民用飛機(jī)旅客氧氣系統(tǒng)電路設(shè)計分析

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

旅客氧氣系統(tǒng)是民用飛機(jī)氧氣系統(tǒng)[1-4]的重要組成部分之一，其主要功能為：當(dāng)客艙失壓或必要時，為乘務(wù)人員和旅客提供滿足呼吸要求的氧氣。本文主要對旅客氧氣系統(tǒng)的電氣設(shè)計方法進(jìn)行探討分析。

1 適航符合性需求分析

本文以某型號飛機(jī)的運行參數(shù)為例，進(jìn)行電氣設(shè)計相關(guān)的適航符合性需求分析[5-7]，最后設(shè)計出符合條件的旅客氧氣系統(tǒng)。該型號飛機(jī)的基本技術(shù)指標(biāo)為：最大使用高度： 11900m；最大座艙高度： 4260m；盥洗室數(shù)量： 4個；乘務(wù)員數(shù)量： 4個；旅客數(shù)量： 120人（20排座椅）。根據(jù)CCAR25部的規(guī)則要求，旅客氧氣系統(tǒng)必須滿足第CCAR25.1441條至CCAR25.1453等適航條款的要求[8-10]。其中，與電氣設(shè)計直接相關(guān)的條款為CCAR25.1447。CCAR25.1447（C）（1）的具體要求為如果申請運行高度超過7600m的合格審定，則必須有符合下列規(guī)定的分氧設(shè)備：必須有接在供氧接頭上可供每個乘員就座時立即使用的分氧裝置，并且在每個廁所至少要有兩個接在供氧接頭上的分氧裝置。分氧裝置和供氧口的總數(shù)必須比座位數(shù)至少多10%，多余的分氧裝置必須盡可能均勻地分布在整個座艙內(nèi)。如果申請運行高度超過9000m的合格審定，則提供所需氧流量的分氧裝置必須在座艙壓力高度超過4500m之前自動送達(dá)乘員處，并且必須為機(jī)組設(shè)置手動裝置，在自動系統(tǒng)失效時能使分氧裝置立即可供使用。

根 據(jù) CCAR25.1447（C）（1）可 知，對 于 本 文作為案例分析的飛機(jī)型號，當(dāng)旅客數(shù)量為120人且同時滿足盥洗室和乘務(wù)員（均含2個面罩）的供氧需求時，此時氧氣面罩?jǐn)?shù)量應(yīng)不少于148個（120×110%+4×2+4×2=148）。此外，該機(jī)型最大使用高度超過9000m，出于系統(tǒng)安全性需求考慮，系統(tǒng)必須設(shè)置互不干擾的氧氣面罩自動拋放和手動拋放電路。

2 民用飛機(jī)旅客氧氣系統(tǒng)電氣設(shè)計

目前，大部分民用飛機(jī)旅客氧氣系統(tǒng)多采用化學(xué)氧氣發(fā)生器作為氧氣存貯裝置。因此，下面基于化學(xué)氧氣發(fā)生器的供氧方式，對本文作為案例分析的飛機(jī)型號進(jìn)行旅客氧氣系統(tǒng)電氣分析設(shè)計。

2.1 旅客氧氣系統(tǒng)電氣架構(gòu)分析設(shè)計

旅客氧氣系統(tǒng)通常由氧氣存儲設(shè)備和氧氣面罩拋放系統(tǒng)組成。若以電氣設(shè)計角度考慮旅客氧氣系統(tǒng)，氧氣存儲設(shè)備可以看作是氧氣面罩拋放系統(tǒng)的負(fù)載，其通常安裝在旅客座椅上方行李箱架上、乘務(wù)員座椅上方天花板和盥洗室內(nèi)。氧氣存儲設(shè)備主要由化學(xué)氧氣發(fā)生器、獲取TSO-C64a批準(zhǔn)的氧氣面罩（3個）和電觸發(fā)式的鎖閂等組成，乘務(wù)員和盥洗室的氧氣存儲設(shè)備的組成成分與旅客用氧一樣。

氧氣面罩拋系統(tǒng)一般由供電電源、自動拋放信號驅(qū)動、手動拋放開關(guān)、座艙高度輸入、拋放控制電路和反饋拋放狀態(tài)的電子元器件等組成。據(jù)此，本文所設(shè)計的旅客氧氣系統(tǒng)的初步電氣架構(gòu)如圖1所示。主要運行原理如下：根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)所處的座艙高度等其他參數(shù)，由控制系統(tǒng)自行做出判斷，使自動拋放電路驅(qū)動氧氣面罩工作并且反饋拋放狀況；或者系統(tǒng)提醒機(jī)組成員觸發(fā)手動拋放開關(guān)，完成氧氣面罩的手動拋放。根據(jù)CCAR25.1447（C）（1）中的要求，自動控制和手動控制兩種方式必須能夠完全獨立運行，任何一路控制方式故障不能對另一路控制方式的正常運行造成影響。

2.2 旅客氧氣系統(tǒng)配電方式分析設(shè)計

從系統(tǒng)可靠性和安全性的角度來分析，最理想的配電方式是給每個氧氣面罩進(jìn)行獨立供電；而從經(jīng)濟(jì)性和維修性的角度來分析，則希望只需要單個電源供電。若采用單路電源供電，會存在單點故障的隱患，在這種供電模式下，當(dāng)某個氧氣面罩發(fā)生短路時，會導(dǎo)致整個旅客氧氣系統(tǒng)失效，顯然這是適航驗證不允許的。因此，下文考慮對旅客氧氣系統(tǒng)進(jìn)行多路配電分析設(shè)計。

假設(shè)選擇兩個獨立電源進(jìn)行供電，那么可以對氧氣面罩的配電進(jìn)行如下分配，飛機(jī)左右兩側(cè)的氧氣面罩分別獨立，即左側(cè)的盥洗室、旅客、乘務(wù)員上方的氧氣面罩為一組進(jìn)行集中供電；相應(yīng)的，對右側(cè)的盥洗室、旅客、乘務(wù)員上方的氧氣面罩進(jìn)行采用另一路電源進(jìn)行集中供電。兩路獨立電源供電控制原理框圖如圖2所示。

對于本文舉例的120座單通道機(jī)型，通過PSSA、FHA等其他安全性分析手段，可以得出上述雙路電源供電的方式仍然不能滿足適航安全性，需要對供電架構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行細(xì)分。因此，本文選擇使用4路獨立電源對旅客氧氣系統(tǒng)進(jìn)行配電。其具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示，把飛機(jī)上負(fù)載（氧氣面罩）分成4組，即沿順航向，左側(cè)前盥洗室、前乘務(wù)員和前部旅客的氧氣面罩為1組；左側(cè)后盥洗室、后乘務(wù)員和后部旅客的氧氣面罩為1組；右側(cè)前盥洗室、前乘務(wù)員和前部旅客的氧氣面罩為1組；右側(cè)后盥洗室、后乘務(wù)員和后部旅客的氧氣面罩為1組。采用4路獨立電源對4組氧氣面罩分別供電，單路氧氣面罩故障不會對其他組氧氣面罩工作造成影響，提升了系統(tǒng)冗余度，大幅增加了系統(tǒng)安全性與運行可靠性。

對于載客量更大、系統(tǒng)復(fù)雜度更高的多通道機(jī)型而言，當(dāng)4個獨立電源仍然不滿足適航符合性要求時，可以根據(jù)飛機(jī)的分段結(jié)構(gòu)，結(jié)合飛機(jī)配電設(shè)備實際的分布情況，對氧氣系統(tǒng)配電進(jìn)一步細(xì)分，直到其滿足適航符合性的要求為止。

圖1 旅客氧氣系統(tǒng)初步電氣架構(gòu)Fig.1 Preliminary electrical architecture for passenger oxygen system

圖2 基于雙路獨立電源的旅客氧氣系統(tǒng)電氣構(gòu)架Fig.2 Electrical architecture based on dual independent power supply for passenger oxygen system

圖3 基于4路獨立電源的旅客氧氣系統(tǒng)電氣構(gòu)架Fig.3 Electrical architecture based on quad independent power supply for passenger oxygen system

2.3 氧氣面罩拋放控制電路分析設(shè)計

氧氣面罩拋放控制電路是整個旅客氧氣系統(tǒng)的核心組件，結(jié)合前文所選擇的基于4路獨立電源的配電方式，具體拋放控制電路如圖4所示。其核心硬件為兩個具有4路獨立輸入輸出功能的繼電器，手動拋放繼電器與自動拋放繼電器的4路輸入輸出各自并聯(lián)，分別通過4路獨立電源（DC1-DC4），為4組氧氣面罩提供驅(qū)動，DC5/DC6分別為兩個繼電器的通斷控制提供驅(qū)動信號。

控制電路的具體運行原理如下：當(dāng)座艙高度傳感器檢查到大于4267.19m時，該傳感器輸出1個信號給數(shù)據(jù)處理器1，數(shù)據(jù)處理器1根據(jù)接收到高度傳感器的輸出后立刻輸出1個低電平來驅(qū)動自動拋放繼電器，此時繼電器閉合，并反饋繼電器工作的狀態(tài)給數(shù)據(jù)處理器1，繼電器閉合后，4路獨立的直流電源即可分別給左前、左后、右前和右后的盥洗室、旅客和乘務(wù)員氧氣面罩進(jìn)行供電，從而使所有氧氣面罩拋放下來。若自動方式故障無法釋放氧氣面罩，此時還可以在駕駛艙按下手動拋放的開關(guān)，從而手動拋放繼電器開始工作，并把該繼電器的工作狀態(tài)反饋給數(shù)據(jù)處理器2，同時將4路獨立的直流電源分別給左前、左后、右前和右后的盥洗室、旅客和乘務(wù)員氧氣面罩進(jìn)行供電，同樣可使所有氧氣面罩拋放下來。通過4路電源對氧氣148個氧氣面罩獨立配電，且手動拋放、自動拋放繼電器各自獨立運行，本文所設(shè)計的旅客氧氣系統(tǒng)可滿足CCAR25.1447（C）（1）條款的要求，可保證該機(jī)型旅客氧氣系統(tǒng)安全、可靠的運行。

圖4 基于4路配電的旅客氧氣系統(tǒng)拋放控制電路Fig.4 Deploy control circuit based on quad independent distribution for passenger oxygen system

3 結(jié)束語

在座艙失壓或某種原因需要的情況下，旅客氧氣系統(tǒng)為客艙內(nèi)的旅客和乘務(wù)員提供舒適的呼吸用氧，在關(guān)鍵時刻為保護(hù)旅客和乘務(wù)員的人身安全提供重要保障。本文主要從適航符合性的角度，對旅客氧氣系統(tǒng)氧氣面罩?jǐn)?shù)量、拋放控制電路及其配電方式進(jìn)行詳細(xì)分析，并設(shè)計出了一種基于4路電源獨立供電的民用飛機(jī)旅客氧氣系統(tǒng)。電脈沖供氧系統(tǒng)是目前旅客供氧的一種全新的分布式供氧方案，脈沖式供氧系統(tǒng)結(jié)合獨立式的配電方案，是未來旅客氧氣系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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