減少引氣式環境控制系統引氣量措施分析

包涵+王新閣

摘 要：環境控制系統能夠使得艙內溫濕度與壓力維持在指定的范圍內，是飛機的重要子系統。引氣式環境控制系統從發動機壓氣機引氣，會對發動機性能有一定的影響。本文對引氣式環境控制系統存在的問題進行了簡析，并提出了幾種降低引氣量的措施，可以有效提升發動機推力，具有一定的參考價值。

關鍵詞：引氣發動機 效率換熱器 措施分析

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0016-02

隨著發動機技術的發展，飛機發動機的推重比不斷提高，飛機性能有了較大提升，但是對于發動機壓氣機引氣更加敏感；與此同時飛機上機載電子設備數量越來越多，對引氣量的需求也越來越大。為了更合理利用發動機的功率，提升發動機性能，需要減少環境控制系統的引氣量。

1 引氣式環境控制系統存在的主要問題

1.1 環境控制系統的作用

飛機環境控制系統的作用是保持艙內適宜的溫度和壓力，并實現熱氣防冰、風擋除雨、機翼附面層控制、發動機起動、油箱與水箱增壓、機載電子設備通風冷卻、抗荷服增壓和通風服通風等功能。

1.2 引氣式環境控制系統對于發動機的影響

目前在飛機上應用較多的是引氣式環境控制系統，該系統需要從發動機壓氣機引氣，對發動機的推力有一定的影響。從發動機壓氣機引氣后，發動機的排氣溫度、轉速等參數會發生變化，發動機推力下降，耗油率大大增加。洛克希德公司對普惠公司的STF505-M7C發動機進行的試驗驗證了從發動機壓氣機引氣對推力和耗油率的影響[1]：當飛機在10.5km高空以0.8Ma巡航，環境控制系統從發動機的引氣流量為0.95kg/s，則發動機推力下降7%，相當于油耗增加2.6%。對于高推重比的飛機來說，從發動機壓氣機引氣時造成的發動機推力損失和燃油代償損失會更大。

1.3 存在的主要問題

目前，采用了引氣式環境控制系統的飛機主要存在以下幾個問題：

（1）采用一級引氣方案。和兩級引氣相比，一級引氣引起的發動機功率損失更大，燃油消耗量也更高。

（2）座艙空氣循環系統制冷效率較低。目前，座艙制冷多采用簡單式空氣循環制冷系統。該系統對供氣壓力的要求較高，對使用高度有限制，并增加了飛機的性能代償損失。簡單式空氣循環系統中風扇所需的功率，大部分浪費在了增加排氣壓頭上，影響了系統的制冷效率。

（3）制冷量難以滿足電子設備的需求。隨著飛機的性能不斷提升，機載電子設備對制冷量的需求也越來越大。第三代戰斗機F-15環境控制系統總熱載荷約33kW，其中電子設備熱載荷占67%，第四代戰斗機F-22環境控制系統熱載荷約52kW，其中非設備熱載荷僅占不足13%[2]。因此，滿足電子設備對制冷量的需求，保證其可靠性，成為環境控制系統研制過程中重要任務之一。

2 減少環境控制系統引氣量的措施

發動機推重比的提高，對環境控制系統引氣量提出來嚴格的限制[3]。通常情況下，環境控制系統的引氣量約占發動機核心流量的0.3%～1.0%之間[4]。為提升發動機性能，可以用以下幾個方面減少發動機壓氣機的引氣量。

（1）提高座艙空氣循環系統制冷能力。

目前飛機采用較多的是開式空氣循環制冷。開式空氣循環制冷簡單可靠，但是對引氣的消耗較大，且制冷系數不高。美國F-15飛機采用了再生式空氣循環制冷，把再生式換熱器加在了第二級散熱器后面，這樣使得用于座艙冷卻的空氣不是直接排出，而是作為再生式換熱器的冷卻空氣。這樣既減小了引氣量，滿足了制冷需求，又提高了能量利用率，減少了性能代償損失。

（2）提高換熱器效率。

板翅換熱器具有結構緊湊、比表面積大、可以多股流換熱以及二次傳熱等優點[5]。提高板翅式換熱器的換熱效率，可以有效減小引氣量。

環形散熱器引氣量低，代償損失小，可靠性高，并且利用進氣道的壁面進行換熱因而無需為環境控制系統增設沖壓進氣口，這也減少了系統的代償損失。所以可選用環形散熱器來減少發動機壓氣機的引氣量。

（3）改進座艙玻璃防冰除霧方法。

目前，采用引氣防冰除霧的有兩種基本方案，一個是防冰除霧供氣與座艙供氣來自同一管路；另一個方案是座艙供氣和防冰除霧供氣采用不同的管路。第一種方案在座艙玻璃結冰時比第二種方案所需供氣量要大，因為第二種方案可以在融冰除霧時關閉座艙供氣，使總的供氣量不至于過大。

防冰除霧除了采用引氣系統提供的熱空氣外，還可以采用電熱防冰和化學液體防冰。電熱防冰重量輕、可靠性好，跟氣熱防冰相比熱效率高且易于實現自動化。化學液體防冰系統簡單，耗能低，不過會增加飛機負載，對環境的污染也應該考慮。這兩種防冰除霧方式不需要引氣，引起的代償損失也比較小，可以在環控系統設計中進行考慮。

（4）改進電子設備冷卻方法。

電子設備的冷卻方法主要有空氣循環制冷、利用沖壓空氣冷卻、利用座艙排氣冷卻、液冷系統冷卻和蒸發循環系統冷卻等方法。

目前，最廣泛采用的是空氣循環制冷。但是空氣循環制冷需要從發動機壓氣機引氣，會影響發動機性能和造成代償損失。因此，當電子設備對制冷量要求不大時，可以采用座艙排氣對電子設備進行冷卻來減少引氣量。而當電子設備對制冷量要求較大時，此時若采用空氣循環制冷，引氣量會很大。此時應該考慮使用液冷和蒸發循環制冷來滿組制冷需求。

3 結語

引氣式環境控制系統需要從發動機壓氣機進行引氣，對發動機性能有著一定的影響。在特定的飛行階段，發動機對引氣量極為敏感[6]。因此對環境控制系統進行優化設計，減少引氣量，提升發動機性能是十分有必要的。

參考文獻

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

[2] 黨曉明，賈少鵬.軍用飛機大制冷量環控系統方案研究[J].飛機工程，2007（3）：13-15.

[3] Juan Carlosordonez，AdrianBejan.Minimum Power requirement for environment control of aircraft Department of mechanical of engineering and materials science[M].Duke university，2001：1183-1198.

[4] 趙斌，李紹斌，周盛，等.航空發動機空氣系統氣源引氣的研究進展[J].航空工程進展，2012，3（4）：476-485.

[5] Shah.S， Liu.G，Greatrix.D R. Modelling， simulation， and experimental evaluation of a crossflow heat exchanger for an aircraft environmental control system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2010，224（5）：613-623.

[6] 寧換利，華浪，劉永安.環控系統減少引氣量和降低燃油代償損失研究[J].教練機，2013（1）：50-53.endprint