基于小容積飛機座艙不可控漏氣量估算方法的研究

沈鳳村

摘 要 中高空飛行的飛機大多采用氣密座艙（即增壓艙），在座艙增壓時，存在不可控漏氣，對發動機及飛行均有影響。本文研究了一種基于小容積飛機在設計階段對座艙不可控漏氣量進行估算的方法，并以某小型飛機的座艙作為算例，驗證該方法的可行性。

關鍵詞 不可控漏氣;估算;驗證

隨著航空技術的發展，小型飛機中高空飛行能力大幅提高，在中高空飛行時，高空減壓對人體的危害性大幅增加，為保證機上人員安全高效的工作，設置了氣密座艙。氣密座艙主要由結構件、透明件及各種設備組成。各連接部位、通道等都采取密封措施，但由于生產制造技術等因素，在座艙增壓時，座艙內空氣仍會泄漏。座艙漏氣主要產生以下危害：①對發動機的影響。現大多數飛機的座艙增壓氣源均引自發動機或增壓壓氣機，引氣方式是以降低發動機動力為代價，增加發動機動力的代償損失會影響飛機飛行性能。②對人員的影響。當增壓源發生故障不再向座艙供氣或供氣急劇減少的情況下，座艙內存在的空氣量必須保證飛行員有足夠的時間使飛機下降到安全高度以下，此時，座艙不可控量較大漏氣會使緊急情況下飛機操縱的難度增加，影響飛行和人員生理健康。

因此，座艙不可控漏氣量應是環控系統在設計階段考慮的重要因素之一。然而在設計階段的方案權衡中，極少評估座艙漏氣量，原因有幾方面：一是因為漏氣量對系統設計的影響有限;二是因為在設計之初，座艙內涉及的專業較多，暫無有效的手段對其進行定量的評估。

鑒于此，本文將研究針對小容積飛機座艙不可控漏氣量在設計階段定量評估的估算方法，該方法利用近似機型的試驗數據結合座艙數值特征模型，估算出座艙不可控漏氣的量值，最后以某小型飛機的座艙為算例，參考相關標準，驗證該方法的可行性。

1座艙漏氣量估算方法研究

1.1 估算方法簡述

估算方法具體實施流程為：確定估算目標，針對目標的漏氣特征建立數學模型，選擇近似目標機型的有關試驗數據，結合數學模型和試驗數據找出漏氣部位的物理特征值，估算目標的各模型單元漏氣量，進一步得出總漏氣量，為驗證估算值，選擇與目標相關的漏氣標準，并確定標準要求的漏氣極值，最后比對估算值與標準值，如估算值在標準值范圍內，則認為該估算值可行，反之則重新建立模型，再次按流程評估漏氣量。

1.2 確定估算目標

本文提出的估算方法針對小容積飛機座艙不可控漏氣量。該類型飛機座艙有以下特征：①小容積飛機座艙，常以艙蓋作為進出通道，因此設計時必須重點考慮該處的漏氣影響;②小容積飛機座艙結構緊湊，外形復雜，結構連接部位和拉桿等通道部位安裝制造復雜，存在較大的不可控漏氣。

1.3 建立數學模型

目標漏氣部位分為三大塊：①結構鉚接、螺接部位漏氣;②與外界接通的設備本身漏氣;③各通道氣密連接部位（如艙蓋與結構貼合處、各操縱桿、管線等通過氣密結構的部位）漏氣。針對漏氣部位，建立座艙漏氣的數學模型為：

其中，C=為漏氣單元的物理特征系數，同一漏氣單元漏氣特征系數在各高度均相同。結合公式（1）可得出座艙漏氣量與漏氣單元物理特性、座艙內余壓及空氣參數的關系：

1.4 估算漏氣量簡述

根據估算目標的座艙特性，查找近似機型的氣密性試驗數據，并結合公式（6）找出座艙內各漏氣單元的物理特征系數C值，本次估算認為系數C在各高度上相同。利用C值，估漏氣量，單元漏氣量的總和既是座艙總的不可控漏氣量[1]。

1.5 驗證標準

本節將對座艙漏氣量的相關標準進行解讀，從中找出針對低升限小容積飛機座艙漏氣量最嚴苛的要求作為檢驗依據。

（1）標準要求

摘自標準《飛機環境控制系統通用規范》（GJB1193-91）內容如下：

①標準要求：“對于所有飛行狀態，增壓氣源向氣密座艙提供的最小流量應比出廠驗收時座艙允許的最大泄漏量至少大1.8倍。”，該條內容闡述了增壓源與座艙不可控漏氣量之間的關系。

根據解讀，得出增壓源最小供氣量與座艙不可控漏氣量之間的關系：

式中，qgmin為這增壓源最小供氣量，qLmax為座艙最大不可控漏氣量。

（2）其他要求

文獻《飛行器環境控制》中的要求如下：

①“在正常飛行條件下，從各種不嚴密處泄漏的空氣量，不應超過最小的可用增壓供氣量，這是為了保證座艙壓力制度必需的。”該條內容闡述了座艙供氣量與座艙不可控漏氣量之間的關系。

通過解讀，得出增壓源最小供氣量與座艙不可控漏氣量之間的另一關系：

式中，qgmin為這增壓源最小供氣量，qLmax為座艙最大不可控漏氣量。

②“增壓座艙通過不氣密處不可控制的泄漏量與通過壓力調節器排氣活門可控制的排氣量之和應小于部分增壓源失效后的供氣量，以保證座艙的余壓值。同時座艙供氣量qm.p、座艙泄漏量qm.s、座艙壓力調節器穩定控制所需的流量qm.r之間應滿足以下關系：

式中：qgmin為增壓源最小供氣量、qLmax為座艙最大不可控漏氣量、qymin為座艙壓力調節器穩定控制所需的流量。

（3） 驗證標準的選擇

根據上述篩選出的小容積飛機座艙漏氣量的標準要求，從中選擇最為嚴苛的標準。采用類比的方法，根據其他某小容積座艙的氣密性試驗數據，繪制出各標準要求的漏氣量極值曲線。

通過曲線可看出，公式（6）對應的曲線在漏氣量極值的要求上更為嚴苛，該要求使飛行員在應急情況下處置時間更充足。

1.6 驗證

根據數學模型推算出座艙不可控漏氣量估算值，與標準漏氣量極值作比較，若比對結果滿足要求（要求為：估算值必須小于極值，不能等于;估算曲線可無限接近極值曲線，但不能重合。）則該方法可行，反之則重新建立數學模型，按流程重新評估。

2實例應用

本文選取某在研的小容積飛機座艙為實例，利用本文提出的評估方法，按照評估流程，估算該飛機座艙的不可控漏氣量值，若估算值滿足標準要求，則本文提出的估算方法可行，可作為設計階段預估小容積飛機座艙不可控漏氣量的有效方法之一。

執行估算流程，估算該機型飛機座艙各高度上不可控漏氣量值及極值，最后通過曲線的形式比較估算值與極值，比較結果詳見圖3所示。

注：①由于漏氣原因為座艙增壓時，在0～2km時，座艙余壓幾乎為0kpa，因此不估算0～2km的漏氣量，本輪估算從3km開始;②在高空，當余壓值趨于相等時，漏氣量估算值也趨于相等，僅由于密度的微小變化產生微弱差異;③根據發動機的引氣特性，越往高空，系統引氣量越小。而漏氣極值只與引氣量有關，因此呈下降趨勢。

通過曲線可看出：兩曲線呈無限接近趨勢，漏氣量估算值小于極值，由于余壓值的限定，兩曲線不可能重合;比對結果滿足要求，本文研究的方法可行[3]。

3結束語

通過分析，可得出以下結論：

（1）本文提出的基于小容積飛機座艙不可控漏氣量的估算方法，經實例驗證可行;

（2）該方法從理論上解決在設計階段無法有效評估座艙不可控漏氣量的問題，并為后續的座艙氣密性驗收試驗提供定量參考依據;

（3）該方法彌補了小容積飛機座艙在設計階段的評估漏洞，有效提高系統設計的安全性和可靠性。

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，2004：7.

[2] Franzini， Joseph B. Fluid mechanics， with engineering applications[M].北京：機械工業出版社，2005：11.

[3] 《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊.第15冊，生命保障和環控系統設計[M].北京：航空工業出版社，1999：9.