民機氣源系統架構權衡分析方法

蔣亮亮

【摘 要】民機技術的高速發展和航空運輸市場的激烈競爭，對型號研制提出了更高的要求，飛機系統也面臨著進一步的優化升級。本文從定量分析和定性分析兩個角度介紹了氣源系統架構權衡分析方法，以支持型號研制初期，分析各供應商提供的方案架構，選取最優方案。

【關鍵詞】氣源系統；架構；權衡分析；燃油消耗率

【Abstract】With the rapid development of aircraft technology and fierce competition of air transportation，higher requirements are put forward to aircraft design，also the systems are faced with more optimization.A trade-off method to analyse bleed air system architecture in quantitative and qualitative points is introduced in this paper.Based on it，the different architectures from suppliers can be analysed and the best proposal can be chose in the early stage of the project.

【Key words】Bleed air system；Architecture；Trade-off analysis；SFC

0 緒論

隨著生活節奏的加快，航空運輸業正在發揮著越來越重要的作用。由于市場的驅動，民用飛機的研發也在面臨著不斷的技術革新。例如發動機的更新換代，推重比的提高，對氣源系統的引氣量提出了嚴格的限制，系統多電化成為了大型客機氣源系統乃至環控系統發展的必然趨勢。

波音公司研制的B787飛機采用了“多電”理念，大膽變革了氣源系統，取消了傳統發動機引氣、APU引氣和地面氣源供氣，只保留了發動機引氣供給發動機短艙防冰系統，而采用電動壓縮機為下游的空調系統提供壓縮空氣，其余用氣系統（機翼防冰系統、燃油箱惰化系統等）則不再由氣源系統供氣。

但是B787飛機在創新背后也面臨著研制及維修成本巨大，技術成熟度不高等問題。因此國內外主流氣源系統供應商便想在“傳統”和“多電”之間尋求創新，以期獲得更多的飛機性能改善。對于這些新穎的架構，如何權衡性能的優劣，選取最優方案，成為了民機項目研制初期的關鍵。

1 權衡分析方法

在權衡研究過程中，最重要的是制定一個公認的標準作為做決定的基礎[1]。對于氣源系統設計階段而言，關注的要素無外乎重量、功耗、可靠性和研發成本等。其中可靠性和研發成本在設計初期只能從供應商的技術能力、方案是否采用貨架產品和項目支持程度等角度給出定性評估，無法作為決策的標準（但也是權衡過程中不容忽視的內容）。而重量和功耗可以從定量的角度轉化為飛機燃油消耗率（SFC）進行分析，因此氣源系統的架構權衡可以系統帶來的燃油消耗率的差異為標準。

根據氣源系統特征，權衡分析可從以下幾個角度展開：

1）系統重量：架構不同，所選用的部件及其尺寸會有不同，重量必然也存在差異，重量的大小將直接影響飛機的燃油消耗率，氣源系統的重量包括系統部件、高壓管路及其附件等。

2）系統引氣量：無論是從發動機引氣還是從外界獲取沖壓空氣，都會給飛機帶來代償損失，從而影響燃油消耗，典型氣源系統的引氣包括發動機壓氣機引氣和風扇引氣（多電架構為外界沖壓空氣）。

3）系統用電量：驅動部件所需的用電量的大小，影響到電源系統需從發動機獲取多少電能，同樣直接反應到燃油消耗。氣源系統的用電主要來源于活門和傳感器，在傳統架構下用電量很小，若采用多電架構，則需充分考慮電壓縮機帶來的龐大用電量。

在考慮上述因素時，如若氣源系統的架構變化帶來了關聯系統的架構或性能變化，則該系統也需在權衡分析中一并考慮。例如多電架構，會對空調系統、電源系統以及發動機帶來巨大的變化。下文以發動機引氣架構為基礎闡述權衡分析方法，多電架構可在其基礎上進行調整。

2 定量分析

2.1 用氣量分析

氣源系統的作用是將來自發動機的高溫高壓引氣，調溫調壓后分配到用戶系統，以滿足用戶系統的流量、壓力需求。因此系統的用氣可以分為兩類：1）熱端用氣，即發動機壓氣機引氣，供應到用戶系統，包括空調系統、機翼防冰系統（按需）、燃油箱惰化系統和水廢水系統等；2）冷端用氣，即發動機風扇引氣，用于對壓氣機高溫引氣的冷卻。

熱端用氣量源于用戶系統的用氣需求，主要受用戶系統構型、外界環境溫度、飛行高度和下游接口系統需求等因素的影響（本文不一一展開），由用戶系統提供，氣源系統將需求反饋為發動機熱端用氣量。在進行燃油經濟性評估時，通常考慮標準天巡航狀態，且不考慮失效模式。

冷端用氣量取決于熱端用氣量、預冷器性能以及發動機壓氣機和風扇端引氣參數。預冷器的性能在設計初期若非貨架產品則很難獲取，可參考相似機型，或由供應商根據相關參數進行假設。發動機引氣參數則需根據具體飛行狀態及負載情況由發動機供應商提供。

2.2 重量分析

系統的重量分析需要建立在整體的布置及尺寸基礎上，但項目初期數據匱乏，尤其是高壓管路布局往往會晚于氣源系統的設計，因此在進行重量預估時，可根據經驗或供應商交流給出合理的假設。

管路的直徑受到輸送管路內氣體最大流速的限制，與流量、溫度成正比，與壓力成反比。流量選值需要考慮不同引氣構型下單側發動機的最大引氣需求（通常為單發供單包加兩側防冰構型）。溫度和壓力選值需要考慮各狀態（可根據經驗進行篩選）發動機引氣參數及系統調溫調壓值，評估最嚴酷情況，選取氣源系統各分段管路合適的管徑值。

管路的長度與飛機外輪廓尺寸、總體布置方案、結構強度及安裝需求等因素有關，在飛機外輪廓尺寸確定后，可進行相應的預估。

根據上述信息，結合部件及管路設計經驗，參考相似機型重量信息，評估各架構下氣源系統的重量（部件重量、管路重量和附件重量）。

2.3 用電量分析

傳統架構的氣源系統用電量很少，主要來源于活門和傳感器，可根據部件設計經驗、供應商溝通、相似機型調研等途徑獲取信息。而類似多電架構，在系統中增加了增壓設備，則增壓器的用電量需根據用氣量、進出口壓比和入口溫度等參數評估增壓器的功率。

2.4 SFC評估

燃油經濟性是航空公司直接關注的指標，燃油成本約占航空公司總運營成本的40%，因此在飛機研發設計的每一個細節都需要考慮到燃油經濟性。影響到發動機燃油經濟性的因素有以下幾點：1）引氣負載，包括風扇空氣、中壓級引氣、高壓級引氣；2）軸功率提取，即系統用電量；3）飛機重量。經由發動機供應商可獲取1Ib/s風扇空氣、1Ib/s中壓級引氣、1Ib/s高壓級引氣、1Ib重量、1kW耗電帶來的發動機燃油消耗率的影響。

根據上文分析的用氣量、重量和用電量對比，即可評估出氣源系統不同架構帶來的發動機燃油經濟性差異。

3 定性分析

定量分析給出直觀的燃油經濟性數據對比，但只考慮定量分析數值，有可能會給項目研制帶來不可預估的風險。因此定性分析在權衡階段同樣必不可少，可從如下幾點進行評估（舉例但非全部）：

1）技術成熟度

系統供應商在提出新架構的時候，對該架構的研發是否具有較為成熟的經驗，若沒有，則會帶來部件開發，系統集成等風險，可靠性低，影響飛機整體項目研制進度及研制成本。當然供應商亦不可為了規避風險，選擇陳舊方案，而不考慮研制周期內先進技術的發展。

2）對其他系統的影響

需要評估系統架構變化對關聯系統研制的影響，如多電架構和傳統架構相比，氣源系統的變化帶來了空調系統入口溫度、壓力的變化，從而影響了空調架構。同時取消了發動機引氣口，增大了發電機功率提取，對于發動機核心體結構、空氣系統、間隙控制等都帶來了很大的影響。

3）安裝布置風險

如果架構變化帶來了系統尺寸的改變，是否會對發動機短艙、吊掛、機翼前緣、翼身整流罩等區域的安裝布置產生影響，也需要在權衡階段給出評估。

4 總結

經過定量和定性兩個角度的權衡分析，即可初步評估出架構方案的優劣。以傳統架構和多電架構為例，相對傳統氣源系統，雖然多電系統通過直接從發動機提取電功率實現系統供氣，效率較高，代償損失較小，燃油消耗率較低。但是多電系統為了匹配包括電動壓縮機在內的全機用電需求，需要更大的發電機，龐大的發電機組帶來的重量增加，抵消了一部分燃油優勢。未來，隨著多電架構下電源系統的重量降低和大量用電設備帶來電子設備冷卻設計和電源系統輸配電設計的成熟化，屆時多電技術相比傳統氣源系統將更具優勢。

【參考文獻】

[1]趙凈凈.民用飛機研發過程中的權衡研究[J].科技創新導報，2011：5.

[責任編輯：田吉捷]