淺談大型客機輔助冷卻系統

彭瑩

【摘 要】大型客機輔助冷卻系統采用蒸發循環制冷系統和液體冷卻系統相結合，可以為客機艙室環境、客機大功率電子設備和廚房餐車提供制冷，并維持適宜的溫度，以保障飛機電子設備正常工作和旅客舒適性。本文詳細闡述了大型客機的輔助冷卻系統國內外發展現狀及其關鍵技術，以期為相關工作的發展提供參考。

【關鍵字】大型客機;輔助冷卻;蒸發循環制冷;液體冷卻

中圖分類號： V245.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0029-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.012

【Abstract】Supplement cooling system for large commercial aircraft includes vapor cycle refrigeration system and liquid cooling system， provides cooling capacity for aircraft cabin environment， high power electronic equipment and galley carts to keep in appropriate temperature， to make sure electronic equipment normal operation and passenger comfort. The analysis of supplement cooling system and key technology shall provide reference for the development of the supplement cooling system in China.

【Key words】Large commercial aircraft; Supplemental cooling system; Vapor cycle refrigeration; Liquid cooling

輔助冷卻系統可用于冷卻客機艙室環境、客機大功率電子設備和廚房餐車等用冷用戶，是商用客機航線運行的關鍵。隨著現代先進民用客機性能和舒適性要求的提高，以及電子元器件高度集成化的發展趨勢，機載電子設備不斷增多、功率也越來越大，導致熱載荷成倍增長，同時廚房餐車用冷用戶需求日益增多，全機冷卻需求日益增長，使得輔助冷卻系統的作用愈來愈重要。

1 技術背景

在新型大型客機A380、B787、A350上，由于飛機朝著多電化方向發展，機載發熱設備多、功率大，若仍使用傳統空氣循環系統冷卻廚房和電子設備，則存在送風管路大、噪聲大等問題，且大功率電子設備熱流密度激增，冷卻需求大幅增加，傳統空氣循環冷卻已經無法滿足要求。輔助冷卻系統由于其制冷量大、制冷效率高等眾多優點逐漸得到廣大研究者的青睞。國外先進的機載輔助冷卻系統多采用液體冷卻系統和蒸發循環制冷系統相結合的方式進行冷卻降溫。F-22戰斗機、AH-64“阿帕奇”直升機、E-2C“鷹眼”預警機等機型都采用了蒸發循環制冷系統，其中，美國的 F-22 采用機載蒸發循環和液體冷卻系統相結合的飛機綜合熱能管理系統TMS（Thermal Management System）[1]，該環境控制系統采用蒸發循環制冷方式與燃油液體循環系統有機結合，滿足了先進飛機中電子設備環境控制要求。國外專家為了在下一代飛機上更廣泛地應用蒸發循環制冷系統進行液冷，美國空軍研究試驗室、Dayton大學研究院和Fairchild 公司共同研發了一臺室內蒸發循環系統試驗臺，旨在開發和驗證蒸發循環系統的最優控制方案和運行機理，為蒸發循環系統冷卻航空電子設備的動態控制規律進行了研究[3]。隨后有學者[2]采用空氣循環系統與蒸發循環制冷系統相結合的方式，提出了一種飛機綜合熱能管理系統的方案，包括燃油循環系統、高溫防凍液循環系統、低溫防凍液循環系統、空氣循環系統、蒸發循環制冷系統、滑油循環系統、液壓油循環系統等，空氣循環系統主要用于飛機座艙環境控制和小功率電子設備艙的冷卻，而蒸發循環制冷系統主要與液冷系統配合用于大功率電子設備的冷卻。B787電動環境控制系統中應用蒸發循環制冷技術和輔助液體冷卻技術，是未來民用飛機發展的重要方向[4]。

典型飛機輔助冷卻系統采用蒸發循環制冷、液體冷卻循環相結合[5]原理圖如圖1所示。

輔助冷卻系統由蒸發循環制冷和液體冷卻（液冷）循環兩個重要組成部分。蒸發循環制冷的功能是產生冷量，由壓縮機、蒸發器、冷凝器、熱力膨脹閥及連接管路組成，制冷工質為R134a。液冷循環的功能是冷量傳輸，由泵、儲液罐、換熱器及管路附件組成，供冷工質一般為熱容較高的液體，其從蒸發器中獲取冷量，在泵的推動下將冷量傳輸至終端換熱器冷卻熱源。相比于空氣制冷系統，蒸發循環制冷具有更高的系統效率，經濟性好;且由于液冷循環工質熱容較高，液冷系統管路尺寸及重量相對較小，終端換熱器為氣-液換熱器，比氣-氣換熱器具有更高的換熱效率。由于現代飛機需要的冷量不斷增加，蒸發循環制冷系統在某些大型旅客機上的應用更加廣泛。同時，蒸發循環制冷/液體冷卻系統結構緊湊、重量輕、具有較強的擴展適應性，能用于客機廚房設備冷卻、客機電子設備艙通風冷卻、空調組件艙通風冷卻、再循環空氣冷卻和大功率電子設備冷卻等。

2 B787飛機輔助冷卻技術

B787飛機輔助冷卻系統包括蒸發循環制冷系統和液體冷卻系統。液體冷卻系統主要為高壓直流電子設備提供冷卻，采用沖壓空氣作為熱沉，通過沖壓空氣換熱器直接制冷，并將冷量轉移至液體載冷劑，利用電動液壓泵驅動載冷劑液體流經各個需液體冷卻的電子設備，載冷劑吸熱后再回到沖壓空氣換熱器進行降溫;B787飛機廚房取消了傳統的冷氣機，取而代之是一套集中的蒸發循環制冷系統，蒸發循環制冷系統利用電動制冷壓縮機驅動制冷劑相變換熱，為廚房餐車制冷、座艙快速降溫、大功率電子設備冷卻提供冷量;提高了整個系統的可靠性，同時降低了廚房冷卻系統的重量，避免了各個冷氣機產生的熱空氣在飛機內的傳播[6]。

3 A380輔助冷卻系統技術

A380輔助冷卻系統的其架構特點主要與其液體冷卻用戶相關，輔助冷卻系統架構采用沖壓空氣作為蒸發循環制冷模塊的熱沉，蒸發循環制冷模塊產生的冷量通過液體冷卻回路依次流經各個廚房冷卻用戶，帶走廚房熱量，最后進入再循環空氣換熱器，吸收再循環空氣熱量后回到蒸發循環制冷模塊中的換熱器進行降溫循環。

4 國內現狀

輔助冷卻系統在國外民機上已逐步成熟應用，但由于機載蒸發循環制冷技術是國外重點保密技術，實際可以查找并且運用的資料比較少;我國與國外的先進技術相比，在適航規章、標準、系統可靠性、系統試驗驗證等方面仍有很大差距，我國大型客機正處于研制階段，在該領域缺乏相關研制經驗，目前國內對于民用大型客機輔助冷卻系統的研究還處于起步階段，停留在部件模型理論研究。國內機電系統供應商基于寬體客機輔助冷卻系統需求，開展了部分輔助冷卻系統研究工作，具有部分部件的技術積累，但尚無民用飛機輔助冷卻系統獨立研制研制經驗。

5 關鍵技術研究

大型客機輔助冷卻系統關鍵技術研究方向主要包括大型客機能量綜合熱管理、輔助冷卻系統關鍵部件研制、輔助冷卻系統仿真平臺的開發。

5.1 大型客機綜合能量熱管理研究

12345由于無論是發動機引氣的空氣循環制冷系統還是采用蒸發循環制冷的輔助冷卻系統，其制冷能力取決于所需要的座艙熱載荷或大功率電子設備熱載荷。因此，需要通過綜合能量熱管理分析，將空氣循環制冷和蒸發循環制冷有機結合，優化全機熱載荷分布及制冷系統的設計，完善輔助冷卻系統設計，降低全機能耗。

5.2 輔助冷卻系統關鍵部件研制

國內正在研發蒸發循環制冷系統的關鍵部件和技術包括高性能雙級膨脹制冷技術、高效組合型線渦旋壓縮技術、微通道高效熱交換技術以及高可靠長壽命流體密封技術等。在跟蹤國外相關研究基礎上，應盡快立項開展相關研究，為實現我國自主研發的大型飛機制冷系統的裝機服役提供貨架產品，逐步實現大型客機產品國產化、系統國產化。

5.3 輔助冷卻系統仿真平臺的開發

在整個飛行包線內，飛機運行狀態及機載設備外界環境不斷變化，為適應機載設備運行狀況，保障系統及設備外部運行環境，優化系統運行工況，提高系統經濟性指標，要求對輔助冷卻控制系統進行優化設計。輔助冷卻系統熱負荷包括電子設備散熱、廚房餐車、再循環空氣等，在不同飛行狀態及運行工況下，系統熱載荷不斷變化，同時，蒸發循環熱沉溫度也隨高度不斷變化，為保證系統制冷量動態管理，滿足系統運行需求，要求通過控制蒸發冷卻循環制冷劑過熱度、過冷度控制熱力膨脹閥開度以及沖壓空氣活門開度，通過液冷循環溫度及制冷量變化，控制泵轉速以及壓縮機轉速，實現制冷能力動態變化。因此，應搭建輔助冷卻系統仿真平臺開發，開展系統仿真實驗，找到一種使蒸發循環系統始終能高效、穩定、可靠運轉的控制率，使之能夠適應機載蒸發循環系統熱負荷多變的情況，滿足機載環境要求。

6 結論

結合國外大型客機對輔助冷卻系統的應用現狀，以及大型客機系統多電化發展趨勢，可預測未來機載系統發熱量將持續增長，飛機制冷需求也將不斷增加，對于輔助冷卻系統的制冷能力要求不斷提高，輔助冷卻系統應用趨勢將更為廣泛，作用也將更加重要。本文對國外主流飛機輔助冷卻系統應用進行了詳細闡述，并分析了其關鍵技術發展方向，以期為國內大型客機輔助冷卻系統的研制提供指導，早日實現系統國產化。

【參考文獻】

[1]劉銘.國外飛機綜合環境控制系統[J].航空科學技術，2004，2：28-31.

[2]李楠，江卓遠.某飛機綜合熱能管理系統初步研究[J].民用飛機設計與研究，2013，2（109）：13-17.

[3]羅志會，李勝全，黃純洲.下一代飛機熱管理技術的研究熱點[J].航空科學技術，2015，26（08）：06-12.

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[5]梁相文，李金梅，姚麗瑞.未來試飛新技術挑戰[M].航空工業出版社，2014：331-332.

[6]嚴利華，姬憲法，李青峰，李金梅.大型軍用運輸機航空電子[M].航空工業出版社，2013：143-144.