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【摘要】
本文在介紹常規與多電式環控系統因其的基礎上，說明了多電式飛機環境控制系統的優點和研制的技術關鍵;根據環控系統的設計要求，通過對這兩種引氣方式的優、缺點提出了當前需要克服的技術障礙。
【關鍵詞】
多電飛機；環境控制系統；方案設計；循環制冷
1前言
飛機環控系統(ECS)的任務就是在為客艙和駕駛艙增壓、調溫、調濕、保證充足的新鮮空氣、為廚房衛生間通風換氣、控制噪音、給電子設備通風冷卻。保證駕駛員、旅客和空勤人員正常生活和設備可靠工作。該系統主要由以下功能子系統組成:引氣系統、制冷系統、座艙壓力調節系統、溫度調節系統、電子設備冷卻系統。環境控制系統主要用于機上人員的生命保障(如飛機在結冰環境的防護、電子設備過熱狀態的降溫保護等。)，并在此基礎上提高乘坐舒適度。當前采用的從發動機引氣作為介質的空氣循環系統極大的損耗了發動機輸出功率，其所引起的能耗約占飛機發動機軸功率的2－5%，隨著機載用電設備的不斷增加，用于給各電子設備降溫的環控系統引氣量也會逐漸增大，導致發動機推重比提高致使發動機能量的利用率愈來愈低，所以在設計上考慮改變引氣方式可有效緩解上述問題。
2常規環控系統引氣
一般民用客機的環控系統采用的是四輪升壓式空氣循環制冷方式，包括了四級風扇(渦輪冷卻器、空氣壓縮機、抽風風扇、次級渦輪)。它是將兩側發動機引來的空氣通過初級熱交換器后進入壓氣機進行壓縮，然后進入到次級熱交換器。再通過回熱器，預冷器，水分離器之后進入到渦輪中進行冷卻，冷卻后的氣體通過冷凝器，并用來幫助后面的氣體進行預冷;最后通過二級渦輪，進入到座艙中。這種制冷方式的氣源是來自于發動機引氣。該引氣方式對發動機熱力性能是有很大影響的。而正研制的脈沖爆震發動機，使高度依賴于發動機引氣的環控系統無法工作。因此一種能適應現代飛機制冷需要的環控系統被推到了研究前沿。
3多電式環控系統引氣
某民用客機的環控系統開創性的使用了電驅動壓氣機作為氣源，在多電飛機的領域又增加了一個新的“成員”。顛覆了近七十年民用飛機環控引氣增壓方式。電驅動壓氣機供氣具有傳統的從發動機引氣無法比擬的性能代償損失，所以其更適合用于座艙增壓。通過分析研究得出結論:重量、阻力和功率對產品性能影響起主要作用。所以，在系統設計之初計算上述因素對發動機性能的影響是非常必要的。當前估算這些因素的方法是代償損失法，該方法有不同的折算法，而起飛重量法對民用飛機較適用。固定系統的設備和運輸該系統設備的燃油代償損失等同于在飛機的總的起飛載荷中占的比例，但是從發動機軸輸出功率所引起的燃油代償損失比前兩者略高，而專用引氣道的引氣(包括客艙供氣及壓縮后的沖壓空氣)產生的燃油代償損失在總的起飛質量增加中所占比例相對較小。民用飛機環境控制系統工作的實質是能量的轉移，引氣系統將來自發動機所帶有的高溫高壓氣體能量經散熱器散熱和轉化，消除多余的能量到外界大氣中，使氣體溫度達到人體接受的正常值，其后傳入客艙，混合客艙中溫度較高空氣的能量，最終達到了溫度控制的目的。氣體流通管路是介于發動機與客艙的一個橋梁。常規環控系統與多電或全電式環控系統的區別為這一橋梁是電纜或電纜與低能級管路的組合。多電式系統室并不從發動機引氣，是由270V高壓直流電機驅動的高速離心式壓氣機直接抽吸外界環境沖壓空氣，使壓力達到正常值，再進入水分離器進行除水及降溫、調壓，通過混合室溫度調節后供應客艙。其技術特點主要包括以下幾方面:(1)引氣系統的取消相應減少了探測器和管路及用于固定的支撐部件，大大減少了飛機重量，節省了制造和運營成本。(2)電動環境控制系統。采用電動環境控制系統，包括制冷組件、低壓引氣、電動壓氣機。(3)以電纜為動力傳輸要素，在全電飛機領域需建立其與航電相關的特種標準。(4)使用了變頻電機來驅動壓氣機。變頻電機的使用可以根據機內空氣量的需求來調整電動機的功率，這樣可以充分的利用電能。采用全電式環控系統是未來飛機客艙調壓的首選方式，全電式環控系統徹底改變了傳統引氣對發動機造成的熱力性能影響，對于高涵道比發動機，其推力損失的減小更為顯著。全電式環控系統的動力來自電能，供入座艙的氣體依據熱載荷傳感器傳輸信號即時控制氣壓及氣溫。全電式的自動執行機構控制執行，使得該系統的代償損失降為最低，輸出穩定。
4兩種引氣的比較
多電飛機環控系統與傳統環控系統相比的優勢:(1)不需要從發動機引氣，能夠避免發動機引氣對發動機熱力性能的影響;(2)發動機消除了引氣機構，全電環境控制系統提高了靈活性和使用效率，可根據系統熱載荷的變化及時調整供入氣體的壓力和溫度;(3)隨著技術的發展，可以逐漸擺脫對發動機的依賴。比如可以考慮通過APU等輔助設備對壓氣機的電機進行供電。全電環境控制系統因其改變了引氣方式，更多的使用了電能作為動力，所以在未來發展中還需考慮以下因素的影響:(1)因全電環境控制系統需要消耗大量電力來維持平穩運行，所以對發電機的輸出能效要求更高。載客量大的飛機需要大量電力來進行制冷。如果這些電力都來源于發動機，那么勢必會對發動機性能產生影響。所以需要找到一種更加可靠的電力供應。(2)因從發動引氣被取消，由其執行的除冰系統需使用電防冰技術，這樣就需要消耗相應的電能，最終結果會影響到全電環控系統的使用性能。(3)由于增加了全電式環控系統，就需要優化關聯的其它系統，如液壓、航電、通訊、燃油、滅火等。電氣化ECS是全機最大的用電系統，因此必須良好分配組合。(4)由于電動環控系統所需要的電力較大并且系統比較復雜，不一定適合中小型的飛機。傳統的環控系統經過幾十年來的修正與提高，技術已經相對比較成熟。所以在未來的一段時間內，多電飛機的環控系統將是各航空公司研究的方向，但還不能大規模的應用。而傳統飛機的環控系統會在這一段時間內占據主要地位。
5結語
無論是采用常規方式還是選用更為先進的多電方式，優化飛機環控系統設計始終是設計者追求的目標。在過去幾十年來飛機環控系統在選材等方面有了許多改進，節約了運行成本，優化了控制技術，改善了控制的靈活性，提高了故障的分析率，而其并未改變制冷過程。在設計上優化飛機環控系統，使各子系統充的數據得到充分利用，可有效地減少與環控系統相關的代償損失和節省運行費用。在環控系統中，使用多輸入多輸出技術和數字動態模擬，可以預判環控系統在整個運行過程的性能，對控制系統的設計更加有力。
作者：陳勇哲 單位：沈陽飛機工業(集團)有限公司
參考文獻:
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