教練機環控試驗平臺高空模擬系統研究

馬春香，王亮亮，陳 偉

（中航工業洪都，江西 南昌330024）

環控系統附件、全系統試驗都有高度模擬的要求。環控試驗平臺的高空模擬系統用于飛行包線內高空壓力環境模擬、飛機不同爬升率及俯沖率的模擬以及座艙壓力和外界大氣高度環境模擬。因此，高空模擬系統是環控試驗平臺的必要建設內容。

1 系統要求

某環控試驗平臺對高空模擬系統的要求：高空模擬艙容積72m3，系統最大供氣量為1200kg/h，且高空模擬系統能從地面大氣壓以274m/s的高度（壓力）變化速率爬升到20000m，而不能出現抽氣能力突變。

2 系統選型

2.1 系統特點分析

分析系統要求可見，該系統為動態系統，需要模擬飛行器在空中爬升、巡航、俯沖等動作過程中即時的環境壓力變化。

與一般真空系統要求有很大不同，一是常規的真空系統是給密閉容器內抽真空，而環控試驗平臺的真空系統整個模擬過程需要有高空艙外輸入0-1200kg/h的試驗氣體。二是系統需用真空系統抽氣速率（體積流量）變化量范圍很大，最大氣量9120L/S，最小氣量1418 L/S，并且在此范圍內連續可調。該系統各工況供氣需求見表1。

表中：

式中：t—抽氣時間，s;

V—高空模擬艙容積，L;

Pi—開始抽氣時艙內壓力，Pa；P0—真空系統極限壓力（計算時取1KPa）；

P—高空模擬艙經抽氣時間t后達到的壓力，Pa。

表1 各工況供氣需求一覽表

高空模擬系統由高空模擬艙、真空泵（組）、真空管路及配套控制系統組成。其中最重要的是真空泵形式、規格的選擇和高空模擬艙的結構設計以及高空模擬艙內壓力控制方式的確定。

2.2 真空泵類別選擇

真空泵是高空模擬系統的關鍵設備。從真空度、抽氣量方面考慮，很多真空泵可適用于該系統，比如：旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復式真空泵及螺桿式真空泵等。但是因該系統在使用過程中不斷調整壓力，使真空泵不斷在極限真空和大氣壓之間反復沖擊。導致上述泵可能產生噴油、噪音增加等問題，因此，不適合壓力變化率比較大的工況。

經過比較、仿真后確定選用水環式真空泵作為主泵，適應變負荷、充氣等工況。同時，因為該類型的真空泵可以作為正壓、負壓狀態氣體輸送泵，使用范圍廣、抽氣量平穩，最大優點是該泵無油操作，噪音低，適應大型器件真空試驗。經國內外工程比較，中外合作技術的2BE1-353型水環式真空泵在該類工程有顯著優勢，因此，依據試驗需求配置4套。

2.3 真空機組及組合

高空模擬艙試驗要求真空度高，經常工作在180kPa-5.3kPa范圍內，水環式真空泵雖然在該范圍內可以工作，但是對于工況環境卻變得敏感而且抽氣速率下降，所以，單獨使用水環式真空泵將使系統變得龐大。為此，我們選用羅茨泵與水環真空泵組成機組，實現高真空條件下具有高抽速。并且使得系統抽氣量穩定、噪音低。由1臺氣冷羅茨泵和1臺水環泵組合成1套機組，共4套，該4套機組的任何1臺水環真空泵可以與任何1臺羅茨泵組合。根據試驗要求壓力變化，可以單臺或多臺羅茨泵與單臺或多臺水環泵組成系統工作。

2.4 高空模擬艙結構設計

系統要求高空模擬艙模擬最大飛行高度20000m，根據系統要求，高空模擬艙采用圓筒形殼體，直徑3500mm、長約6000mm，端頭連接1個直徑2000mm、長約1000mm的小艙，殼體壁厚：

式中：S0—圓筒形殼體壁厚，mm；

Db—圓筒內徑，mm；

P—外壓設計壓力,KPa；

L—圓筒長度,mm；

Et—材料的彈性模量,KPa。

2.5 高空模擬艙內壓力控制方式

對于氣量調整控制可以采用變頻調速、組合運行數量、抽氣管線節流、補氣管線充氣等模式，或者幾種模式組合。各種模式各有特點。

變頻調速，可以連續調整抽氣量，但是對于大抽速真空泵，單臺真空泵配用功率達到180kW，總裝機功率達到1300 kW，經濟方面投資較大，且控制程序復雜。最重要的是，真空泵運轉速度在一定范圍須保持穩定，過高、高低都會引起效能大范圍變化，從而導致非正常工作。

運行真空泵數量組合，根據試驗的高度不同，計算機控制程序給出需要啟動真空泵的數量，實行壓力控制。該方法對于小型真空系統可行，但是對于大型真空泵，其啟動時間（進入正常工作）較長，可能造成系統壓力跟隨滯后，影響試驗效果。

該系統采用抽氣管線節流與補氣管線充氣聯動調節并結合控制運行數量的模式，系統根據設定的模擬飛行高度與實際高度值進行比較，控制2個聯動的抽氣管線和補氣管線閥門的開啟與關閉，達到精確控制艙內壓力（飛行高度）的目的。

3 實施方案及效果

某環控試驗平臺的高空模擬系統的實施三維圖見圖1。

該系統試驗運行時，先行調整獨立的4臺2BE1-353型水環泵，考驗配置的供水系統、配電系統以及操控系統等。然后進行JQZE-1機組運行試驗，最后整體系統調試。總體來看，水環真空泵和JQZE型羅茨-水環真空機組用于空間壓力模擬，壓力實現精準，操作簡單。

圖1 系統三維圖

圖2為某次試驗數據，從圖中可以看到，整個系統壓力模擬準確，滿足研究試驗要求，目前，真空系統已經應用于飛機環控系統研制試驗。

圖2 系統壓力模擬試驗數據

4 結 語

本文從環控試驗室抽氣能力仿真計算、真空泵選型、高空模擬艙結構設計和艙內壓力控制系統等方面論述了高空模擬系統的設計方案，該設計方案滿足某環空試驗平臺對高空模擬系統的要求。該系統為動態試驗真空系統建立了設計模板，可以擴展到民用的化學氣體輸送、煤礦瓦斯抽放輸運等工程。

[1]徐成海.真空設備選型與采購指南.北京：石油和化工設備出版社，2009.

[2]達道安.真空設計手冊.北京:國防工業出版社，2004.

[3]達道安.空間真空技術.北京：宇航出版社，1995.

[4]徐成海.真空工程技術.北京：化學工業出版社，2006.