民用飛機泄壓載荷影響因素研究

劉華源　屠毅

【摘 要】為了比較不同因素對民用飛機泄壓載荷的影響，本文利用Simulink仿真軟件建立了民用飛機全機增壓艙的一維動態仿真模型；對發生突然泄壓情況下各個增壓艙的瞬態壓力分布進行了仿真；重點研究了艙室體積和艙室間流通面積等參數對泄壓載荷的影響。該仿真結果為后續飛機泄壓載荷優化方案提供了參考，具有重要的現實意義。

【關鍵詞】飛機增壓艙；壓力調節；泄壓載荷

【Abstract】A decompression model applied with formula method is developed for solving decompression problem in pressurized cabin of civil aircraft in cruise. We use Simulink built the one-dimensional model. Our results are compared by different conditions such as cabin volume and circulation area. The simulation model provide a reference for optimal design of aircraft structure.

【Key words】Aircraft pressurized cabin； Pressure regulation； Decompression

0 引言

1）壓力調節系統介紹及其重要性

為了在飛行時保證機組人員和乘客生存以及各種設備可靠的工作，環境控制系統已成為先進飛行器必不可少的組成部分。對民用飛機來說，隨著國民經濟的發展，座艙內適宜的溫度環境、合理的座艙壓力、人耳無感覺的壓力變化率、清新的空氣和適宜的風速，都已成為吸引乘客的重要條件[1]。

民用飛機飛行中的增壓艙環境壓力與地面有較大差異。研究表明，當座艙內部壓力過低時，會對人體健康造成損害，嚴重時甚至引發乘員傷亡。民用飛機座艙壓力調節系統用于調整座艙內部壓力，使其始終保持在人體舒適的范圍內[2]。

飛機增壓艙在使用中，一旦出現意外破口，艙內氣體突然外泄，由于各艙間氣體流泄而造成各艙間壓力的不均衡，會在隔艙壁上產生一個附加的泄壓載荷，泄壓載荷表示的是兩個艙室之間壓力的差值。這個載荷可能造成結構局部失效，進而可能危及機體的承載能力，也可能因機體變形而造成飛機操縱或操作失靈，最終導致飛機產生災難性事故[3]。

在這些情況下，設計出擁有連續安全持續飛行和降落能力的飛機就很有必要。因此在設計時需要有強度足夠的結構以承受逐漸增加的壓差載荷或引入適當的預防措施限制或防止壓差載荷的增大。針對近年來頻發的飛機座艙環控系統飛行事故/事件，分析了國內外發生的飛機座艙環境相關的飛行事故/事件[4]。

2）本文研究的內容

本文研究的飛機由多個艙室組成。一方面，各個艙室的體積、艙室間的流通關系不同，構成了結構復雜的增壓艙區域，當出現機體破損時，各個艙室之間會相互影響；另一方面，艙室間的流通通道形狀不規則，不同的流通通道所對應的流量系數不同。

在飛機設計的過程中需要進行結構優化，這就會涉及到對艙室體積和流通關系的更改，這些更改需要考慮泄壓載荷對結構的影響。有時還需要通過泄壓載荷仿真給與結構構型設計參考。

本文通過對飛機增壓艙進行適當簡化，利用Simulink對飛機增壓艙泄壓進行實時仿真，得到各個艙室之間的壓力分布和目標艙室的泄壓載荷，為后續的優化方案提供支持。

1 泄壓載荷計算方法及模型

1.1 飛機艙室結構劃分

飛機的艙室分為增壓艙與非增壓艙。在高空飛行時，增壓艙內的壓力要大于外界環境的壓力，飛機外部結構的設計要能夠承受正常飛行時艙內與外界的壓差。當飛機結構出現破損時，內外壓力會趨于平衡，在這個過程中不同的增壓艙之間會有泄壓載荷，飛機內部結構的設計需要能夠滿足此情況下的強度要求。

本文中將增壓艙分為駕駛艙、座艙、座艙內飾、行李箱、衣帽間、登機門內飾、貨艙、電子設備艙、三角區和盥洗室等。

1.2 計算模擬方法

在飛機增壓艙的泄壓載荷計算中，由于泄壓載荷達到極值的時間非常短，通常在1s之內就會達到極值，通常對于這種問題需要進行動態仿真，本文使用Simulink軟件對泄壓載荷問題進行瞬態計算。將不同艙室設置為獨立的模塊，不同模塊之間進行實時數據交換，計算結果實時顯示。

1.3 描寫艙間流動的方程

1.4 初始條件

計算飛行高度為18000ft情況下的泄壓載荷。

2 泄壓載荷計算結果及不同因素對其影響的對比

不同的位置的結構破損產生的泄壓載荷不同，本文針對駕駛艙破損進行仿真。將駕駛艙與電子設備艙之間的泄壓載荷作為檢測值。

2.1 艙室體積

在泄壓載荷的計算中，不同的艙室體積所包含的空氣質量不同，艙室體積的大小會對泄壓速度的快慢產生影響。本文中研究座艙體積對泄壓載荷的影響，選擇座艙是因為有些試飛科目會將座艙中的座椅拆除，在實際運營中，乘客的上座率是不一定的，其所對應的座艙體積也會不同。

取座艙體積分別為152.11m3、161.78m3和173.25m3的情況進行分析，得到的結果如圖1。

圖1中泄壓載荷的值是駕駛艙的實時壓力與電子設備艙的實時壓力的差值，負值表示駕駛艙的壓力要小與電子設備艙的壓力（圖2中相同）。由圖1可以看出，不同的座艙體積對駕駛艙與電子設備艙之間泄壓載荷的影響很小，這是由于座艙體積足夠大，體積的變化量與原體積相比相差較小；對貨艙卸壓板打開的時間有影響，座艙體積越小，卸壓板打開的越快。

2.2 艙室間流通面積

在增壓艙之間會有空氣流通，不同的流通面積對快速泄壓時的流通速度會有影響，本文研究在駕駛艙出現破損時駕駛艙與電子設備艙之間的泄壓載荷，假設流通面積分別為0.2m2、0.35m2和0.5m2，得到的結果如圖2。

圖2為駕駛艙破損時不同艙間流通面積對應的泄壓載荷情況。從結算結果可以看出，流通面積越小，艙室間的泄壓載荷越大，這是因為艙室間的流通面積越小，單位時間內通過流通通道的空氣就越少，隔艙壓力變化率與進氣量有關，而進氣量有與流通面積成正比，在極小的時間內（如圖2中的0.1s以內）電子設備艙內的大部分空氣無法由流通通道進入駕駛艙，造成了電子設備艙中空氣的堆積，而駕駛艙由于破損包含的空氣在急劇減少，這樣就會導致兩邊的壓差越來越大，最終達到圖2中所示的極值。

3 結論

對于艙室劃分復雜的飛機增壓艙泄壓載荷計算問題，本文通過對艙室劃分的適當簡化采用Simulink進行了仿真。研究表明：座艙體積的變化對駕駛艙與電子設備艙之間的泄壓載荷影響較小，兩艙室之間的流通面積對駕駛艙和電子設備艙之間的泄壓載荷影響很大，在設計中可以調節兩艙室之間的流通面積來達到減小艙間泄壓載荷的目的。

本文的數值仿真結果可以作為飛機泄壓載荷問題優化設計的仿真依據，為解決實際中遇到的結構優化問題提供參考。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京航空航天大學出版社，2004.

[2]飛行器環境控制與安全救生[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[3]郁成德.增壓艙突然泄壓載荷計算[J].民用飛機設計與研究，1997，2：008.

[4]白杰，陳希遠，楊建忠，等.飛機座艙失壓模擬仿真研究[J].中國民航大學學報， 2014，32（6）：1-6.

[責任編輯：楊玉潔]