教练机环控试验平台高空模拟系统研究

马春香，王亮亮，陈 伟

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

环控系统附件、全系统试验都有高度模拟的要求。环控试验平台的高空模拟系统用于飞行包线内高空压力环境模拟、飞机不同爬升率及俯冲率的模拟以及座舱压力和外界大气高度环境模拟。因此，高空模拟系统是环控试验平台的必要建设内容。

1 系统要求

某环控试验平台对高空模拟系统的要求：高空模拟舱容积72m3，系统最大供气量为1200kg/h，且高空模拟系统能从地面大气压以274m/s的高度（压力）变化速率爬升到20000m，而不能出现抽气能力突变。

2 系统选型

2.1 系统特点分析

分析系统要求可见，该系统为动态系统，需要模拟飞行器在空中爬升、巡航、俯冲等动作过程中即时的环境压力变化。

与一般真空系统要求有很大不同，一是常规的真空系统是给密闭容器内抽真空，而环控试验平台的真空系统整个模拟过程需要有高空舱外输入0-1200kg/h的试验气体。二是系统需用真空系统抽气速率（体积流量）变化量范围很大，最大气量9120L/S，最小气量1418 L/S，并且在此范围内连续可调。该系统各工况供气需求见表1。

表中：

式中：t—抽气时间，s;

V—高空模拟舱容积，L;

Pi—开始抽气时舱内压力，Pa；P0—真空系统极限压力（计算时取1KPa）；

P—高空模拟舱经抽气时间t后达到的压力，Pa。

表1 各工况供气需求一览表

高空模拟系统由高空模拟舱、真空泵（组）、真空管路及配套控制系统组成。其中最重要的是真空泵形式、规格的选择和高空模拟舱的结构设计以及高空模拟舱内压力控制方式的确定。

2.2 真空泵类别选择

真空泵是高空模拟系统的关键设备。从真空度、抽气量方面考虑，很多真空泵可适用于该系统，比如：旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵及螺杆式真空泵等。但是因该系统在使用过程中不断调整压力，使真空泵不断在极限真空和大气压之间反复冲击。导致上述泵可能产生喷油、噪音增加等问题，因此，不适合压力变化率比较大的工况。

经过比较、仿真后确定选用水环式真空泵作为主泵，适应变负荷、充气等工况。同时，因为该类型的真空泵可以作为正压、负压状态气体输送泵，使用范围广、抽气量平稳，最大优点是该泵无油操作，噪音低，适应大型器件真空试验。经国内外工程比较，中外合作技术的2BE1-353型水环式真空泵在该类工程有显著优势，因此，依据试验需求配置4套。

2.3 真空机组及组合

高空模拟舱试验要求真空度高，经常工作在180kPa-5.3kPa范围内，水环式真空泵虽然在该范围内可以工作，但是对于工况环境却变得敏感而且抽气速率下降，所以，单独使用水环式真空泵将使系统变得庞大。为此，我们选用罗茨泵与水环真空泵组成机组，实现高真空条件下具有高抽速。并且使得系统抽气量稳定、噪音低。由1台气冷罗茨泵和1台水环泵组合成1套机组，共4套，该4套机组的任何1台水环真空泵可以与任何1台罗茨泵组合。根据试验要求压力变化，可以单台或多台罗茨泵与单台或多台水环泵组成系统工作。

2.4 高空模拟舱结构设计

系统要求高空模拟舱模拟最大飞行高度20000m，根据系统要求，高空模拟舱采用圆筒形壳体，直径3500mm、长约6000mm，端头连接1个直径2000mm、长约1000mm的小舱，壳体壁厚：

式中：S0—圆筒形壳体壁厚，mm；

Db—圆筒内径，mm；

P—外压设计压力,KPa；

L—圆筒长度,mm；

Et—材料的弹性模量,KPa。

2.5 高空模拟舱内压力控制方式

对于气量调整控制可以采用变频调速、组合运行数量、抽气管线节流、补气管线充气等模式，或者几种模式组合。各种模式各有特点。

变频调速，可以连续调整抽气量，但是对于大抽速真空泵，单台真空泵配用功率达到180kW，总装机功率达到1300 kW，经济方面投资较大，且控制程序复杂。最重要的是，真空泵运转速度在一定范围须保持稳定，过高、高低都会引起效能大范围变化，从而导致非正常工作。

运行真空泵数量组合，根据试验的高度不同，计算机控制程序给出需要启动真空泵的数量，实行压力控制。该方法对于小型真空系统可行，但是对于大型真空泵，其启动时间（进入正常工作）较长，可能造成系统压力跟随滞后，影响试验效果。

该系统采用抽气管线节流与补气管线充气联动调节并结合控制运行数量的模式，系统根据设定的模拟飞行高度与实际高度值进行比较，控制2个联动的抽气管线和补气管线阀门的开启与关闭，达到精确控制舱内压力（飞行高度）的目的。

3 实施方案及效果

某环控试验平台的高空模拟系统的实施三维图见图1。

该系统试验运行时，先行调整独立的4台2BE1-353型水环泵，考验配置的供水系统、配电系统以及操控系统等。然后进行JQZE-1机组运行试验，最后整体系统调试。总体来看，水环真空泵和JQZE型罗茨-水环真空机组用于空间压力模拟，压力实现精准，操作简单。

图1 系统三维图

图2为某次试验数据，从图中可以看到，整个系统压力模拟准确，满足研究试验要求，目前，真空系统已经应用于飞机环控系统研制试验。

图2 系统压力模拟试验数据

4 结 语

本文从环控试验室抽气能力仿真计算、真空泵选型、高空模拟舱结构设计和舱内压力控制系统等方面论述了高空模拟系统的设计方案，该设计方案满足某环空试验平台对高空模拟系统的要求。该系统为动态试验真空系统建立了设计模板，可以扩展到民用的化学气体输送、煤矿瓦斯抽放输运等工程。

[1]徐成海.真空设备选型与采购指南.北京：石油和化工设备出版社，2009.

[2]达道安.真空设计手册.北京:国防工业出版社，2004.

[3]达道安.空间真空技术.北京：宇航出版社，1995.

[4]徐成海.真空工程技术.北京：化学工业出版社，2006.