飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)研究

蔡致鵬 王新閣 張宴嘉

摘 要：對(duì)飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從氣源系統(tǒng)、座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、空氣分配系統(tǒng)五個(gè)方面對(duì)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行介紹。重點(diǎn)對(duì)渦輪通風(fēng)式、兩輪升壓式、三輪升壓式、四輪升壓式和蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了不同制冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)。展望了飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，綜合環(huán)境控制系統(tǒng)和綜合熱管理系統(tǒng)可以作為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)控系統(tǒng)制冷系統(tǒng)多電飛機(jī)綜合環(huán)境控制系統(tǒng)

Research on Aircraft Environmental Control System

CAI Zhipeng? WANG Xin’ge*? ZHANG Yanjia

（Aviation University of Air Force， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The aircraft environmental control system is studied， and the environmental control system is introduced from five aspects： air source system， cockpit pressure regulation system， refrigeration system， heating system and air distribution system. This paper focuses on the research of turbine ventilation， two wheel boost， three wheel boost， four wheel boost and evaporative cycle refrigeration systems， and analyzes the advantages and disadvantages of different refrigeration methods.The development trend of aircraft environmental control system is prospected. Integrated environmental control system and integrated thermal management system can be used as a reference for the design of aircraft environmental control system.

Key Words： Environmental control system; Refrigeration system; Multi-electric aircraft; Integrated environmental control system

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)（environmental control system簡(jiǎn)稱ECS）的任務(wù)就是根據(jù)飛機(jī)的用途和類型，在飛行包線內(nèi)和飛機(jī)在非正常狀態(tài)下，保持艙內(nèi)空氣的溫度、濕度、壓力、氣流速度和清潔度在允許規(guī)定值內(nèi)?，F(xiàn)代飛機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)不僅承擔(dān)了飛機(jī)內(nèi)部環(huán)境控制的功能，而且需要為各種大功率電子設(shè)備通風(fēng)制冷，還需要滿足飛機(jī)對(duì)防冰、防霧、抗荷服增壓和通風(fēng)服通風(fēng)功能的要求。

1 飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)組成

環(huán)控系統(tǒng)主要由座艙增壓供氣系統(tǒng)和座艙空調(diào)系統(tǒng)組成。座艙增壓供氣系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)和座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，座艙空調(diào)系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、空氣分配系統(tǒng)。

1.1 氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)是座艙增壓和空氣調(diào)節(jié)的源泉，要求氣源出口壓力大于艙內(nèi)壓力，供氣量大于需氣量。目前供氣來(lái)源主要是發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、飛機(jī)動(dòng)力裝置傳動(dòng)的增壓器、空氣渦輪驅(qū)動(dòng)的離心式增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)引氣如圖1所示，主要從中級(jí)壓氣機(jī)引氣，當(dāng)中級(jí)壓力不足時(shí)從高級(jí)壓氣機(jī)引氣。這種直接從壓氣機(jī)引氣的方法較為簡(jiǎn)單，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，耗油率增加，供氣壓力受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)制約且供出的空氣可能受污染。飛機(jī)動(dòng)力裝置傳動(dòng)的增壓器有離心式和容積式，優(yōu)點(diǎn)是能保證高空飛行時(shí)的供氣量，缺點(diǎn)是低空飛行時(shí)一部分空氣直接排入大氣，功率浪費(fèi)嚴(yán)重。

1.2 座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.2.1 壓力制度

座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是控制座艙高度、座艙余壓、壓力變化速率在規(guī)定范圍內(nèi)。在正常的工作條件下，民用班機(jī)及大型軍用飛機(jī)座艙高度最大為2400m，戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)的座艙高度通常最大為8000m。座艙余壓是指座艙壓力與大氣壓力之差，分為高壓差和低壓差兩類。俄羅斯規(guī)定最大不能高于232.4kPa，美國(guó)規(guī)定為34.5±0.7kPa。對(duì)轟炸機(jī)，通常會(huì)采用雙壓差制度，正常飛行時(shí)采用高壓差，戰(zhàn)時(shí)采用低壓差減小爆炸減壓的危險(xiǎn)性。飛機(jī)上升或下降過(guò)程中，會(huì)引起座艙壓力發(fā)生變化，壓力變化過(guò)快會(huì)引起航空性鼻竇炎、中耳炎等病癥。旅客機(jī)壓力減小速率為213～427Pa/s，壓力增加速率為18～213Pa/s，對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)壓力減小速率每秒為670～1330Pa/s，壓力增大速率為400～670Pa/s。

1.2.2 座艙壓力調(diào)節(jié)方式

目前飛機(jī)上使用的座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)大致可分為三類，即氣動(dòng)式、電子式和數(shù)字式。氣動(dòng)式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)研發(fā)最早，使用時(shí)間最長(zhǎng)，由于是純機(jī)械式的氣動(dòng)調(diào)節(jié)，精度低，動(dòng)態(tài)性能差。電子式工作原理是壓力傳感器獲得座艙壓力值和環(huán)境壓力值，控制方向由壓力控制器將壓差與設(shè)置壓力制度進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定，力矩電機(jī)相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)控制排氣活門的開度。電子式控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好、自動(dòng)化程度高。數(shù)字式工作原理是通過(guò)傳感器采集大氣數(shù)據(jù)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制活門位移，位移量由計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的大氣數(shù)據(jù)和壓力制度計(jì)算。由于整個(gè)過(guò)程都是由數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)完成的，數(shù)字式壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)更加精確可靠。

1.3 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)主要有兩大類型，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)?？諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)主要有渦輪通風(fēng)式、兩輪升壓式（渦輪-壓氣機(jī)式）加低壓除水或高壓除水系統(tǒng)、三輪升壓式（渦輪-壓氣機(jī)-風(fēng)扇式）加低壓除水或高壓除水系統(tǒng)、四輪升壓式（渦輪-壓氣機(jī)-渦輪-風(fēng)扇式）加高壓除水四種形式。

1.3.1 渦輪通風(fēng)式

渦輪通風(fēng)式渦輪通風(fēng)制冷是最簡(jiǎn)單、質(zhì)量最輕的系統(tǒng)。工作原理是引自壓氣機(jī)的高溫高壓空氣，經(jīng)過(guò)熱交換器冷卻，再在渦輪中膨脹降溫后供向座艙，渦輪功驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。缺點(diǎn)是隨著飛行高度增加，空氣密度下降、風(fēng)扇負(fù)荷減小。

1.3.2 兩輪升壓加低壓除水式

兩輪升壓加低壓除水式兩輪升壓加低壓除水原理如圖2，由壓氣機(jī)引出的高溫高壓的空氣，經(jīng)過(guò)初級(jí)熱交換器預(yù)冷后被壓縮，再經(jīng)過(guò)次級(jí)熱交換器冷卻后進(jìn)入渦輪冷卻器，最后經(jīng)過(guò)低壓水分器除水后進(jìn)入座艙，渦輪膨脹做功的同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。冷凝水噴射至沖壓空氣風(fēng)道中，由于沖壓空氣中水蒸氣含量不飽和，冷凝水等焓蒸發(fā)并冷卻沖壓空氣，提高換熱器冷卻效果和制冷效率。沖壓空氣流量和溫度決定換熱器冷卻效果，因此在地面時(shí)無(wú)飛行速度，需要保障車提供沖壓空氣。為防止水蒸氣結(jié)冰，渦輪出口空氣溫度不能為0℃。

1.3.3 兩輪升壓加高壓除水式

兩輪升壓加高壓除水系統(tǒng)比低壓除水多了一個(gè)冷凝器和回?zé)崞鳌：偷蛪撼煌氖?，從次?jí)換熱器出來(lái)的空氣經(jīng)過(guò)回?zé)崞?、冷凝器、高壓水分器和回?zé)崞骼鋫?cè)再進(jìn)入渦輪。進(jìn)入渦輪的空氣在經(jīng)過(guò)水分離器時(shí)被除去絕大多數(shù)水分，因此渦輪出口空氣溫度可降至更低，提高制冷量和制冷效率。高壓分水器出來(lái)的干冷空氣經(jīng)回?zé)崞髟贌?，冷凝水即使沒(méi)有在分水器中分離干凈，也會(huì)再熱而汽化，避免液態(tài)水進(jìn)入渦輪而造成損壞。

1.3.4 三輪升壓加低壓除水式

兩輪升壓制冷的缺點(diǎn)是地面制冷能力差，為了增強(qiáng)地面制冷能力發(fā)展出三輪升壓式制冷系統(tǒng)，如圖3，三輪指制冷系統(tǒng)包括渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇3個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械安裝在一根軸上，由渦輪驅(qū)動(dòng)。由于在渦輪和壓氣機(jī)的聯(lián)軸上增加風(fēng)扇，因此分配到壓氣機(jī)的功率下降，升壓作用比二輪升壓系統(tǒng)小，故三輪升壓制冷效率比二輪升壓稍低。但增加沖壓空氣風(fēng)扇，當(dāng)飛機(jī)在地面候機(jī)、滑行過(guò)程中，有足夠流量的沖壓空氣來(lái)保證制冷效果，因此得到廣泛的應(yīng)用，例如波音—737、波音—747、空客—A300等機(jī)型就是采用的三輪升壓加低壓除水制冷系統(tǒng)。

1.3.5 三輪升壓加高壓除水式

和兩輪升壓加高壓除水一樣，次級(jí)換熱器出來(lái)的空氣進(jìn)入回?zé)崞骱屠淠鳠醾?cè)冷卻，高壓空氣中水蒸氣冷凝，在高壓水分器中除水，再進(jìn)入回?zé)崞骼鋫?cè)再熱，渦輪膨脹制冷，獲得干冷空氣進(jìn)入冷凝器冷側(cè)再熱后送入機(jī)艙。冷凝器中凝結(jié)的水滴較大，除水率達(dá)95%～98%，空氣中水分低，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻時(shí)更加安全可靠，此系統(tǒng)使得飛機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)都具有優(yōu)良的性能。B757、B767、A320等民航客機(jī)及F15戰(zhàn)斗機(jī)均采用三輪升壓式加高壓除水制冷系統(tǒng)。

1.3.6 四輪升壓加高壓除水式

四輪升壓式加高壓除水空氣制冷系統(tǒng)如圖4，是在三輪系統(tǒng)基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，渦輪由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)。引氣進(jìn)入渦輪之前，基本過(guò)程同三輪機(jī)構(gòu)類似，引氣來(lái)到一級(jí)渦輪膨脹降溫，再進(jìn)入冷凝器冷側(cè)以冷卻熱側(cè)濕空氣，升溫后進(jìn)入二級(jí)渦輪進(jìn)一步膨脹降溫，送入座艙。由于多了一級(jí)渦輪，第一級(jí)渦輪出口溫度應(yīng)在0℃以上，以防止進(jìn)入冷凝器熱側(cè)時(shí)冷測(cè)的高濕空氣結(jié)冰，而第二級(jí)渦輪出口溫度則在冰點(diǎn)以下，獲得更低送風(fēng)溫度，單位引氣質(zhì)量制冷量更大，制冷效率更高。

1.3.7 蒸發(fā)循環(huán)制冷

蒸發(fā)循環(huán)制冷是利用液態(tài)制冷劑汽化吸熱給空氣降溫，由于制冷劑易泄露，所以早期飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中應(yīng)用較少。隨著壓縮式制冷技術(shù)的進(jìn)步，其可靠性有很大提高?；驹砣鐖D5所示，液體制冷劑在蒸發(fā)器吸收空氣中的熱量，受熱蒸發(fā)，制冷劑蒸汽由壓縮機(jī)壓縮后，溫度壓力升高，在冷凝器中釋放熱量給熱沉（沖壓空氣或燃油），變?yōu)橐簯B(tài)。熱交換器的目的是使蒸汽過(guò)熱，液體過(guò)冷，提高制冷效率。對(duì)制冷劑要求是蒸發(fā)壓力、冷凝壓力適中，單位容積制冷量大，粘性低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。實(shí)際應(yīng)用中常采用多級(jí)蒸發(fā)器并聯(lián)使用。

1.4 加溫系統(tǒng)

由制冷系統(tǒng)出來(lái)的空氣溫度低，需要加溫到合適溫度才能供給座艙。飛行高度較高時(shí)座艙內(nèi)表面溫度低，容易結(jié)霜結(jié)霧，影響飛行安全。此外機(jī)翼、進(jìn)氣道也容易結(jié)冰，因此加溫系統(tǒng)也是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)重要部分。常用的加溫方法有旁路加溫、廢氣加溫、電熱加溫。旁路加溫原理是初級(jí)換熱器引出的氣體分成兩路，一路為冷路送往冷卻渦輪，一路為熱路送往混合室，通過(guò)流量閥控制兩路空氣在混合室按一定比例混合后送往座艙。廢氣加溫是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余溫對(duì)空氣進(jìn)行加熱，優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的能量進(jìn)行加溫，缺點(diǎn)是如密封不好供向座艙的空氣中會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣。電熱加溫是用電阻元件發(fā)熱對(duì)流經(jīng)空氣加溫，在對(duì)座艙玻璃進(jìn)行加溫時(shí)可將電熱絲安裝在玻璃夾層內(nèi)，起到除霜除霧效果。

1.5 空氣分配系統(tǒng)

空氣分配的目的就是要在座艙內(nèi)營(yíng)造一個(gè)溫度、濕度、空氣流動(dòng)都良好的氣流組織分布，保障人員舒適性。具體要求是艙內(nèi)溫度均勻，溫度梯度小，空氣流速在人體舒適范圍內(nèi)，有害氣體和異味雜質(zhì)能快速排出。飛機(jī)座艙內(nèi)氣流組織分布受供排氣口布局、流量、流速、送風(fēng)溫度等諸多因素的影響。對(duì)于軍用飛機(jī)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，大部分空氣從飛行員后方沿兩側(cè)肩部送入，一部分從兩側(cè)腰部送入，一部分從腳部送入能得到較滿意的效果。供氣噴口一般為擴(kuò)口型以減小流速，且噴口的方向和流量可以根據(jù)個(gè)人意愿調(diào)節(jié)。對(duì)于旅客機(jī)有多種送風(fēng)方式，混合通風(fēng)是常用的通風(fēng)系統(tǒng)，氣流從座艙頂部和行李架的送風(fēng)口送出，然后從靠近地板處的回風(fēng)口排出。置換通風(fēng)的送風(fēng)口位于走廊底部，回風(fēng)口位于座艙頂部，置換通風(fēng)系統(tǒng)有利于提高飛機(jī)的能源利用率，但容易造成垂直溫差，為了減小溫差可將座艙空氣與新鮮空氣按比例混合后再送入座艙。個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)每個(gè)座位一個(gè)，通常安裝在行李架下方或座椅扶手上，在旅客周圍產(chǎn)生附加的空氣流動(dòng)，出口溫度一般低于座艙空氣溫度5℃，用來(lái)減輕長(zhǎng)途旅行的不適感。總體保持座艙內(nèi)溫度在23℃～26℃，垂直溫差小于2.8℃，水平溫差小于4.4℃，人員周圍空氣流速在0.1 m/s ～0.35m/s符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2 飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著多電飛機(jī)概念的產(chǎn)生，綜合環(huán)境控制系統(tǒng)將會(huì)是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。綜合環(huán)境控制系統(tǒng)采用電動(dòng)座艙增壓技術(shù)，取消發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，利用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)高增壓比壓氣機(jī)，壓氣機(jī)往環(huán)控管道內(nèi)壓氣來(lái)滿足環(huán)控系統(tǒng)引氣的需求。這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，減小代償損失，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少污染物排放。制冷方式采用閉式蒸發(fā)循環(huán)制冷或者蒸發(fā)循環(huán)制冷與空氣循環(huán)制冷的組合，以沖壓空氣和機(jī)載燃油為主要熱沉。數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)憑借其優(yōu)秀性能，廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)上，但軍用飛機(jī)上的座艙調(diào)節(jié)壓力系統(tǒng)仍會(huì)采用氣動(dòng)式，因?yàn)閿?shù)字式的座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在作戰(zhàn)中很可能受到電磁干擾。引入綜合熱管理系統(tǒng)技術(shù)，優(yōu)化整個(gè)飛機(jī)的熱管理，利用燃油和沖壓空氣作為熱沉，把發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、航空電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防冰除霧系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)產(chǎn)生的熱載荷納入綜合熱管理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控重要部件的工作溫度，合理分配冷卻介質(zhì)流量。

3結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的任務(wù)就是維持艙內(nèi)良好的環(huán)境，保證艙內(nèi)人員和電子設(shè)備正常工作，同時(shí)盡可能降低系統(tǒng)代償損失。未來(lái)環(huán)境控制系統(tǒng)將從飛機(jī)能量綜合和優(yōu)化角度來(lái)設(shè)計(jì)，并且建立引氣、制冷、防冰、燃油、壓力調(diào)節(jié)、液壓、配電等系統(tǒng)集成控制的一體化管理系統(tǒng)，全機(jī)能源與信息共享?控制最優(yōu)，代償損失最小。

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