提升民用飛機水廢水系統運營經濟性技術研究

張雪蘋

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引 言

民用飛機水廢水系統（WWS）通過機載水箱存儲并提供運營過程中所需的飲用水，以滿足乘客的用水需求。基于現代民用飛機綠色環保設計理念和對經濟性的追求，減重是飛機設計中重點考慮因素，在WWS的設計中，減重設計一方面要降低產品重量，另一方面要加強對航線運營中載水重量的控制。加水量過大，航線運營負重增加，導致運營成本增加、經濟性降低；加水量過小，系統存水不足，無法滿足機上乘員的用水需求。

對于民用飛機水廢水系統，國內開展過水廢水系統設計選型、系統控制建模方法及供水管路仿真計算技術等方面的研究，關于供水量的確定及系統減重、提升運營經濟性設計，尚未對此展開詳細研究。基于對公開文獻的查閱結果，國內僅《飛機設計手冊》中籠統地給出了各個機型的供水量信息，沒有給出供水量的計算方法，而且各同類機型的供水量差別較大；同時，《飛機設計手冊》中所提供的供水量數據均是基于較老型號的飛機，無法代表當今先進機型的供水量要求。隨著航空WWS技術水平的發展，WWS部件（例如水龍頭出水設計、馬桶沖洗設計）的設計傾向于更加節水、節能；目前航線供水量計算研究未見報道，國際上鮮見相關研究的公開信息。

本文從飛機級需求“提供水”出發，基于航線運營實際需求，對加水水量確定進行研究，給出航線所需水量計算技術；同時，依據我國航線飛行時長分布特點，提出基于航線實際運營時間和載客人數為需求、為系統設定的分檔加水設計技術，并進行功能驗證。

1 航線所需水量計算技術

1.1 航線統計數據

航線供水與飛機航程及載客數量密切相關，供水量不足，直接影響旅客舒適性；供水量過剩，將增加飛機的重量，進而降低經濟性。對于民用飛機水廢水系統，與其供水量直接相關的用水需求為：馬桶沖洗用水、洗手用水、機上乘員飲用水。

圍繞這三個用水需求，本文對載客約170人、飛行時長約5.3 h的航線用水情況展開調研，經過對樣本數據的篩選、擬合，運用分層法和直方圖對各個用水需求進行整理。

（1）分層法

“馬桶沖洗次數”為一層；“洗手用水次數”為一層。

（2）直方圖

分析不同時間段的“馬桶沖洗次數”，將5.3 h內不同時間段的沖洗次數進行累計，共計239次；分析不同時間段的“洗手次數”，將5.3 h內不同時間段的洗手次數進行累計，共計279次。

分層法統計的馬桶沖洗次數和乘客洗手次數如圖1～圖2所示。

圖1 分層法統計馬桶沖洗次數Fig.1 Delamination method to Count the numbers of toilet Flush

圖2 分層法統計乘客洗手次數Fig.2 Delamination method to count the numbers of hand wash for passenger

從圖1～圖2可以看出：在5.3 h內，所有乘員均要使用一次馬桶，40%的乘員會第二次使用馬桶；機上所有乘員均要洗一次手，65%的乘員會第二次洗手。

航線機上乘組實際調研數據：13 h航線；平均載客量280人；人員所需飲用的水量約為170 L（包括白開水、沖泡咖啡和茶），人均飲用水量為0.607 L。

1.2 航線所需最大供水量

基于統計數據的調研和分析結果，對5.3 h飛行時長內的供水需求量計算方法總結如表1所示。

表1 供水需求量計算Table 1 Volume calculation of the required potable water

基于表1，可知機上總的供水需求量。

式中：為沖洗一次馬桶用水量；為洗手一次用水量；為人均飲用水量；為乘客人數；為機組人數。

以某中短程干線飛機為例：

（1）高密度級最大機上人員數為乘客174人，機組人員7人；

（2）最大持續飛行時長為5.3 h；

（3）沖洗一次馬桶用水量0.237 L；使用一次水龍頭用水量0.190 L。

中短程干線機型全航程、機上滿員時所需的供水量為

典型的單通道飛機、高密度級構型下，乘客174名，機組人員7名，最大持續飛行時間5.3 h，所需的供水量要求為173 L。在飛機水廢水系統設計中，航線所需最大供水量即為水箱設計時的可用容積，考慮到水箱增壓供水時所需一定的增壓空間及水箱內存水發生凍結時體積增加，一般水箱的實際容積會比可用容積約大出10%～15%。

將本節的研究結果分別應用于干線飛機和寬體飛機，并分別將其與主流機型數據進行比對，如表2～表3所示。

表2 干線飛機計算模型結果與主流機型對比Table 2 Comparison of the calculation result between the trunk aircraft in this document and others

表3 寬體飛機計算模型結果與主流機型對比Table 3 Comparison of the calculation result between the wide-body in this document and that of others

對于干線飛機，本文的計算結果相對于B737、A320，人均用水量最大偏差為17.75%（僅極個別機型），最小偏差為0.93%，但和大部分機型結果相當；對于遠程寬體客機，本文計算結果與B787、A350相比，人均用水量略有偏高，但最大偏差僅為5.8%。

通過對比結果表明，本文的航線統計數據及計算方法是有效的，可以用于工程計算、指導系統設計。

1.3 航線所需實際用水量

依據2014—2015年統計數據，我國國內航班飛行距離主要集中在400～1 800 km范圍內，而航程超過3 800 km的航班所占比例較少，各個飛行航程所占航班比例如圖3所示。

圖3 2014—2015年度我國航班飛行距離分布［11］Fig.3 The distribution of China flight distance during 2014—2015［11］

某干線飛機水廢水系統運營載重占比情況如圖4所示，可以看出：水廢水系統運營載重包括系統部件及管路重100 kg（占比37%）、沖洗廁所/洗手/乘客飲用等所用水重171.6 kg（占比63%）。

圖4 某干線飛機水廢水系統運營載重占比Fig.4 Proportion of operation weight of WWS for the trunk aircraft

綜上所述，如果每次飛行前均按照系統水箱的設計容積進行加水，將會造成90%的航線運營背負額外載水量；如果能對63%的飲用水這部分運營載重占比進行精確化處理，將供水量與具體航程結合起來，實現最優的加水量，獲得的運營經濟效益將變得可觀。

2 分段加水水位設計技術

2.1 水位設計技術

基于上述研究結果及分析，本文提出水廢水系統分段加水水位設計技術，使飲用水系統具備不同檔位的加水功能，其宗旨是在航線運營中依據航線的實際需求，在航前為水箱選擇合適的加水量。

結合1.2節研究結果，該型號飛機在高密度級滿員、最大持續飛行時間5.3 h情況下，需173 L水，假設單位時間內人均用水量是相同的，可以獲得單位時間人均用水量為0.18 L，則不同航線的實際用水量為

式中：為航線實際用水量；為實際飛行時長。

不同乘員人數、不同持續續航時間內所需的水位信息如圖5所示。

圖5 某型號飛機不同時間段、不同乘員數時所需水位信息Fig.5 Information of the required water level if one trunk aircraft in different time，vary passenger numbers

根據系統控制設計復雜程度及實際需求，本文提出根據不同時間的飛行需求，將所需加水量分為四檔：FILL FULL（加100%）、FILL 3/4（加75%）、FILL 1/2（加50%）、FILL 1/4（加25%）。航線負責人或地勤人員可根據航線實際需求選擇合適的加水檔位，實現在滿足系統功能的前提下，最大化地提高系統載水的利用率，根據單位時間一般建議按照如下原則進行航前加水。

（1）當航線所需實際用水量小于等于43 L時，選擇25%檔位，即：0.18×（+）×≤43。

（2）當航線所需實際用水量大于43 L、小于等于86 L時，選擇50%檔位，即：0.18×（+）×≤86。

（3）當航線所需實際用水量大于86 L、小于等于129 L時，選擇75%檔位，即：0.18×（+）×≤129。

（4）當航線所需實際用水量大于129 L、小于等于171 L時，選擇100%檔位，即：0.18×（+）×≤171。

2.2 分段加水檔位設計經濟性

2.2.1 典型航線分段加水水位經濟性

選取“上海—烏魯木齊”“北京—廣州”“上海—北京”“上海—合肥”四條航線為研究對象，對分段加水水位設計的經濟性展開研究。

通過查閱國內相關航空公司的運營時間表可知該四條典型航線所需的飛行時間；結合航線的分檔加水檔位信息，可以得到四條典型航線所需的加水檔位信息及可節省的運營載重量，如表4所示。

表4 典型航線運營信息Table 4 The operation information of typical course

從表4可以看出：對于“上海—合肥”“上海—北京”“北京—廣州”典型航線滿員的情況下，采用分段加水水位技術可以節省的航線運營質量分別為130 kg、87 kg和44 kg，節水量占總水量百分比分別為76%、51%、24%，載重的節省是非常可觀的。

2.2.2 全航程內分段加水水位經濟性

結合圖3的占比結果，飛行時長1.3 h范圍內（航程0～800 km）占比為24.5%（典型航線1）；飛行時長2.6 h范圍內（航程800～1 200 km）占比為41%；（典型航線2）飛行時長3.9 h范圍內（航程1 400～3 000 km）占比為26.2%（典型航線3）；飛行時長5.3 h范圍內（航程3 000～3 800 km）占比為8.3%（典型航線4）。近86.5%的航班都處于非最大設計航程范疇，因此為不同的航線配置不同的加水水位，在飛機的航線運營中具有十分重要的意義，如表5所示。

表5 典型航線所需水量信息Table 5 The information of required water level of typical course

將分段加水水位分為四檔：FILL 1/4（加25%，43 L）、FILL 1/2（加50%，86 L）、FILL 3/4（加75%，129 L）、FILL FULL（加100%，171 L）。通過分段加水水位功能的設置，至少在航線上約86.5%的航線均可實現運營質量的節約，累計航線當量節省運營質量為79 kg。

依據常用干線飛機運營直接運營成本（Direct Operation Cost，簡稱DOC）與運營質量之間的關系，累計航線當量節省運營質量79 kg所帶來的DOC如表6所示。

表6 節省運營重量帶來的DOC影響Table 6 The affected DOC contributed by the reduced operation weight

從表6可以看出：當運營質量減少79 kg時，航段DOC可以減少87.2元。

3 分段加水水位功能設計

3.1 分段加水水位功能實現方式

地面加水勤務是飛機在航線運營期間進行較為頻繁的任務之一。飛機在過站或者航線飛行開始前需由地勤人員通過水服務板上的加水接頭連接地面加水車，對水箱進行加水操作。依據航線運營情況選擇合適的加水水位可以節省系統的地面勤務時間，地勤人員可根據2.1節中加水檔位建議信息，選擇加水水位，整個加水過程中的操作步驟分解如圖6所示。

圖6 某型飛機初步分段加水操作步驟Fig.6 The operation step of pre-selcetion

從圖6可以看出：通過步驟三進行加水水位選擇，可以為飛機配置適應航線運營需求的最小載水量，有效提高運營經濟性。

3.2 分段加水水位功能控制邏輯

從實現分段加水水位功能操作方式、所需的信號輸入、信號內部處理、內部判斷輸出等方面出發，對分段加水水位控制邏輯進行研究。

為提高系統傳輸過程中的準確性，加水檔位信息采用“雙通道”和“雙參數”的信號傳輸方式，即選擇任一加水檔位后，每檔加水水位均設置2個信號傳輸通道，當且僅當2個信號輸入通道均有效且數值相同時，才認為系統的分段加水水位的輸入有效；每個傳輸通道的信號包括2個參數：“檔位值”，即“Signal”；“檔位值的有效性”，即“Valid”。當且僅當“Signal”值 為“25%”“50%”“75%”或“100%”中的一個且“Valid”值為真時，系統才會認為該通道輸入有效；當且僅當兩個通道的輸入均有效，且“Signal”值相同時，認為分段加水水位信息有效，系統執行對應檔位加水操作。

在服務面板上選擇加水檔位，系統接收到水位選擇指令，對加水水位輸入的“Singal”值進行判斷，將輸入值與上次執行加水操作的值進行對比（是否為新的水位信息），如果是新的水位信息，則按照判斷原則對輸入的加水信號進行邏輯判斷，具體的控制邏輯判斷如表7所示。如果兩組A429水位信號值均是有效且相等，則認為系統的輸入是有效的，此時便將系統的加水水位指令設置為預先選擇的檔位值；如果系統輸入兩組A429水位信號值經表7的邏輯判斷后是無效的，則認為輸入的加水水位信息是無效的，此時預選水位值為默認值（系統上次加水水位值）。只有當水廢水系統控制軟件（WWSCP）判斷輸入的加水水位信息是有效的，系統才會按照新的分段加水水位驅動加水/排放閥進行加水操作。詳細的功能實現控制流程如圖7所示。

表7 WWSCP內部控制判斷Table 7 The internal control decision of WWSCP

圖7 實現分段加水水位控制邏輯流程圖Fig.7 The control logical flow chart of pre-selection

3.3 分段加水水位功能驗證

為驗證分段加水水位驗證技術，以某型號飛機WWS為研究對象，通過搭建實驗室1∶1試驗臺架，對該技術進行試驗室驗證。試驗主體包括：水廢水系統控制軟件（WWSCP）模塊、水箱組件、加水閥、模擬勤務面板、相關的管路和接頭等，詳細的試驗臺架架構如圖8所示。

圖8 分段加水水位功能驗證試驗構架Fig.8 The full-scale test rig of pre-selection

各主體對應的功能如下：

（1）水廢水系統控制軟件（WWSCP）模塊：實現分段加水水位控制軟件的加載，是實現系統功能的載體。

（2）水箱組件：透明水箱，用于分段加水量的存儲；內置水位傳感器，具備水位監測功能，并實時向系統控制軟件反饋加水量信息，當水量達到預設值時，系統控制軟件便會切斷加水閥的加水操作。

（3）加水閥：用于向系統提供加水接口和加水操作。

（4）模擬勤務面板：通過模擬界面實現分段加水水位的選擇，同時對水箱組件中的水位傳感器反饋過來的水量信息進行實時顯示，詳細的操作界面如圖9所示。

圖9 模擬勤務面板操作界面Fig.9 The simulated operation interface of service panel

（5）管路和接頭：由加水閥連接至水箱組件，支持加水操作。

本驗證技術通過在模擬勤務面板上選擇不同的 加 水 檔 位“25%”“50%”“75%”“100%”，觀 察 系統能否在水箱的水量達到對應檔位時自動切斷系統加水，試驗結果如表8所示。

表8 分段加水水位臺架試驗結果Table 8 The test result of pre-selection on test rig

從表8可以看出：當選擇不同的分段加水檔位時，系統能夠按照設定的邏輯進行加水操作，并可以通過顯示界面正確地顯示水箱水量。試驗結果表明本文的分段加水水位控制邏輯是可行的，可以用于型號研制。

4 結 論

（1）民用飛機水廢水系統航線需用水量與最大持續飛行時間、乘員數相關，依據航線統計數據形成的航線用水量計算技術能夠用于指導航線加水。

（2）分段加水水位設計技術能夠實現依據航線實際需求進行航前加水，減少系統多余的運營負重，提高系統運營經濟性。

（3）本文所提出的分段加水水位設計技術可以實現從設計方案到控制方式，再到功能實現的轉化，能夠用于民用飛機水廢水系統的研制及優化設計。