民機地面氣源的需求設計

王旭陽

【摘 要】本文介紹了民機地面氣源的設計依據(jù)和需求確定方法，并基于440 座機典型寬體飛機進行了地面氣源的需求設計，與市面上已商業(yè)運營的相似飛機進行了對比。對比結果表明本文介紹的設計方法在工程上是可執(zhí)行的，也是可靠的。

【關鍵詞】民用飛機；地面氣源

中圖分類號： V267；TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.010

【Abstract】Design method is introduced to define the ground pneumatic power requirement for civil aircraft. And this method is applied to classic wide body civil aircraft with 440 passengers. Result are compared with the similar commercial aircraft in the market. The comparison shows that the introduced design method is engineering executable and reliable.

【Key words】Civil Aircraft； Ground Pneumatic

0 引言

地面長時間停機維護，或者侯機階段，需要維持民機艙內的溫度在舒適范圍內，以保障長時間機上工作或者等候登機階段艙內人員的熱舒適性。

采用機上氣源，如發(fā)動機引氣或者輔助動力裝置（APU）引氣，將帶來極大的地面能源消耗，而且在廊橋附近啟動發(fā)動機或者輔助動力裝置，對機場穿行車輛和人員帶來安全隱患。因此一般民用飛機均采用地面氣源為座艙供氣。

在民機空調系統(tǒng)設計過程中，必須明確給出地面氣源的匹配需求，以方便航空公司在運營相關機型時，配備供氣能力足夠的地面氣源。

1 地面氣源需求的設計方法

地面氣源裝置（如地面空調車）通過地面低壓接頭與飛機混合腔連接，混合腔出口為遍布飛機的送風管網(wǎng)。地面氣源裝置連接地面低壓接頭后，可為座艙提供特定溫度和特定流量的空氣，實現(xiàn)艙內溫度控制。

一般寬體飛機地面接頭有兩個，業(yè)內大多參考MS33562D標準設計，接口內徑為8inch（20.32cm）。典型的民用飛機地面氣源供氣示意圖如圖1所示。

1.1 地面氣源供氣量的限制

根據(jù)寬體客機典型三艙布局，一般將客艙分為7 個溫控區(qū)域：頭等艙（1個）、商務艙（2個）、經濟艙（4個）。一般一個溫控區(qū)域配備左右各一根送風主管，故寬體飛機粗略估計為14 根送風主管。

按照工程經驗，寬體飛機地板以下主送風管路的管徑為6inch（15.24cm）。且為抑制管路噪聲，主管路內的空氣流速不超過15m/s[1]。因此客艙內的總送風體積流量不超過Vmax=3.831m3/s。

在標準大氣壓和24℃溫度工況下，空氣密度為1.18kg/m3。故客艙的總送風體積流量不超過Qmax=4.52kg/s。

1.2 地面氣源供氣需求的設計方法

地面氣源的供氣需求，包括供氣溫度與供氣流量，是隨著外界環(huán)境溫度、艙內熱載荷情況而變化的。必須由飛機制造商給出兩者的匹配關系，作為航空公司進行機型運營時的操作輸入。

地面氣源提供的制冷或制熱量，應滿足艙內的溫控場景需求。一般需考慮如下應用場景：

a）地面冷熱天，基于座艙溫度控制的穩(wěn)態(tài)工況；

b）地面冷熱天，基于座艙快速加溫和快速冷卻的瞬態(tài)工況；

地面氣源供氣時，座艙的一維熱平衡計算方法如下式所示：

Σφi為其他艙內熱載荷，包括：通過透明介質（舷窗）進入艙內的太陽輻射量；個人娛樂設施以及燈光等引起的發(fā)熱量；座艙內外溫差的驅動下通過機體結構傳到的熱量；再循環(huán)開啟后，再循環(huán)風扇帶來的熱載荷；乘客在艙內活動時的生理發(fā)熱量；

Vcabin為座艙容積；

ρ為座艙內空氣密度；

Cp為空氣比熱容，一般取1005J/（kg·K）；

hA為艙內內飾（座椅）與空氣的總換熱系數(shù)，w/℃；

Mseat Cv seat，為艙內內飾（座椅）的總熱容，w/℃；

Tseat為艙內內飾（座椅）的平均溫度，℃；

各熱載荷的計算應依據(jù)實際機型開展，本文不做討論。

對于穩(wěn)態(tài)工況，不用考慮內飾熱容對座艙的影響，即（2）式為零。

對于瞬態(tài)工況，則必須考慮快速加溫或者快速冷卻過程中，內飾（座椅）熱容對座艙溫度的影響。

2 典型440座級寬體客機的地面氣源設計需求設計

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下的地面氣源設計需求算例

依據(jù)上文給出的設計方法，對典型440座機寬體客機的地面氣源供氣需求進行設計，設計結果如圖2 所示：

其中各曲線的工況定義為：

C1—OAT ISA+30℃，446乘客和機組，個人娛樂設備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

C2—OAT ISA+23℃，446乘客和機組，個人娛樂設備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

C3—OAT ISA℃，446乘客和機組，個人娛樂設備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

C'1—與C1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

C'2—與C2同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

C'3—與C3同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H1—OAT ISA-38℃， 機上無人，個人娛樂設備關閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

H2—OAT ISA-49℃，機上無人，個人娛樂設備關閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

H3—OAT ISA-55℃，機上無人，個人娛樂設備關閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風扇開啟；

H'1—與H1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H'2—與H2同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H'3—與H3同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

2.2 瞬態(tài)工況下的地面氣源設計需求算例

依據(jù)上文給出的設計方法，對典型440 座機寬體客機的地面氣源供氣需求進行設計，快速加溫的設計結果如圖3 所示：

其中各曲線的工況定義為：

U1—OAT ISA-45℃，地面氣源供氣溫度70℃。

U'1—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

U2—OAT ISA-38℃，地面氣源供氣溫度70℃。

U'2—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

座艙快速加溫的設計計算結果如圖4 所示：

其中各曲線的工況定義為：

D1—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度2℃。

D'1—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

D2—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度-10℃。

D'2—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

D3—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度-20℃。

D'3—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

結合圖1、圖2、圖3，本文計算的結果與等座級的A350 數(shù)據(jù)對比表明：

a）在相同工況下，兩者的趨勢一致；

b）相同供氣流量下，兩者的需求供氣溫度或時間有所差異，該差異是由于A350的熱載荷計算輸入與本文算例假設值不一致造成；

c）但有理由認為計算偏差在可接受的范圍內，本文推薦的設計方法在工程上是可實施

和可信的。

3 總結

本文給出了民用飛機地面氣源的需求確定方法，并以典型440座級為例進行了需求設計。設計結果與相同座級的A350的數(shù)據(jù)進行了對比。對比結果表明，本文介紹的民用飛機地面氣源需求設計方法在工程上是可實施、可信任的。

【參考文獻】

[1]Air Conditioning Systems for Subsonic Airplanes. SAE ARP85F. 2012.