE OPEN蓝色灯,左右各1)
操作电门(FAULT/ON);ECAM警告
计算机
没有专用计算机;
主要逻辑电路位于控制面板内部
交互的计算机:PSEU(空地逻辑)
没有专用计算机;
交互的计算机:LGCIU(空地逻辑)、EIU、SDAC、ACSC
活门
电磁活门
位于发动机压气机匣的顶部(左右各1),仅地面用于使预冷器控制活门全开
N/A
关断活门
位置/数量:大翼前缘、发动机外侧(左右各1)
类型:电控电动(115VAC)
人工超控手柄:有
位置/数量:大翼前缘、发动机外侧(左右各1)
类型:电控气动(28VDC)、弹簧加载在关位
人工超控手柄:有
管道类型
供应管、伸缩管(telescoping tubes)、喷射管(spray tubes)
伸缩管、短管(piccolo ducts)、软管(flexible ducts)
压力限制
N/A
数值:正常22.5 psi,最低14.5  psi,最高30.5 psi
位置:过热电门在关断活门的下游
温度限制
数值:过热保护(仅地面),257F(125C)
位置:过热电门在关断活门的下游
逻辑:两个关断活门同时对任何一个过热电门响应。
N/A
推力保留
地面起飞时(油门解算角TRA=60°)
N/A
飞行操作
起动发动机前
除防冰液
除防冰液
起动发动机后
按需(离地时自动关断)
按需(30秒自动关断)
起飞后至下降前
按需
按需
下降准备
按需
按需
进近
按需
仅严重结冰时
着陆后
核实关闭
核实关闭
地面除冰/防冰
防冰液(优先)或大翼防冰
防冰液
维护操作
例行工作
N/A
N/A
地面除冰/防冰
防冰液(优先)或大翼防冰
防冰液
大翼防冰关断活门安装测试
不要求使用引气
30秒自动关断
大翼防冰系统测试
要求30秒手动关断
30秒自动关断


—— END ——

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发表于 2019-9-9 00:06:39 来自手机 | 显示全部楼层
虽然看的不是很懂,但是感觉很不错
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发表于 2019-9-9 18:41:34 | 显示全部楼层
看得我一脸懵逼
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发表于 6 天前 来自手机 | 显示全部楼层
用apu测试大翼防冰的时候得把两个pack都关掉 这也说明了apu比较弟弟 感谢分享
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
好贴,一定要顶,空地交流很和谐,值得学习
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发表于 2019-9-8 18:53:19 来自手机 | 显示全部楼层
写得很明白
平凡之路
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发表于 2019-9-8 19:22:51 来自手机 | 显示全部楼层
可以的,兄弟,
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发表于 2019-9-9 16:52:24 来自手机 | 显示全部楼层
模拟机测试结果和真飞机一样吗?
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 楼主| 发表于 2019-9-9 21:50:27 来自手机 | 显示全部楼层
reppom 发表于 2019-09-09 16:52
模拟机测试结果和真飞机一样吗?

好的模拟机都是真实飞机的逻辑
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发表于 2019-9-9 22:58:15 | 显示全部楼层
就俩字,透彻!!楼主好样的。
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发表于 7 天前 来自手机 | 显示全部楼层
HelloSky 发表于 2019-09-09 21:50
好的模拟机都是真实飞机的逻辑

再好的模拟机也是电脑模拟的,也会有逻辑错误,毕竟模拟机生产厂家和飞机制造厂家不一样。
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发表于 7 天前 来自手机 | 显示全部楼层
写的非常详细,学习了!
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发表于 6 天前 来自手机 | 显示全部楼层
花了功夫,感谢分享!
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发表于 6 天前 来自手机 | 显示全部楼层
学习了,谢谢
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发表于 6 天前 来自手机 | 显示全部楼层
一会一定认真学习
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
reppom 发表于 2019-9-10 13:14
再好的模拟机也是电脑模拟的,也会有逻辑错误,毕竟模拟机生产厂家和飞机制造厂家不一样。 ...

说得对。可是跑偏了吧。。。
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发表于 昨天 23:54 来自手机 | 显示全部楼层
进来学习一下,感谢楼主分享
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