飛機空調解析

王勇

(吉林省民航機場集團公司機務工程部，吉林 長春 130000)

當萊特兄弟第一次飛上天空，人類也開始了藍天之旅。初期，民航飛機飛行高度不高，速度也很小，可以保證所飛行高度的空氣壓力、溫度、濕度、密度，完全可以保證飛行機組和乘客的安全和舒適。可是當民航飛機飛到了萬米高空，民航飛機可以自由翱翔在氣流平穩的高度層，這里沒有對流，溫度恒定在-56℃，我們叫這里同溫層。飛機設計者可以更容易設計飛機外形，更安全、更經濟，一切都那么美好。但是，這里氧氣稀薄，氣壓僅為20kPa，氣溫極低，隨之而來，這里不適合人類生存。所以，我們需要改變大氣參數，在飛機座艙里保證一定的溫度、濕度、壓力、氧含量。

1 空調是做什么用的

空調，顧名思義調節空氣的機器。用戶是機艙里的人、機組、旅客。民航飛機的空調，被調節的空氣并不是同溫層的低溫低壓空氣，而是飛機發動機里的熱空氣，我們叫作引氣。這里我們要知道，飛機的動力裝置，也就是引擎、發動機，其能量轉換原理是把外界空氣壓縮然后去點燃燃油。被壓縮的空氣溫度高、壓力高，優點是這些參數基本恒定。空調的作用是怎么把這些高溫高壓空氣降溫、降壓、恒溫、恒壓。

同溫層的民航客機我們可以利用的壓縮熱空氣一般200℃，壓力也是可怕的14 個大氣壓，顯然，人類不能直接使用。我們想要20℃一個大氣壓的空氣，壓力溫度可以低一點、高一點，但是不能讓我們身體受不了，我們需要舒適、安全。同時，飛機的結構承壓也需要考慮。我們引入的空氣恒流量，那么，我們可以通過改變排氣來改變飛機里面壓力，一個排氣活門，通過計算機連續控制活門開度，保證所需壓力。如同計算機編程，很復雜又那么簡單。

現在來調節溫度，前文已講明，200℃肯定不能用，那我們要多少度呢，這里我們不用將就飛機結構，我們想要的結果是，想要多少度就調節到多少度。引擎引氣高溫，高壓，肯定用不了；飛機的航電都是電子產品，無時不在發熱，要降溫。基于以上這兩點，我們需要點冷空氣。只有冷空氣和熱空氣混合了，才能降溫；只有冷空氣，才能給航電降溫。顯然高空中外界的冷空氣中氧氣含量低，并且壓力太低也無法與高壓高溫熱空氣混合，我們需要制造冷空氣。熱力學里制冷的方式是做功和熱傳遞，民航飛機也如此，我們用空氣循環機(ACM)完成做功、散熱器完成熱傳遞。

此外，空氣中含有水蒸氣，為了整個機體結構的防腐考慮，我們需要去除一定水分，就是干燥除水；當然空氣中各種灰塵，我們需要清潔，清潔空氣的辦法和汽車一樣，加個空氣濾，本文不贅述。

2 壓力制度是什么

前文說過民航飛機通過控制排氣活門開度控制機艙內部壓力，控制壓力的的原則我們叫作壓力制度。理想情況是我們的機艙內相當于在地面上最好，實際上只要不超過2400m的高度我們都可以接受。飛機機艙內部壓力對應的高度層我們叫座艙高度，機艙壓力隨外界高度改變的規律我們叫壓力制度。下圖就是現在民航客機的直線式壓力制度，如圖1。

圖1 機艙壓力制度

（1）預增壓程序。對飛機機艙內部增壓，達到防顛簸的目的。

（2）爬升程序。飛機起飛了，我們允許壓力緩慢下降。當達到比預設數值低0.25PSI 進入巡航程序。這個數叫余壓，余壓的設計是防止頻繁的壓力控制。

（3）巡航程序。此時，飛機飛行在萬米高空，只要沒有掉太多高度，壓力不變，恒壓階段。

（4）下降程序。當飛機下降太多，太多指的是超過1500 英尺，這時候轉入下降程序。下降程序，也要設定余壓，同樣是為了防止顛簸。

3 溫度怎么控制

卡羅循環，也就是熱傳遞的方式，如同冰箱一樣，也就是蒸發循環制冷，但是由于氟利昂對大氣層有害，現在很少用；逆布雷頓循環，空氣對外做功的方式，這種方式是現在大型飛機常用的制冷方式。

3.1 如何應用卡羅循環和逆布雷頓循環

1877 年，德國人在慕尼黑第一次發明了蒸發循環制冷，介質是氨氣，百年之后氨變成了氟里昂。蒸發循環制冷蒸發、壓縮、冷凝三個過程，經壓縮機的高溫高壓的氟利昂以氣態來到冷凝器散熱降低溫度、然后液化、變成高壓液體，通過蒸發器內吸收熱量，在變成低壓蒸汽，再次來到壓縮機，反反復復的循環，蒸發器吸收熱量完成熱交換。很顯然，由于工藝和不可避免的泄露，制冷劑需要不斷地補充，維護成本頗高，環境破壞不可避免。原理如圖2。

空氣循環制冷機是則不需要氨氣和氟利昂等制冷劑，逆布雷頓循環為理論指導，通過熱空氣的膨脹對外做功來吸收熱量，其原理如圖3。

圖2 蒸發循環制冷

圖3 空氣循環制冷原理

空氣循環制冷優越性有：第一，制冷劑就是空氣，容易獲取，無毒；第二，制冷效率高，可以把溫度降到更低；第三，很少有故障，甚至免維護。空氣是制冷介質，沒有毒害也不需要任何處理，也就不需要封苛刻的封嚴，尤其加入空氣軸承和高溫除水之后，其維護量極少；第四，更合適現代民航飛機的高溫高壓的熱空氣源。

3.2 ACM（空氣循環制冷機）怎么工作

飛機空調系統由三部分組成，一是熱交換器、二是壓縮、三是渦輪。飛機發動機引出的高溫高壓熱空氣首先進入熱交換器，將熱傳遞到給冷卻介質高空外部空氣，之后進入渦輪膨脹做功使渦輪旋轉，驅動壓縮機、風扇，內能變成了機械能，達到降溫、降壓目的，這些冷空氣再與熱空氣按指定的比例混合后就可以供機艙人員使用了。冷空氣也可以冷卻航電系統。ACM 有簡單、升壓和三輪式三種：

（1）簡單式系統如何工作。簡單式系統轉動部分分為主軸、風扇和渦輪，高溫高壓的熱空氣進入散熱器直接進入渦輪，由于負載是風扇，可以保證低速時候可以工作，但是效率低下且負載小易超轉。優點是結構簡單，低速性能好，早期飛機大多應用，原理如圖4。

圖4 簡單循環系統

（2）三輪式循環如何工作。為了解決簡單式循環制冷的弊端，引入了升壓式循環制冷系統。也就是渦輪軸帶動壓氣機取代風扇，從而保證了不超轉。但是，在飛機發動機不運轉時候，也就無法和外界大氣完成熱交換。也許這就是科學進步的過程，思維的轉換似乎來都慢一些，這種升壓式的循環方式應用了一代飛機之后，研究者似乎想到了什么。為何不能用渦輪帶動壓縮機和風扇呢？既解決了超轉問題，又解決了地面熱交換問題。三輪式循環應運而生。

簡單來說，三輪循環就是比簡單式循環制冷系統加了一個壓縮機。復雜來講，是簡單是循環制冷系統和升壓式循環制冷的組合。ACM 機是由一根軸上的渦輪、壓縮機、風扇組成。渦輪是能量輸出端，壓縮機和風扇消耗著能量。帶動的風扇吸入冷空氣供給熱交換器。帶動的壓縮機又壓縮空氣，升高壓力提高了渦輪的效率。一條軸上的三個主要元件又能很好的分配各自的能量。自然而然，這是新一代飛機最完美的選擇，其原理如圖5。

三輪式循環制冷系中空氣通過渦輪對外做功膨脹降溫，又通過散熱器再次降溫，從而獲得低溫氣體。高溫氣體的溫度變化曲線如圖6 所示，當經過散熱器時降溫；通過壓氣機升溫但是得到了升壓；通過渦輪降溫，200℃的熱空氣經過做功和熱傳遞兩種方式降至零下50℃。低溫的氣體在通過和高溫氣體一定比例的混合，帶給每位乘客。超過250℃的降溫，可見這種系統效率之高。

圖5 三輪式循環系統

三輪循環制冷系統的出現很好的解決了空氣制冷問題，而在更新的飛機設計上，出現了四輪循環，增加渦輪、減少散熱片。可是也會帶來隨之而來的問題。比如，轉速匹配的問題、傳感器過多的問題。這就是成長的煩惱，我們想見到的是更高的效率，更經濟的匹配方式。當然我們更需要的是可靠、安全。而當下，散熱器污染，散熱效果變差才是亟需解決第一難題，我們可否在材料和工藝上更加下一些功夫，散熱同時保證散熱片減少污染。

圖6 三輪空氣循環機溫度變化曲線

4 ACM 怎么除水

除水是飛機空調的重要任務，水結冰會造成軸承跑偏，損壞ACM,也會堵塞管路；水是萬物之源，滋生微生物，造成腐蝕；飛機的航電系統也最怕水的腐蝕。除水系統也經歷過兩個階段：第一階段是在低壓區除水，我們叫低壓除水，低壓出水的缺點是除水不夠徹底；第二階段是高壓除水，也就是渦輪后除水，這種除水方式能更好地去除水分，從而提高ACM 的可靠性，尤其空氣軸承的磨損大大減少。高壓除水的通過水的相變從而使水蒸氣分離出來，由于此時水滴較大，更容易收集，同時露點低，能分離更多的水分，能更好的干燥ACM 出口空氣。

5 結語

民航大型客機的空調系統核心元件是ACM 機，其制冷效率高，但是也存在一些問題，比如散熱片污染問題，比如噪音問題。對于散熱器清潔技術，我們可以大膽的嘗試，不應該僅限于清潔劑清洗，更應該嘗試其他技術，如超聲清洗，甚至更多其他辦法；對于噪音問題，我們可以繼續提高渦輪和壓縮機效率，從而降低ACM 轉速，低轉速必然可以低噪音，更安靜的為人民服務。隨著科學的進步，隨著新材料新技術的應用，終有一天我們可以看到一個閉環的循環方式，安靜地保障飛機的安全。