第1卷第1期2010年2月航空工程进展
ADVANCES IN AERONAUT ICAL S CIENCE AND ENGINE ERING Vol 1No 1Feb 2010
收稿日期:2010-01-06; 修回日期:2010-02-07通讯作者:成杰,jchen g0225@yahoo com cn
文章编号:1674-8190(2010)01-021-04
我国大型飞机环境控制系统研制展望
党晓民,成杰,林丽
(中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院,西安 710089)
Development of the Environmental Control System of C hinese Large Aircraft
Dang X iaomin,Cheng Jie,L in L i
(T he Firs t Aircraft Ins titute,Aviation Industy Corporation of China,Xi'an 710089,Chin a)
摘 要:根据我国大型飞机研制的任务需求,结合未来飞机环控系统的发展趋势,从气源系统设计技术、高效大流量制冷系统设计技术、数字式座舱压力调节系统设计技术、综合空气管理系统设计技术及防冰系统设计技术等5个方面探讨了适用于我国大型飞机环境控制系统的现实构型和未来发展。关键词:大型飞机;多电飞机;环境控制系统;制冷系统中图分类号:V211 7 文献标识码:A
Abstract:Based o n the requirements and needs o f larg e aircr aft as w ell as the tr end of aircr aft env iro nmental con -tr ol sy stem,the design of pneumatic system,air cooling sy stem w ith high efficiency,dig ital cabin pr essure con -tr ol sy stem,ant-i ice system and integ rated system co nt ro l techno log y is intr oduced respectiv ely F urther mo re,the architecture fo r China lar ge air craft envir onment al contro l sy stem is a lso discussed
Key words:larg e aircr aft;mult-i electr ic aircr aft;environment al contr ol sy st em;air -co oling sy stem
引言
目前, 无发动机引气 设计理念在一定程度上反映了未来飞机环境控制系统的发展方向,尤其对以经济性为主要指标之一的民用飞机,如Boe -ing787采用全电式系统构型。作为大型飞机的功能系统和高能耗系统 环境控制系统的发展必须与其服务对象的用途相适应,军用运输机环境控制系统强调战术技术指标的实现,民用飞机则侧重于座舱环境的舒适性、适航性和运行经济性,由此导致两种型号飞机环境控制系统的设计余度和系统构型有所侧重。对我国而言,军用运输机环控系统的研制必须立足于已有航空工业的现有基础,民用飞机环控系统的研制可通过全球采购相关核心部件实现。本文讨论我国大型飞机环境控制系统研制过程中应着重解决高可靠性低代偿损失气源系统设计技术、高效大流量空气循环制冷系统设计
技术、高精度数字式座舱压力调节系统设计技术和综合空气管理系统设计技术。
1 大型飞机环境控制系统关键技术
高可靠性和低代偿损失永远是飞机环境控制系统的衡量标准和设计目标。大型军用运输机目前只能采用常规的四发两级引气方式辅以两套三轮升压式高压除水制冷系统的方案,而大型客机则必须顺应国际发动机的发展和系统多电化的趋势,既可使用发动机低压级供气与蒸发循环制冷技术匹配的系统构型,亦可采用电驱动高增压比压气机作为系统增压源,辅以四轮式高压除水组件的解决方案。但对于大型飞机,功能相同或相似的座舱压力调节系统和综合空气管理系统(即控制系统)可基于同一技术。
1 1 适用于大型客机多电气源系统设计技术
发动机推重比的提高,对环控系统的引气量提出了严格的限制[1],特别是未来将要广泛使用到民机的脉冲爆震发动机(在相同功率下,此类发动机
重量更轻,可靠性更高,污染物排放减少到现有发
动机的20%[2]
)不允许也不可能从发动机引气。系统多电化是大型客机环控系统发展的必然趋势。
Boeing 787全电式环境控制系统的发展已证明多电气源系统的技术可行性。Boeing787Y 系列飞机取消了发动机引气系统,采用了全新的 无发动机引气 的设计理念,相对于常规系统,运行的性能代偿损失降低了30%,采用了在任何飞行状态下可高效运转的增压比不低于6的高压直流电机驱动的压气机,及其与短时高耗能的机翼电加热除冰系统的匹配技术。电驱动压气机紧凑、高效、重量轻,核心技术是高转速自润滑轴承、高压直流电源控制元件的研制和大功率变频电动机的冷却。1 2 适用于大型运输机的多源引气系统设计技术
(1)引气系统附件研制及参数匹配技术国外自20世纪50年代起,适用于引气系统高温高压环境的电磁控制、气动作动式活门已在飞机上普遍使用,经过五十多年的发展技术已很成熟。国内还未完全掌握相关技术,特别是大流量的高压引气活门、压力调节/关断活门。在综合考虑可靠性、附件尺寸、性能参数等变量的基础上,发动机引气系统的附件研制及参数匹配构成了环控系统的关键技术之一
[3]
。
(2)多源引气系统控制技术
发动机引气系统除受其FADEC 控制外,还需考虑制冷系统、防冰系统等其与关联的用气系统对气源的要求和影响。对于多台发动机、A PU 及地面供气口构成的多源并联管网,系统流量配平方式、故障状态的引气切换逻辑、引气关断控制、单发及故障状态下空调、防冰、燃油增压等关联系统供气的应急供气模式等逻辑选择和控制均是引气系统设计的关键。
(3)发动机引气系统管路设计技术
大型运输机发动机引气系统管路布置于发动机短舱及机翼上,介质为高温、高压空气,所用管路的材质、连接件及热胀冷缩补偿方式的选择与设计直接决定了系统的性能、重量、技术可行性和飞机的安全性。
1 3 适用大型飞机的空气循环制冷系统设计技术
(1)空气循环制冷系统
衡量飞机环境控制系统的性能优劣和技术含
量高低的关键分系统 制冷系统,经近70年的发展[4],经历了从低压除水到高压除水,从两轮式系统到三轮式系统再到四轮式方案的发展过程。20世纪70年代末H am ilton 为F -18研制的三轮升压式高压除水系统使系统供气温度可以降得很低,从发动机引气量大大减少,经过30年的发展,已广泛使用到如Boeing 767、A320、A330、A340等飞机上[3]。H amilton 公司为Bo eing777研制的同轴四轮式高压除水系统,1994年装机后取得了巨大的技术和商业成功,克服了困扰三轮式高压除水系统冷凝器的结冰问题,且被新一代民用客机的新星Bo eing787和A380所选用,并已发展成为双轴四轮式结构。
(2)混合式制冷系统
国外在新一代旅客机研制时综合比较了各种可能的系统构型方案,发现蒸发制冷与发动机低压引气构成的新型环控系统(如图1、图2所示)的性能代偿损失几乎与电驱动压气机供气的四轮式高压除水制冷组件匹配的系统相当。对于民用飞机若仅考虑满足CCAR25部和FAR25部对新鲜空气的需求[5],可采用中压低引气量与蒸发循环制冷系统相结合,相对于常规供气的空气循环制冷系统,其性能代偿损失几乎可减少40%。若大型运输机采用上述方案,并利用燃油作为蒸发循环制冷系统的热沉,则其性能代偿损失可减少60%。
图1 低压蒸发制冷环控系统原理图
1 4 数字式座舱压力调节系统设计技术
座舱压力及其变化率,是飞机环境控制系统调节参数中人员最敏感,且易造成损伤的生理参数。用于飞机座舱压力及其变化率调节的座舱压力调节系统,经过气动式、电子气动式、电子电动式的演
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变、改进,现已发展成了综合数字式座舱压力调节系统,并广泛应用于大型飞机上,极大地改进了座舱压力的调节品质,且具有可靠性高、重量轻和推力恢复功能。随着传感技术的发展和数据传送技术在飞机上应用的日臻完善,座舱压力调节系统数字化已成必然趋势,设计时应关注下面几个技术关键
:
图2 低压式环境控制系统原理图
(1)座舱压力控制装置用于感知座舱压力及其变化率,并可根据起飞和着陆机场的不同自动生成座舱压力制度曲线,设定座舱压力变化率及调节模式。其关键是小压差、低压力高精度传感器的选择和控制软件的研制。
(2)座舱排气活门用于控制座舱空气向舱外的排放速率,以实现舱内压力的规律性调节,同时具有推力恢复、双向密封作用。其设计难点是交直流步进电机和多通道板式密封阀门的研制。
根据初步估算,若设计合理应用于大型运输机的座舱排气活门,在巡航状态下恢复的推力当量可增加500kg 的有效载荷,这相当于可多乘坐7个当量人。
(3)控制器与执行机构之间的接口及数字信号传递技术。
1 5 综合空气管理系统设计技术
现役飞机环控系统的控制方式,主要有以Boeing 系列飞机为代表的座舱区域温度控制与组件温度控制相组合的方式以及以Airbus 系列飞机
为代表的综合温度控制模式。但从传感信号的来源和执行机构布置来讲两者完全相同,只是控制器的集成度不同而已。国外军机环控系统的控制功能已向更高的集成度发展,美国在F -22上采用了将环控、燃油、液压综合考虑的能源管理系统,而且正在研究将环控、防冰、引气、燃油、液压、配电等系统一体化控制的公共设备管理系统,力求全机能源与信息共享,控制最优,代偿损失最小。国内目前普遍采用的是各分系统独立控制,系统故障率高、稳定性差、代偿损失大。大型飞机环境控制系统将 温度 作为环控系统唯一控制参数,将发动机引气系统、制冷/加热系统、APU 供气系统、座舱压力调节系统及防冰系统综合考虑,以期实现系统运行的平衡和代偿损失最小。其技术关键是基于总线数字通讯技术的运用和系统控制模型的建立。1 6 防冰系统
在一定的程度上,大型飞机环控系统的发展取决于其机翼防冰系统的实施方案,只要机翼防冰方式不发生革命性变化,无论制冷系统采用何种方案都会制约低代偿损失环境控制系统的研制。目前
航线飞行的大部分飞机机翼都使用来自发动机引气的热气除冰技术,但其重量大、能耗高。对于国外已发展出了诸如仅对螺旋桨飞机比较适合的气囊式除冰、无需发动机热气但耗电量太高的电加热除冰(为适应 无发动机引气 的系统设计理念,Bo eing787采用电热式机翼防冰系统),有重量轻、效率高、代偿损失小的特点,但受180多项专利的保护的电脉冲除冰等技术,都不能满足我国正在发展的大型飞机的需要。
2 适用于我国大型飞机的环境控制系统构
型探讨
2 1 可适用于大型运输机的环境控制系统
大型运输机的用途、附件采购途径、自主研发的定位特点及我国环控附件的研制水平,决定了其环境控制系统只能采用四台发动机两级引气并辅以两套三轮式高压除水系统的构型方案并通过良好的设计和最佳的参数匹配,以期达到较高的可靠性和最小的性能代偿损失。采用综合空气管理系统同时实现对引气系统、制冷系统、空气分配系统、
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第1期我国大型飞机环境控制系统研制展望
数字式座舱压力调节系统和防冰系统的控制,即可简化系统构型,又可提高系统控制可靠性,减少系统重量。
2 2 大型客机可采用的环境控制系统方案
经济一体化和全球市场采购的可能性,使大型客机环境控制系统的构型可随发动机的不同有多种构型,但主要关键分系统的方案不外乎下面几种:
(1)发动机中压级供气的低引气量、四轮式高压除水制冷组件配以蒸发循环作为冷源的低温再循环方案;
(2)发动机低压供气与蒸发循环结合的低压力环控系统方案;
(3)电驱动压气机供气与四轮式高压除水匹配的空气循环制冷系统,如图3所示;
(4)数字式座舱压力调节系统配以综合空气管理系统进行系统温度、压力与流量调节。
其中目前最现实也最易实施的系统构型是:两台发动机高、中压级引气作为主气源,配以两套三轮(或四轮)式高压除水制冷组件的系统构型;采用数字式座舱压力调节系统调节座舱压力,并将引气系统、制冷系统、座舱压力调节系统、机翼防冰系统进行综合控制的空气管理单元;机翼采用热
气防冰。
图3 电驱动压气机供气与四轮式高压除水匹配的
空气循环制冷系统
3 结束语
大型飞机的研制是一个国家工业水平的体现和综合国力的象征,为避免大型军事装备受制于人,自主研发适用于大型运输机的环境控制系统应着重考虑本文提出的关键技术的解决方案并选取符合我国工业发展水平的系统构型。作为民用运载工具的大型客机,应以开放的胸怀面向市场谋生存,借用世界先进技术,研发中国的大型客机,强调飞机整体知识产权的自主性,综合考虑各种先进的系统配置,尽可能降低系统代偿损失。
参考文献
[1]Juan Carlos ordonez,Adrian Bejan,M inimu m Pow er requir e -men t for en vir on mental control of air craft Departm ent of m e -chanical of engin eering and materials science[D] Duke univer -sity,2001,1183-1198
[2]Th e Jet Engin e,ROLLS ROYCEAerospace Group
[3]王恒斌,张宝霖 国外飞机环境控制系统手册[M ] 航空工业
出版社,1986
[4]寿荣中,何慧姗 飞行器环境控制[M ] 北京航空航天大学出
版社,2004 7
[5]CCAR25 民用航空适航条例第25部运输类飞机适航标准第
三版[S] 中国:中国民航总局,2001 作者简介:
党晓民(1966-) 男,研究员。主要研究方向:飞行器环境控制与安全救生。
(编辑:吉国明)
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