民机货舱通风系统设计研究

程湛 江娜 上海飞机设计研究院环控氧气系统设计研究部，上海 200235

民机货舱通风系统设计研究

程湛 江娜 上海飞机设计研究院环控氧气系统设计研究部，上海 200235

本文阐述了民机货舱通风系统通风量、热载荷等设计输入的确定，介绍了常用的通风与加热构型及优缺点比较，并阐述了民机货舱设计中相关适航条款的验证思路。

民用飞机；货舱；通风系统；热载荷

civil aircraft；cargo； ventilation system； heat load

引言

随着民用航空行业的发展，货物运送要求的多样化趋势，民用飞机的货舱通风系统的研究越来越受到关注，对货舱的要求不仅仅局限于运送普通行李，有很多航空公司提供了的活物运送的服务，这就要求控制货舱的环境以达到运送活物的要求，从而必须设计具备通风和加热的能力的货舱通风系统。

1.货舱通风系统设计输入的确定

设计货舱通风系统需要确定的两个重要的设计输入为通风量和热载荷，前者决定了通风风扇与管路的设计参数，后者则决定了加热系统的设计参数。

1.1 货舱通风量

一般来说，货舱通风量并不像客舱与驾驶舱一样，要保证人员的新鲜空气量，对于运送动物而言，一般保证舱内换气次数不小于每4分钟一次[1]，因此，货舱通风量取决于货舱舱容，当舱容V确定后，通风量可以按q=V/4计算。

1.2 货舱热载荷

飞机货舱在飞行或地面停机状态都会与周围环境进行热交换，确定货舱通风系统的制冷或加温能力时，首先必须对货舱与其周围环境间的热交换进行定量分析，以确定热载荷的量值。货舱热载荷的数值是货舱通风系统设计过程中最原始的输入参数，它的准确程度对货舱通风系统选型有重要的影响。

座舱热载荷一般有一下几种类型：结构传热热载荷，透明表面辐射热载荷，乘员和设备产生的热载荷[1]，座舱空气泄漏直接带走的座舱热量；分析货舱的传热情况：由于货舱是在飞机蒙皮内部增压区中用内饰板、货舱地板形成的围护结构中，如图1所示，不存在透明表面，也没有人员与发热设备的热载荷，所以在考虑货舱热载荷的时候只考虑结构热载荷的影响。

图1 货舱围护结构示意图

货舱各个传热面按照其结构可分为两种类型：

1.平板结构：货舱的壁板、端板、天花板、地板

2.货舱门结构

货舱的壁板、端板、天花板、地板为平板或者曲面板状结构，由于曲面半径较大，且壁厚相对于曲率半径来说相当小，故一般将其简化成平壁处理，如图2所示。按平壁的一维稳态传热方程，货舱壁板热载荷的计算公式可写成Φ=KA(to-tc)，其中:

K 传热系数，W/(m2.℃)

A 舱壁的面积，m2

to舱壁外表面温度，℃

tc货舱内空气温度，℃

对于两侧为空气的舱壁而言：

K=(δ/λ+1/ho+1/hc)-1

其中：

δ 舱壁厚度，m

λ 舱壁导热系数，W/(m2.℃)

ho舱壁外对流换热系数

hc货舱内对流换热系数

图2 平板壁面传热示意图

货舱门是由外蒙皮，内蒙皮，梁，填充在梁之间绝热材料与货舱门内侧内饰板组成，由于货舱门同样为大平板结构，如图3所示，不考虑平板延伸方向的导热，其热阻可以看成各部分结构热阻串并联而成，如图4所示。

图3 货舱门示意图

其热阻可以看成各部分结构热阻串并联而成，如图4所示。

图4 货舱门热阻示意图

货舱门处传递的热载荷

其中：

A1 绝热层面积，m2

A2 地板梁与内蒙皮面积，m2

to舱壁外表面温度，℃

tc货舱内空气温度，℃

δs外蒙皮厚度，m

λs外蒙皮导热系数，W/(m2.℃)

δa绝热层厚度，m

λa绝热层导热系数，W/(m2.℃)

δb地板梁与内蒙皮厚度，m

λb地板梁与内蒙皮导热系数，W/ (m2.℃)

δi货舱门内侧内饰板厚度，m

λi货舱门内侧内饰板导热系数，W/ (m2.℃)

hc货舱内对流换热系数

给定不同工况下货舱内温度以及各个传热面外侧温度，便可计算出每个传热面传递的热量，各传热面传递的热量相加可得货舱在不同工况下的热载荷，从而可确定货舱的加热功率。

2.民机货舱通风加热系统常见构型

2.1 货舱通风系统常见构型

货舱通风对空气的清洁度与新风量的要求并不如客舱那么高，因此通常利用客舱排气进行货舱通风。

按照通风的动力源进行划分，一般有两种构型，即：

1)利用鼓风或抽风风扇抽吸客舱地板下的客舱排气对货舱进行通风，如图5所示，采用这一构型的飞机主要有，波音公司的757，空中客车公司的320,340等，该方案的优点为货舱通风系统相对独立，开关货舱通风不会对上下游系统造成影响；

2)从再循环风扇的下游引出管路通入货舱，利用再循环空气进行货舱通风，如图6所示，采用这一构型的飞机主要有空中客车公司的A380，庞巴迪公司的CRJ-700,CRJ-900等，该方案的优点为利用再循环系统的动力进行通风，不需要专门的风扇，因此系统重量较轻，机上空间占用较小。

2.2 货舱加热系统常见构型

常见货舱加热系统，按照加热方式区分，一般有两种构型，即电加热器加热与配平空气加热，系统示意图如图7,图8所示。

甘茂回答说：“孔子的弟子曾参，以孝著称。一天，鲁国有一个与曾参同姓同名的人杀了人，有人告诉曾参的母亲：‘曾参杀了人。’当时，他的母亲正在织布，泰然自若地答：‘我的儿子不会杀人。’过了一会儿，又有一个人来说同样的事，曾母仍神情不变。但是当第三个人告诉她曾参杀了人之后，曾母当即扔下梭子，翻墙逃跑了。

电加热器一般由电阻发热元件或发热陶瓷组成，改元件对通过加热器的空气进行加温，为防止当停止向加热器供气时加热元件的过热和当气体温度超过所需值时关闭加温器，一般会设置过热保护开关，在温度超过设定值时关闭加热器。

表1 电加热器加热与配平空气加热对比表

图9 试验台架示意图

配平空气又称旁路空气，由发动机引出的热引气从旁路绕过制冷组件的冷却涡轮或冲压空气热交换器直接供给加热管路实现对飞机舱体的加温，在配平空气管路上设置配平活门以控制加热温度。

为实现温度控制，在货舱入口或出口管路上安装管路温度传感器，根据传感器的反馈，控制电加热器或者配平活门的开关。

两种加热方式的特点比较见表1：

3.民机C级货舱通风相关适航条款浅析

一般民用客机的货舱等级均为C级，FAR 127修正案中，与C级货舱相关的条款主要有25.855c，25.857c和25.855i，下面就这三个条款的内容与验证思路进行分析。

3.1 25.855c条款

25.855 c条款为：C级货舱的天花板和侧壁的衬垫必须满足本部附录F第III部分规定的试验或其他经批准的等效试验方法的要求。

而在附录F第III部分中有如下规定：

(1)必须至少试验3块货舱侧壁或天花板衬垫板试样。

(2)每一试样必须模拟侧壁或天花板衬垫板，包括其失效会影响衬垫安全包容火焰能力的任何设计特征，如接合部位，照明装置等。

(3)施加火焰后5分钟内，任何试样均不得被烧穿，且在水平试样上表面上方102毫米(4英寸)处测得的峰值温度不得超过203℃(400°F)。

试验台架如图9所示：

货舱通风系统的组件，包括关断活门、管路以及用于安装活门和管路的支座等，通常布置在货舱的侧壁板或者端板上，如图10所示，由于关断活门与管路的安装必须要求安装位置的内饰板开孔以便通风，从而导致内饰板在开孔位置处失去安全包容火焰的能力，按照“每一试样必须模拟侧壁或天花板衬垫板，包括其失效会影响衬垫安全包容火焰能力的任何设计特征”的要求，货舱通风组件的失效会影响到安装货舱通风组件处的内饰板的火焰包容能力，因此，需进行台架验证试验表明包含货舱通风组件的试样在施加火焰后5分钟内，任何试样均不得被烧穿。

在货舱通风系统设计中，为了能通过火焰烧穿试验，可有两种设计思路，一是从通风组件的材料选择上考虑，二是从通风组件的安装形式上考虑。

第一种设计思路：通风组件的材料选择。参考FAR 127号修正案附录F第3部分，火焰温度控制在927±38℃，因此为了保证试验的通过，可选择熔点温度大于965℃的材料来制造活门支座、活门以及管路，如选用不锈钢，钛合金等。

第二种设计思路，通风组件的安装形式。由于货舱通风组件中，关断活门与管路通常为成品件，材料不能自由选择，熔点往往达不到965℃以上，在选择的关断活门与管路达不到熔点要求的情况下，考虑安装形式的设计来避免关断活门与管路在试验中被烧穿；在试验台架上，货舱通风组件位于火焰的侧面，因此考虑设计较长的活门支座或者将活门支座设计成转角形式，避免关断活门与管路直接面对火焰，如图11所示。

3.2 25.857c

25.857 c规定了C级货舱的定义：

C级货舱或行李舱是指不符合A级和B级要求的舱，但是这类舱应具备下列条件：

图10 货舱通风组件安装示意图

图11 货舱通风组件安装形式示意图

(1) 有经批准的、独立的烟雾探测或火警探测器系统，可在驾驶员或飞行工程师工作位置处给出警告；

(2) 有从驾驶舱处可操纵的、经批准的固定式灭火或抑制系统；

(3) 有措施阻止危险量的烟、火焰或灭火剂进入任何有机组或旅客的舱；

(4) 有控制舱内通风和抽风的措施，使所有灭火剂能抑制舱内任何可能的着火。

其中与货舱通风相关的为(3)，(4)条，对于第(3)条，如果要阻止危险量的烟、火焰或灭火剂进入任何有机组或旅客的舱；就要求货舱的通风系统具备隔离功能，即在通风的进出口布置关断活门，在货舱发生火情时能够关断通风。对于第(4)条，为了保证灭火剂能够抑制舱内任何可能的着火，需能保证喷射灭火剂后货舱内的灭火剂浓度，则要求货舱通风系统在灭火剂喷射以后能够关断通风。

3.3 25.855i

25.855 i条款为：

(i) 进行上述试验时必须表明，在灭火过程中或灭火后，任何货舱内的烟雾探测器或火警探测器不会由于任何另一货舱内的着火而产生误动作，除非灭火系统同时向每个货舱喷射灭火剂。

其中的上述试验指的是：

(h) 必须进行飞行试验以表明符合第25.857条中涉及下列方面的规定：

(1) 舱的可达性；

(2) 阻止危险量的烟或灭火剂进入机组舱或客舱；和

(3) C级舱内灭火剂的消散。

25.855 i条与货舱防火与货舱通风两个系统同时相关；一方面，如果货舱防火系统可以做到同时向每个货舱喷射灭火剂，则“任何货舱内的烟雾探测器或火警探测器不会由于任何另一货舱内的着火而产生误动作”可以被允许；另一方面，如果货舱防火系统的设计无法做到同时向每个货舱喷射灭火剂，就要求两个货舱在灭火过程或者灭火后能够互相通风隔离，以保证灭火剂或者烟雾不会通过连接两个货舱的管路互相窜流，从货舱通风系统设计方面考虑，就要求不能设计之间无法隔断的串联货舱通风系统，即一个货舱是以另一个货舱的排气作为供气源进行通风。

4.结论

本文从民用飞机货舱通风系统的设计输入和设计方法的角度进行了介绍与分析，对货舱通风系统的常用构型进行了比较与分析，当然，具体的设计参数还需通过性能计算、台架试验和装机试验等方法进行验证与优化；对与货舱通风相关的适航条款进行了分析，并阐述了从设计角度贯彻适航条款的要求的思路与方法。

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社.2004

[2]FAR 127号修正案

The calculation of flow rate and heat load of civil aircraft cargo is introduced. Common ventilation configuration and heating configuration are described and compared. Relative certification provisions and design thought is also introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.037