現代民航客機座艙增壓原理簡析

張志鐸　姚紅澤

【摘 要】民航客機座艙增壓系統的正常工作對于飛機的安全飛行以及飛機的適航性的符合有著重要的作用。本文對民航客機座艙增壓系統的工作原理做出介紹和分析，對于本系統原理的深入學習有一定參考價值。

【關鍵詞】飛機；座艙高度；座艙增壓；數字式座艙壓力控制器

中圖分類號： V221 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.022

現代民航客機座艙增壓系統的功能是飛機在計劃的飛行高度范圍內，使座艙高度①及座艙高度變化率（爬升率和下降率）能夠符合飛機結構的安全要求，并滿足人體對座艙環境壓力和氧氣密度的基本生理需求。

1 增壓系統原理

增壓系統中，空調組件迫使空氣由空氣分配系統進入飛機座艙，經外流活門流出機外。座艙包括駕駛艙和客艙等，增壓控制系統能夠使座艙壓力高于外界環境壓力。飛行中，空調系統提供經過調定溫度和流量的空氣進入座艙，壓力的控制可通過控制外流活門的排氣量來實現。外流活門開度變大，排氣量增加，艙內壓力減小；外流活門開度變小，排氣量減小，艙內壓力增加。飛行中，外流活門的開度決定了增壓艙內絕對壓力，外流活門的開關速率決定了增壓艙壓力變化率。

根據適航法規規定，飛機的座艙高度不能大于8000feet（英尺），飛機巡航高度一般在30000～40000feet之間，此時座艙內外存在較大正余壓，外流活門處壓差最大。為保證座艙內的壓力：飛機處于巡航狀態時，外流活門開度最小，座艙高度大；飛機在地面時，外流活門開度大，座艙高度低。

在起飛爬升和下降階段，人體對于增壓率和減壓率的適應能力不同。增壓控制系統除了對座艙高度的限制外，對于座艙高度的變化率嚴格控制，座艙高度爬升率不得超過500feet/min，下降率不得超過350feet/min。座艙高度的變化率可通過外流活門關閉和開啟的速度來控制：活門關閉速度越大，座艙高度下降率越大；活門開啟速度越大，座艙高度爬升率越大。

2 座艙壓力制度

座艙壓力制度指在不同的飛行高度下，飛機座艙高度有規律的進行控制。同時也表明在靜態調節特性下，壓力控制系統處于平衡狀態。現代民航飛機有兩種座艙壓力制度：三段式和直線式。前者用于低速飛機，本文只針對現代民航客機廣泛使用的直線式壓力制度進行原理解析。

圖1為直線式座艙壓力制度，飛機在地面起飛爬升到巡航階段（a點到b點）時，飛行高度增加時與之對應的座艙高度呈近似線性規律；在起飛爬升階段，座艙內外壓差緩增，巡航階段時，壓差最大，并通過余壓限制器限制，防止飛機結構受損。例如波音737飛機采用數字式座艙壓力控制器（CPC）對座艙壓力進行控制，實現直線式壓力制度。

3 座艙增壓控制

現代民航客機的座艙增壓控制系統作用是控制空氣流出客艙的速率，其主要部件包括座艙壓力控制組件、數字式座艙壓力控制器（CPC）、外流活門。CPC是中央控制計算機，是實現壓力控制以及調節的核心元件，作為CPC執行機構的外流活門接受其指令執行活門開度大小以及開關速率的動作。數字式壓力控制系統采用電機驅動的外流活門，包括直流電機和交流電機。現代大型民航客機采用的是數字式壓力控制系統，其控制的座艙壓力以及變化率更能根據不同的飛行高度得到高精度的控制，因此的得到了廣泛的使用。

現代民航客機座艙增壓系統具有正常壓力控制和應急壓力控制兩大功能，其中正常壓力控制系統為數字式壓力控制系統。

3.1 座艙正常壓力控制系統

正常壓力控制系統采用數字式壓力控制（CPC）系統，它的組成部件包括程序編制器、座艙高度變化率限制器（限制座艙爬升率和下降率）和最大余壓限制器（監控正余壓和負余壓）。起飛前，駕駛員將巡航高度、著陸高度等參數輸入數字式壓力控制器。增壓控制系統將根據起落架“空/地”傳感器和和飛行電門的信號自動編制本次飛行的增壓程序，在不同的飛行階段對座艙壓力進行控制和調節。

3.2 座艙應急壓力控制系統

正常增壓控制系統失效時，座艙高度、座艙高度變化率易超過限制值，使飛機處于不適航狀態。座艙內壓力過低，人體對壓力和氧氣密度的基本生理需求得不到保障，嚴重時危及生命。另外隨著飛行狀態的改變，沒有得到有效控制的座艙壓力會使得座艙內外壓差值（包括正壓和負壓）過大，對飛機結構造成損傷。

座艙應急增壓控制系統包括：正向壓力釋壓活門、負壓釋壓活門、壓力均衡活門和座艙高度警告系統。

1）正向壓力釋壓活門

正向壓力釋壓活門是失效安全裝置（又被稱為安全活門），當活門故障卡阻于關位時，座艙內壓力大于座艙外環境壓力一定值時，活門打開，將座艙內空氣噴出，釋放了座艙壓力。例如波音737飛機艙內壓力大于艙外壓力8.95psi②時，正向壓力釋壓活門打開，從而防止損壞飛機結構。

2）負壓釋壓活門

負壓釋壓活門防止飛機快速下降期間產生負的壓差（座艙外的壓力高于座艙內的壓力產生的真空壓力）損壞飛機結構。例如波音737飛機，當飛機外的壓力比飛機內的壓力大1.0psi時，負釋壓活門打開。

3）壓力均衡活門

前后貨艙都安裝有壓力均衡活門，壓力均衡活門由兩個控制空氣流向不同的單向活門組成。其中一個單向活門控制空氣進入貨艙，一個單向活門控制空氣排出貨艙，從而使得客艙和貨艙壓力保持一致。

4）座艙高度警告系統

座艙高度警告是指座艙高度10000feet時，座艙高度警告電門閉合，接通警告電路并發出音響警告，駕駛員可以切斷音響警告，直到座艙高度音響警告再次響起。當座艙高度大于等于14000feet時，客艙乘客氧氣面罩自動釋放。

3.3 增壓工作模式

工作模式包括：自動模式、交替模式（備用模式）、人工模式。正常工作為自動模式，當自動模式失效時，CPC將增壓系統自動轉換為備用模式。當系統檢測自動模式和備用模式都存在故障無法進行自動增壓時，飛機增壓警告面板給出警告，提醒駕駛員使用人工模式進行人工操作。

對于波音737機型，有2個外流活門。位于電子設備艙的前排氣活門除了輔助后外流活門對座艙進行增壓外，還可實現對電子設備艙的冷卻功能。后外流活門有2個28V直流電機和一個48V交流電機，每次只有一個電機帶動活門進行開關運動。在自動模式和備用模式下，CPC通過2個28V直流電機驅動后外流活門。當自動模式和備用模式失效時，駕駛員可通過人工模式對48V交流電機對后外流活門進行人工超控，實現對座艙壓力的人工控制。在增壓控制系統工作時，由于后外流活門向后排出空氣，因此可以產生一定推力，又被稱為推力回收活門。

波音737飛機前排氣活門彈簧將活門保持在開位，當飛機開始增壓，流過活門的空氣流量逐漸增加30lb/min鐘時，活門關閉。此時產生的1psi的壓差將活門保持在關閉位置。

3.4 自動模式座艙高度剖面

圖2為波音737飛機飛行中自動模式下的座艙高度剖面，增壓系統在自動模式中對飛機所有飛行階段進行座艙壓力控制，包括六個飛行階段：地面、起飛、爬升、巡航、下降和著陸。增壓系統通過起落架“空/地”電門和兩臺發動機N1軸轉速的信息來判斷飛機處于地面還是空中，從而執行了五種增壓程序：地面不增壓、地面預增壓、爬升程序、巡航程序和下降程序[1]。

1）地面不增壓程序

當起落架“空/地”系統指示左右起落架在地面狀態，且兩臺發動機的N1③轉速小于50%至少1.5秒，這時CPC判斷飛機在地面狀態。此時外流活門全開，座艙處于自由通風不增壓狀態。

2）地面預增壓程序

當起落架“空/地”系統指示左右起落架在地面狀態，并且兩臺發動機N1轉速至少在1.5秒內增加到60%以上，這時CPC判斷飛機處于起飛前或者著陸前時的狀態。此時CPC將座艙增壓到低于場壓高度0.1psi（即輸出189feet的偏壓信號），外流活門部分關閉，這樣防止飛機在起飛時沖擊氣流對座艙造成的壓力瞬時增加。

3）起飛爬升程序

當起落架“空/地”系統指示左右起落架在空中狀態時，座艙增壓系統執行起飛爬升程序。CPC根據飛行前輸入的巡航高度自動編制增壓程序，不斷調節后外流活門的開度以及關閉速率，使得每一個飛行高度都有一個與之對應的座艙高度以及座艙高度變化率，直到飛機到達設定的巡航高度。

4）巡航程序

當飛機外部環境的壓力降低到飛行巡航高度選擇的壓力0.25psi時（即與巡航高度相差400feet時），CPC控制系統進入巡航狀態。飛機在巡航狀態時，飛機不可能時刻精準的保持在巡航高度上，飛機的飛行高度會改變。設置0.25psi控制信號的目的是為了防止飛機（下轉第35頁）（上接第59頁）由于飛行高度的改變造成CPC頻繁的工作切換，造成使用壽命減少。因此在巡航高度上下相差800feet的范圍內，CPC使后外流活門處于全關位[2]。

5）下降程序

當飛機外部壓力增加到大于飛行高度選擇的0.25psi時（即飛機的飛行高度低于巡航高度400feet時），CPC執行下降階段增壓程序。此時CPC控制后外流活門開度逐漸增大，并控制外流活門開啟的速率，此程序按照壓力制度預定的座艙高度與飛機高度的線性關系進行調節，保證座艙高度和座艙高度變化率不超限。當飛機接地時，CPC將座艙壓力增加到比選定的著陸高度低0.15psi的壓力（即輸出300feet的偏壓信號）。飛機接地后，起落架“空/地”系統指示左右起落架在地面狀態，CPC執行地面預增壓程序。當飛機停機時，兩臺發動機的N1轉速小于50%至少1.5秒，CPC執行地面不增壓程序。至此，座艙增壓控制系統完成了對飛機不同飛行階段完整的增壓控制。

【參考文獻】

[1]李元鏡，飛續飛試驗載荷譜（5乘5譜）編制方法初探[J].《民用飛機設計與研究》，2002，3，1-11.

[2]任仁良，張鐵純.渦輪發動機飛機結構與系統[M].北京：兵器工業出版社，2006.11，292-302.

注釋：

①座艙高度是指座艙內部氣壓所對應的所在高度的標準大氣壓力.

②psi，英制壓強單位，磅每平方英寸.

③N1軸，CFM56-7B發動機發動機低壓軸.