空客A320系列飞机气象雷达系统故障分析文档格式.docx
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据统计,全球约有四分之一到三分之一的飞行事故都间接或直接与天气有关。
1982年7月9日美国路易安纳新奥尔良机场泛美航空公司的一架飞机正稳稳当当起飞，突然飞机在空中剧烈抖动，并垂直下冲坠毁。
1985年8月2日美国一架Delta航空公司飞机在达拉斯沃思堡机场坠毁。
1994年7月2日美国一架飞机在离北卡罗来纳夏洛特机场几英里处误入暴雨云和风切变，机组想中止降落但没能成功。
2005年8月2日法国航空358航班在多伦多皮尔逊国际机场降落时遭遇风切变，导致飞机冲出跑道起火，飞机完全损失。
2005年10月23日尼日利亚贝尔韦尤航空公司一架客机从拉各斯起飞飞往首都阿布贾时，飞机刚起飞3分钟后就空中爆炸坠毁。
这些空难都与变化无常的恶劣天气气象密切相关，如图1.1由于具有时间短、范围小、强度大等特点，低空风切变被视若机场瘟疫。
夏季是雷雨高发的季节，如果气象雷达频繁故障不仅妨碍航班正点率，还会直接影响航空公司的运营效益。
由此可知拥有性能优越的气象雷达系统对于安全飞行是多么的重要。
图1.1飞机遭遇低空风切变
云、风、降雨、雷暴、雾、霾等不良气象都会降低飞机的能见度，影响航空飞行的安全。
气象雷达用于探测气象要素和各种天气现象，被誉为观察气象的千里眼。
民用机载气象雷达的应用与发展极大地提高了气象预报的实时性和准确性。
气象雷达包括测云雷达、测雨雷达、测风雷达及专用于气象探测的雷达设备。
测云雷达主要用于测定云顶、云底的高度,但只能探测云层较薄的中高云层,含水量的低层云只能用测雨雷达探测。
测雨雷达又称天气雷达,是利用雨滴、云状滴、冰晶和雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中水滴的浓度、分布、移动和演变过程,还可以探测台风、局部地区强风暴、冰雹和强对流云体等。
测风雷达用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。
如图1.2飞机飞行在空中，气象雷达通过不断扫掠的天线间歇性地向飞行前方及其两侧扇区发射功率强大的脉冲式电磁波信号，无线电波在大气中以接近光波的速度、近似于直线的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物就会发生各种相互作用，如大气中云、雾和降水等水汽凝结物会对雷达发射波的散射和吸收；
非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用，无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射，稳定层结大气对入射波的部分反射；
以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。
图1.2气象雷达系统的用途
脉冲电磁波会被以上气象目标物散射到四面八方，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线，天线接收产生的雷达回波,气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的振幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性，例如云中含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流、降水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等。
此外，还可利用对流层大气温度和湿度随高度的变化而引起的折射率随高度变化的规律，由探测得到的对流层中温度和湿度的铅直分布求出折射率的铅直梯度，并通过分析无线电波传播的条件，预报雷达的探测距离，也可根据雷达探测距离的超折射等异常现象推断大气温度和湿度的层结。
回波信号在雷达接收机和显示器中经过复杂的处理。
在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布和强度等特征,飞行员通过观察导航显示器上显示的图像可以十分方便直接地了解飞机前方数百里范围内的气象和地面情况，选择安全的航路，保障飞行过程的安全性和舒适性。
民用机载气象雷达在雷达领域中占据重要的地位，它发展到现在虽然只有六十多年的历史,但是已经取得了许多引人注目的成就并为航空事业的安全飞行作出不可磨灭的贡献。
民航飞机都是在大气层内运输飞行的,常常有新闻报道机场出现大雾大雨等各种天气气象造成航班延误，这样就会影响航班的正常运营。
据统计，全球由于机场或航路上的天气达不到飞行标准所延误约占航班延误的百分之八十以上，所以大气的千变万化会直接影响到民航运输事业的经济效益和安全保障。
总的来说，气象雷达可提供飞机前方气象情况的准确和连续的图像并以距离和方位的形式显示出来，为机场气象研究提供资料，为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行安全提供保障,保障飞行的安全。
1.2课题研究现状及趋势
中国民航总局在“八五”和“九五”期间投人了大量的人力物力，用于人才的培养，用于新型高科技气象雷达的研发和用于气象雷达设备的制造，使中国民航的气象服务质量得到较大的改善。
我国气象服务水平还在不断进步的过程中，目前的总体技术水平已接近于发达国家，并且还需要继续加大投入争取早日赶超发达国家的技术水平。
随着经济的发展，对于民航事业的需求也日益增加，导致飞行过程的安全性、舒适性及经济性显得异常紧要，气象雷达是民航飞机必需具有的重要电子设备。
随着现代电子技术的发展,目前国内外的机载气象雷达的功能逐渐完善，性能也不断加强。
民用机载气象雷达是民用航空高科技电子设备，它大致可以分为以下四个发展阶段。
第一发展阶段是在二十世纪50年代，民用机载气象雷达采用抛物面、大功率发射机和模拟信号处理技术。
这时候的气象雷达技术刚问世不久，技术不成熟，所以存在许多问题。
普遍存在重、体积大、故障率高、维护难、不可靠、功能落后等很多问题。
这种雷达技术已经跟不上当代经济发展的步伐，已经被淘汰。
第二发展阶段是在二十世纪60年代，民用机载气象雷达采用了脉冲多普勒技术、半导体技术和计算机技术。
多普勒气象雷达可以测出降水区的气流速度，成为当时新型先进可靠的气象探测工具。
第三发展阶段是二十世纪70年代，随着科学技术的进步，电子技术的发展，这时候的民用机载气象雷达技术发展迅速。
此时对气象雷达的研究从军用转向民用，使得气象雷达技术各大方面得到明显改善。
第四发展阶段是二十世纪80年代以来，随着科学技术进一步的发展，民用机载气象雷达新增了多普勒相参体制技术，使民用机载气象雷达具有探测紊流的功能。
采用了先进技术，有效降低系统噪音。
采用了新型雷达技术，使得民用机载雷达具有更多功能。
机载气象雷达对航空事业发挥着至关重要的作用，世界各国都在加大投入力度研究新型气象雷达技术。
机载气象雷达从诞生发展到现在，采用了先进的计算机控制技术、雷达技术和数字信号处理技术，提高了系统的稳定性、探测的范围和准确度等性能。
当前民用机载气象雷达的技术水平和性能的高低主要体现在以下几个方面。
第一方面是广泛采用多普勒体制。
常规的机载气象雷达只不可以探测降水区域的动态特性，而根据多普勒效益研制的多普勒气象雷达可以探测并分析多种气象，包括湍流、低空风切变和降水的动态特性，能很好探测出危险区域然后向驾驶员发出安全警告。
第二方面是提高系统可靠性。
采用模块化结构、固态化元器件和大规模集成电路，这样不仅可以提高生产率降低生产成本，还能提高雷达的可靠性。
第三方面是采用了诸多新技术，进一步提高探测性能。
采用相控阵电扫天线及脉冲压缩技术可以提高系统分辨率，采用固态发射机可以提高系统的稳定性，采用对数接收机及数字视频积分处理技术可以提高系统的探测性能。
第四方面是增加雷达系统的探测功能。
为应对瞬息万变的天气气象，气象雷达不仅能探测降水和强对流天气，还应能进行大气对流和大气湍流等晴空探测，不断扩展它的应用范围。
第五方面是采用领先的计算机技术。
当前的机载雷达上都装有综合测控系统，可以有计算机控制在没有人看守的情况下连续不停地工作，还具有自动监控、自检和自诊断功能，从而可以节省人力和提高航空公司效益。
第六方面雷达系统能迅速传输气象数据。
先进的气象雷达只有利用现代通信技术实习快速地传送探测出的气象结果才能及时让机组人员做出相应的操作规避危险，保障飞行安全。
目前民用机载气象雷达除了用于预测降雨、紊流、风切变等天气气象和空中交通管制等航空事业中之外，还在其他领域得到广泛应用。
可以应用在空气质量监测，如雾霾监控等；
可以应用在大气研究，如研究臭氧空洞等；
可以应用在水文测量，如水利建设等；
还可以用于矿藏地形勘探等诸多应用。
民用机载气象雷达的发展与用户需求密切相关，改进原有的机载气象雷达和研制新型高科技的气象雷达已经成为民航事业发展的重要分支。
采用仿真技术，可以大大降低气象雷达研制成本，而且不受场地影响；
充分利用现代计算机技术研究成果，提高数据传输性能；
进一步扩展气象雷达的用途，实现一体多功能化气象雷达；
向着数字化、小型化、电子化、模块化、自动化、智能化及系列化方向发展。
1.3本文的主要研究内容
飞机降落机场后要对在飞行期间遇到的故障进行处理，在机务维修中，机务维修人员要熟练运用手册、工具和设备才能快速准确地处理故障。
首先，要根据飞行员提供的描述的现象，然后按故障隔离手册对故障进行一步步分析隔离，找出故障根源，最后按维护手册上的步骤进行维修处理。
本课题中，研究的内容主要包括以下几点：
分析空客A320飞系列机气象雷达系统，包括系统主要部件、主要功能、基本原理和工作方式等；
通过南方航空公司提供的历年来关于气象雷达故障报告数据统计和分析气象雷达的故障现象和特点，并根据气象雷达各部件故障的概率提出自己的维护和改进措施；
通过南方航空公司提供的历年由于气象雷达故障造成的航班延误情况来浅谈气象雷达对航空事业的重要性。
最后列举两例某航空公司典型的关于气象雷达系统的排故分析过程，进一步说明气象雷达系统的重要性。
2气象雷达系统一般排故方法
机载气象雷达系统（WXR）用于在飞行过程中实时地探测飞机前方航路上的危险气象区域和地面其他障碍物的平面显示图像信息，并将气象数据连续迅速地用不同的颜色表示降水的密度和地形情况来反馈到驾驶员气象雷达导航显示器上，新型气象雷达还可以探测紊流和探测风切变的功能，以供驾驶员选择安全的航线，绕开危险区域从而保证飞行的安全。
空客A320系列飞机气象雷达还可以探测紊流和探测风切变的功能，使飞机在机场起飞、着陆过程更加安全。
气象雷达系统主要用于在天线扫描的区域内探测和定位不用类型的大气扰动和风切变情况。
系统使用随降雨量比率而变化的颜色显示干扰强度。
如图2.1扰动以不同的颜色显示在导航显示器上以提示机组人员：
根据降雨量的多少颜色分别是黑色、绿色、黄色、红色；
洋红代表紊流区域在降水区域中40海里以内。
系统能够通过导航显示器显示风切变事件的位置：
交替的黑色和红色弧形指示风切变事件。
当最小显示距离是10海里时，在显示器边缘会出现两个黄色辐条表示风切变事件。
图2.1气象雷达信息显示
2.1气象雷达系统分析
先进的民用飞机和军用飞机上一般都装有气象雷达,气象雷达系统如图2.2所示位于飞机的机头部位，气象雷达系统主要包括收发机1SQ1、一个控制装置3SQ、一个天线驱动7SQ、一个天线11SQ、一个收发报机双重安装盘9SQ和一个波导装置等部件。
图2.2气象雷达系统组成
2.2雷达常见排故方法
气象雷达系统组成部件相对简单而且独立，故障定位准确，一般不会造成疑难故障。
在排故的一般过程中，可从以下方面着手：
1）检查气象雷达系统各部件的物理状态，常见做法是详细目视检查各插头、插座、波导管连接处以及天线安装等是否异常，重新插拔计算机，重置电门，重置跳开关等。
对气象雷达系统进行操作测试。
依据具体的现象以及中央故障显示系统，判断故障源。
3）雷达图像显示不正确。
可能原因：
收发机内部电路工作不正常；
显示器工作不正常；
平板天线或波导管内有灰尘或水气等杂物。
排故方法有：
首先确信显示器工作正常。
然后详细目视检查各插头、插座、波导管连接处以及天线安装等是否异常。
当电子舱通风的抽风扇和鼓风扇电门置于超控位时，会影响到阴极射线管的散热，导致显示故障。
再视情清洁收发机、通风管、波导管及平板天线等。
4）气象雷达不工作，不扫描或不显示。
供电系统故障；
天线底座上的马达及驱动机构工作不正常。
通风不好可能会导致计算机超温，显示器散热不佳，当超过一定的温度后就会自动切断气象雷达的显示。
首先确信系统相关跳开关闭合。
然后确信控制盒工作正常。
跟着对雷达进行操作测试，确信天线底座上的马达及驱动机构工作正常。
上述三个步骤完成后，若故障依旧，则更换收发机，再进行操作测试。
5）天线组转动不平稳、响声大。
俯仰机构回位发条弹性较小；
天线驱动组件与平板天线之间的波导接口处无防潮膜。
波导内部严重烧蚀，方位、俯仰旋转关节处有较大机械磨擦声。
排故方法：
清洁方位、俯仰机构齿轮箱，加润滑油脂，调节俯仰机构回位发条，在天线驱动组件与平板天线之间的波导接口处安装防潮膜，更换波导组件。
按工艺重新调节、校准后测试工作正常。
6）天线的俯仰角有偏差，姿态指示正确。
收发机内部的天线稳定放大电路工作不正常，输出错误的控制信号；
天线底座上的马达及驱动机构工作不正常，不能将天线调节到稳定平面上；
惯导组件给雷达收发机提供的飞机姿态信号不正确；
控制盒上调节旋钮给出的角度调节信号不正确。
详细目视检查各插头、插座、波导连接处有无不正常情况及天线的安装情况。
如果地面测试正常，更换收发机。
如故障不变，更换天线组件，继续观察故障。
如故障不变，更换惯导组件，继续观察故障。
如故障不变，更换控制盒，再进行操作测试，直到排除故障。
7）当多次换件以后，故障依旧，这说明前面更换上的组件中有故障件存在或是线路有问题。
则需排查装机可用件的可靠性，乃至线路问题。
在地面严格按工艺对气象雷达进行操作测试，在检查线路没有问题之后，根据具体情况，再次更换认为有问题的组件，直到故障被排除。
3空客A320系列飞机气象雷达系统故障分析
A320系列飞机包括A318、A319、A320和A321在内组成了单通道双发中短程150座级客机。
A320系列飞机在设计上提高客舱适应性和舒适性。
是第一款使用数字电传操作飞行控制系统的商用飞机，也是第一款放宽静稳定度设计的民航客机。
某航空公司运营的A320系列飞机有A319-100型、A320-200型和A321-200型，下面根据该航空公司提供从1998年1月9日到2014年4月9日期间这三种机型的飞机故障报告和2003年7月到2013年9月期间气象雷达故障航班延误报告进行统计和分析。
图3.1空客A320系列机型
3.1不同机型每月雷达系统故障分析
3.1.1每月故障次数数据
气象雷达系统用于飞行期间探测天气气象和地形地貌，同时气象雷达的故障率受季节变化影响也很大。
根据某航空公司提供的故障报告数据统计出每个月对应A320系列飞机的三种机型的故障情况如下表3.1所示。
表3.1不同机型气象雷达每月故障次数
机型
月份
A319-100
A320-200
A321-200
总计
1
46
87
29
162
2
50
127
21
198
3
63
169
58
290
4
57
51
235
5
44
129
223
6
66
146
47
259
7
83
177
54
314
8
85
172
307
9
60
122
236
10
65
94
32
191
11
67
90
52
209
12
42
78
149
728
1518
527
2773
3.1.2故障次数的统计分析
如下图3.2是根据表3.1空客A320系列三种飞机机型的每月气象雷达系统故障次数作出的不同机型在每个月故障次数的折线图。
图3.2A320系列机型每月故障折线图
如下图3.3是根据表3.1每月气象雷达系统故障次数作出的故障次数和故障概率的折线图。
图3.3每月气象雷达故障折线图
由图3.2和图3.3综合可以分析出以下几点。
第一点：
从月份来看，3~9月的雷达故障数明偏高，特别是3月、7月和8月期间。
3、4月份正值春季，此时处于梅雨季节，下雨频繁导致空气潮湿，潮湿的空气进入到气象雷达系统后容易导致一连串的反映，增加了雷达系统部件故障的概率。
雷达系统故障率增大不仅增加了机务维修的工作量，可能维修工作不能按时完成导致航班延误等问题。
7、8月份正值夏季，此时雷雨居多，滂沱的大雨时常冲击气象雷达罩，容易使雷达罩和机身接合处的密封胶带磨损，导致雨水进入气象雷达系统导致雷达系统故障。
不仅因为春夏季节气候多变湿气大，气象雷达系统容易进水，还因为春夏季节降水和雷电比较多，飞机飞行期间雷达的工作使用频繁导致负荷过重，因此造成故障率较其他几个月高。
第二点：
虽然空客A320系列飞机的三种机型气象雷达系统略有差异，但是统计表明这三种机型的气象雷达系统每月的故障率没有明显的差异，表明机型对气象雷达系统工作的效能是没有影响的。
针对夏季雷达故障率偏高的情况，航空公司可以做好以下预防措施。
（1）民航飞机气象雷达故障发生的高峰一般在气候多变，降水量大的春夏季，雷达超负荷的工作导致故障发生。
所以春夏两季来临的时候，一定要加大对雷达系统进行严格检查的力度。
（2）可以加强雷雨季节前的检查。
在夏季来临之前，维修部在飞机换季检查工作单中都要纳入所有飞机雷达罩的湿度和雷达系统的普查内容。
在雷达罩和机身之间有一密封胶带，由于胶带老化容易发生磨损，导致进水。
另外在日常维护中加强检查，提前更换新的封条或对破损处用胶修补来杜绝湿气对雷达的影响，防范于未然。
（3）显示器或收发机超温对雷达显示有影响。
可以加强对显示器和雷达收发机通风口的检查，避免由于显示器和收发机散热不好而超温，从而导致图像丢失。
或者可以采用发热很低的液晶显示器。
（4）加强部件装配检查。
在雷达系统中，波导管和天线驱动器之间以及天线驱动器和天线之间均有塑料薄膜，在安装时一定要检查其有无损坏，防止风尘、杂物进入其间而影响雷达功效。
（5）在日常维护中，机组经常反应雷达图像弱，这时要多注意显示器的背景色旋钮是否放到正常位置。
3.2雷达系统不同部件故障分析
气象雷达系统基本组成包括雷达收发机、雷达天线组件、显示器、控制面板和波导装置等，不同的部件负责不同的功能，因而气象雷达系统不同部件的故障情况也不同，下面根据某航空公司提供的故障报告进行讨论分析。
3.2.1不同部件故障数据
如下表3.2是根据某航空公司提供的1998年1月9日到2014年4月9日期间航空公司飞机运营的故障报告统计出气象雷达系统部件故障的概率。
表3.2不同部件故障次数
序号
故障部件
故障次数
故障概率
雷达收发机
1346
48.54%
控制面板
442
15.94%
天线组件
427
15.40%
控制盒
109
3.93%
波导装置
40
1.44%
支架
0.29%
不确定
401
14.46%
升级会员 