民用飛機氣源系統(tǒng)設(shè)計要素研究

王睿

【摘 要】本文結(jié)合民用飛機氣源系統(tǒng)研制，針對氣源系統(tǒng)的初步設(shè)計階段，提出了氣源系統(tǒng)設(shè)計過程中需考慮的主要要素，分析了氣源系統(tǒng)設(shè)計的主要設(shè)計要素，并根據(jù)這些設(shè)計中要素對氣源系統(tǒng)設(shè)計提出各項功能和性能等方面要求，最終確定氣源系統(tǒng)設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；氣源系統(tǒng)；設(shè)計要素

0 引言

氣源系統(tǒng)作為飛機上的常規(guī)系統(tǒng)，是為客艙和駕駛艙創(chuàng)造良好環(huán)境的媒介，需要重點關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計要素，通過設(shè)計要素綜合分析，總結(jié)出較為清晰的設(shè)計思路，確定設(shè)計方案，并為后續(xù)機型的系統(tǒng)設(shè)計鋪路。

氣源系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮下游各個用氣系統(tǒng)的需求，通過自身系統(tǒng)設(shè)備工作運行，使各氣源的空氣在飛機飛行的各個階段與下游用氣系統(tǒng)需求相匹配，并協(xié)調(diào)完成飛機運行時的各種功能。

氣源系統(tǒng)是民用支線干線飛機的傳統(tǒng)機載系統(tǒng)，除波音787飛機無傳統(tǒng)意義上的氣源系統(tǒng)外，其他型號飛機均采用成熟的氣源系統(tǒng)布局，可選擇從發(fā)動機、APU（Auxiliary Power Unit，輔助動力裝置）和高壓地面氣源引氣，空氣通過導管輸送至下游系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)用氣需求。本文研究了氣源系統(tǒng)研制中各個設(shè)計階段的主要要素，隨后分析氣源系統(tǒng)主要的設(shè)計要素，并對氣源系統(tǒng)提出設(shè)計要求，最后根據(jù)這些要素總結(jié)出氣源系統(tǒng)設(shè)計方案需考慮的要素。

1 氣源系統(tǒng)主要設(shè)計要素描述

典型氣源系統(tǒng)的主要功能是從發(fā)動機、APU和地面高壓氣源引氣，給下游用氣系統(tǒng)提供壓縮空氣，包括空調(diào)、座艙增壓、液壓、導航（大氣數(shù)據(jù)傳感器）、防冰、發(fā)動機起動、燃油箱惰化以及水箱增壓系統(tǒng)等，并滿足用氣系統(tǒng)需要。氣源系統(tǒng)的部件主要用于調(diào)節(jié)壓縮空氣的溫度、壓力和流量，通過導管把調(diào)節(jié)后的空氣分配給用氣系統(tǒng)。氣源系統(tǒng)方案中的設(shè)計要素應(yīng)主要包括溫度、壓力、流量、預(yù)冷器、活門、導管、密封件、控制和指示、故障和耐火性等。所以在方案編制中應(yīng)綜合考慮以上設(shè)計要素，并根據(jù)飛機頂層要求

2 氣源系統(tǒng)方案設(shè)計中的要素

氣源系統(tǒng)設(shè)計方案的確定是整個氣源系統(tǒng)研制過程中相當重要的設(shè)計工作，其內(nèi)容應(yīng)包括以下主要要素：構(gòu)型、工作工況、功能實現(xiàn)、安裝布置、電子電器接口和可靠性、維修性、安全性的指標等。

2.1 氣源系統(tǒng)構(gòu)型

氣源系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計中的要素主要包括系統(tǒng)的功能定義、系統(tǒng)的原理圖、系統(tǒng)設(shè)備清單與特性描述、以及系統(tǒng)的控制構(gòu)架。

氣源系統(tǒng)功能需描述氣源系統(tǒng)的引氣源，一般是發(fā)動機、APU或高壓地面氣源，應(yīng)說明氣源系統(tǒng)的用氣供給目標是滿足下游用系統(tǒng)的需要；應(yīng)描述系統(tǒng)的基本功能定義：引氣壓力和溫度控制、引氣關(guān)斷、回流保護、監(jiān)控與指示等功能。

氣源系統(tǒng)的原理圖需清晰的指示出氣源系統(tǒng)的各個設(shè)備（包括管路）之間的關(guān)系、氣源與下游用戶間的關(guān)系，典型的氣源系統(tǒng)原理圖見圖1。

氣源系統(tǒng)設(shè)備清單與特性需描述，氣源系統(tǒng)的主要設(shè)備名稱、簡稱、數(shù)量、基本功能，并針對各個設(shè)備描述其在氣源系統(tǒng)中的功能、組成與技術(shù)參數(shù)。典型的氣源系統(tǒng)由中壓單項活門、高壓活門、壓力調(diào)節(jié)關(guān)斷活門、回流保護活門、預(yù)冷器、風扇空氣活門、引氣溫度傳感器、APU單項活門、高壓地面接頭和高壓導管組成。

2.2 氣源系統(tǒng)工作工況

氣源系統(tǒng)的工作工況是根據(jù)飛機總體技術(shù)方案確定的，所以需考慮飛機的工作高度包線、速度包線、任務(wù)包線與防冰包線。氣源系統(tǒng)需設(shè)定各氣源（發(fā)動機、APU和高壓地面氣源）的引氣口的靜態(tài)與瞬態(tài)的壓力與溫度的最值工況、各引氣口的流量參數(shù)、預(yù)冷器冷邊進氣的壓力恢復(fù)系數(shù)與排氣的背壓、系統(tǒng)設(shè)備各部分的熱載荷等要素。

2.3 氣源系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

氣源系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需詳細描述的要素如下：

1）系統(tǒng)性能參數(shù)要素包括：預(yù)冷器的設(shè)計點、氣源系統(tǒng)各用戶的流量和壓力要求、活門與導管的壓力損失、系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)部與外部泄露量。

預(yù)冷器的設(shè)計需考慮如下構(gòu)型：并描述預(yù)冷器設(shè)計點時的熱邊與冷邊的流量、溫度、壓力。

（1）防冰系統(tǒng)關(guān)閉，單引氣，單空調(diào)包，交輸引氣活門關(guān)閉的構(gòu)型；

（2）防冰系統(tǒng)打開，雙引氣，單空調(diào)包，交輸引氣活門關(guān)閉的構(gòu)型；

（3）防冰系統(tǒng)關(guān)閉，單引氣，雙空調(diào)包，交輸引氣活門打開的構(gòu)型；

（4）防冰系統(tǒng)打開，單引氣，單空調(diào)包，交輸引氣活門打開的構(gòu)型。

2）系統(tǒng)控制面板按鈕與各氣源引氣的開啟與關(guān)閉時的工作情況；

3）系統(tǒng)開啟與關(guān)閉的功能實現(xiàn)與控制邏輯、與之關(guān)聯(lián)的各活門的工作狀態(tài)、活門響應(yīng)時間、驅(qū)動電流與電壓限制、耐火情況等技術(shù)指標等；

4）發(fā)動機起動時的功能實現(xiàn)與控制邏輯、與之關(guān)聯(lián)的各活門的工作狀態(tài)、活門響應(yīng)時間、系統(tǒng)的壓力和溫度損失及泄漏量等；

5）發(fā)動機引氣口選擇功能實現(xiàn)與控制邏輯、與之關(guān)聯(lián)的各活門的工作狀態(tài)、中高壓轉(zhuǎn)換壓力轉(zhuǎn)換點等；

6）系統(tǒng)壓力控制的功能實現(xiàn)與控制邏輯、與之相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備的性能參數(shù)、系統(tǒng)的對下游的壓力控制值等；

7）系統(tǒng)溫度控制的功能實現(xiàn)與控制邏輯、與之相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備的性能參數(shù)等；

8）系統(tǒng)回流保護的功能實現(xiàn)；

9）系統(tǒng)監(jiān)控的功能實現(xiàn)與控制邏輯，包括在系統(tǒng)正常與失效狀態(tài)下，各設(shè)備工作狀態(tài)與控制面板的監(jiān)控情況及告警信息，如超溫、超壓、低溫、低壓情況等，系統(tǒng)的簡圖頁與維修信息等；

10）系統(tǒng)的派遣條件、保證的可靠性指標與分解、主最低設(shè)備清單等。

2.4 氣源系統(tǒng)的安裝布置

氣源系統(tǒng)的安裝需考慮維修性與安全性的要求，并考慮系統(tǒng)的故障與耐火性，該部分主要設(shè)計要素包括預(yù)冷器、活門、導管和傳感器等設(shè)備的基本安裝要求、位置朝向限制、安裝區(qū)域與接口形式等。系統(tǒng)各設(shè)備的具體安裝要求將在DDP階段中的設(shè)備規(guī)范中定義，系統(tǒng)的MICD將詳細描述系統(tǒng)的機械接口。

2.5 氣源系統(tǒng)的電子電器接口

氣源系統(tǒng)的電子電器接口需描述各用電設(shè)備的指標、導線數(shù)量、控制器交聯(lián)信號定義等。系統(tǒng)的詳細電子電器接口將在EICD中定義。

2.6 氣源系統(tǒng)的可靠性、維修性和安全性

氣源系統(tǒng)的可靠性主要描述系統(tǒng)及各設(shè)備的平均故障間隔時間（MTBF，Mean Time Between Failures）。

氣源系統(tǒng)的維修性主要描述系統(tǒng)及各設(shè)備的平均維修時間（MTTR，Mean Time to Repair）。

氣源系統(tǒng)的安全性主要描述系統(tǒng)各設(shè)備的失效情況和故障率（FR，F(xiàn)ailure Rate）、設(shè)計保證等級（DAL，Design Assurance Level），以及與其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)備的失效情況和故障率（FR，F(xiàn)ailure Rate）、設(shè)計保證等級（DAL，Design Assurance Level）。

氣源系統(tǒng)的可靠性、維修性和安全性應(yīng)分別在系統(tǒng)的可靠性分析報告、維修性分析報告和安全性評估中詳細定義。

3 結(jié)論

本文指出了系統(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)考慮的主要要素。描述了系統(tǒng)構(gòu)型、工況限制、功能實現(xiàn)、安裝布置、電子電器接口及四性指標要求。確定了主要設(shè)計要素相關(guān)的要求，并分析了氣源系統(tǒng)設(shè)計方案的相關(guān)要素及要求，對民用飛機氣源系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導意義。

[責任編輯：鄧麗麗]