民用飞机气源系统设计要素研究

王睿

【摘 要】本文结合民用飞机气源系统研制，针对气源系统的初步设计阶段，提出了气源系统设计过程中需考虑的主要要素，分析了气源系统设计的主要设计要素，并根据这些设计中要素对气源系统设计提出各项功能和性能等方面要求，最终确定气源系统设计方案。

【关键词】民用飞机；气源系统；设计要素

0 引言

气源系统作为飞机上的常规系统，是为客舱和驾驶舱创造良好环境的媒介，需要重点关注系统设计要素，通过设计要素综合分析，总结出较为清晰的设计思路，确定设计方案，并为后续机型的系统设计铺路。

气源系统设计应考虑下游各个用气系统的需求，通过自身系统设备工作运行，使各气源的空气在飞机飞行的各个阶段与下游用气系统需求相匹配，并协调完成飞机运行时的各种功能。

气源系统是民用支线干线飞机的传统机载系统，除波音787飞机无传统意义上的气源系统外，其他型号飞机均采用成熟的气源系统布局，可选择从发动机、APU（Auxiliary Power Unit，辅助动力装置）和高压地面气源引气，空气通过导管输送至下游系统，满足系统用气需求。本文研究了气源系统研制中各个设计阶段的主要要素，随后分析气源系统主要的设计要素，并对气源系统提出设计要求，最后根据这些要素总结出气源系统设计方案需考虑的要素。

1 气源系统主要设计要素描述

典型气源系统的主要功能是从发动机、APU和地面高压气源引气，给下游用气系统提供压缩空气，包括空调、座舱增压、液压、导航（大气数据传感器）、防冰、发动机起动、燃油箱惰化以及水箱增压系统等，并满足用气系统需要。气源系统的部件主要用于调节压缩空气的温度、压力和流量，通过导管把调节后的空气分配给用气系统。气源系统方案中的设计要素应主要包括温度、压力、流量、预冷器、活门、导管、密封件、控制和指示、故障和耐火性等。所以在方案编制中应综合考虑以上设计要素，并根据飞机顶层要求

2 气源系统方案设计中的要素

气源系统设计方案的确定是整个气源系统研制过程中相当重要的设计工作，其内容应包括以下主要要素：构型、工作工况、功能实现、安装布置、电子电器接口和可靠性、维修性、安全性的指标等。

2.1 气源系统构型

气源系统构型设计中的要素主要包括系统的功能定义、系统的原理图、系统设备清单与特性描述、以及系统的控制构架。

气源系统功能需描述气源系统的引气源，一般是发动机、APU或高压地面气源，应说明气源系统的用气供给目标是满足下游用系统的需要；应描述系统的基本功能定义：引气压力和温度控制、引气关断、回流保护、监控与指示等功能。

气源系统的原理图需清晰的指示出气源系统的各个设备（包括管路）之间的关系、气源与下游用户间的关系，典型的气源系统原理图见图1。

气源系统设备清单与特性需描述，气源系统的主要设备名称、简称、数量、基本功能，并针对各个设备描述其在气源系统中的功能、组成与技术参数。典型的气源系统由中压单项活门、高压活门、压力调节关断活门、回流保护活门、预冷器、风扇空气活门、引气温度传感器、APU单项活门、高压地面接头和高压导管组成。

2.2 气源系统工作工况

气源系统的工作工况是根据飞机总体技术方案确定的，所以需考虑飞机的工作高度包线、速度包线、任务包线与防冰包线。气源系统需设定各气源（发动机、APU和高压地面气源）的引气口的静态与瞬态的压力与温度的最值工况、各引气口的流量参数、预冷器冷边进气的压力恢复系数与排气的背压、系统设备各部分的热载荷等要素。

2.3 气源系统功能的实现

气源系统功能的实现需详细描述的要素如下：

1）系统性能参数要素包括：预冷器的设计点、气源系统各用户的流量和压力要求、活门与导管的压力损失、系统设备的内部与外部泄露量。

预冷器的设计需考虑如下构型：并描述预冷器设计点时的热边与冷边的流量、温度、压力。

（1）防冰系统关闭，单引气，单空调包，交输引气活门关闭的构型；

（2）防冰系统打开，双引气，单空调包，交输引气活门关闭的构型；

（3）防冰系统关闭，单引气，双空调包，交输引气活门打开的构型；

（4）防冰系统打开，单引气，单空调包，交输引气活门打开的构型。

2）系统控制面板按钮与各气源引气的开启与关闭时的工作情况；

3）系统开启与关闭的功能实现与控制逻辑、与之关联的各活门的工作状态、活门响应时间、驱动电流与电压限制、耐火情况等技术指标等；

4）发动机起动时的功能实现与控制逻辑、与之关联的各活门的工作状态、活门响应时间、系统的压力和温度损失及泄漏量等；

5）发动机引气口选择功能实现与控制逻辑、与之关联的各活门的工作状态、中高压转换压力转换点等；

6）系统压力控制的功能实现与控制逻辑、与之相关的系统设备的性能参数、系统的对下游的压力控制值等；

7）系统温度控制的功能实现与控制逻辑、与之相关的系统设备的性能参数等；

8）系统回流保护的功能实现；

9）系统监控的功能实现与控制逻辑，包括在系统正常与失效状态下，各设备工作状态与控制面板的监控情况及告警信息，如超温、超压、低温、低压情况等，系统的简图页与维修信息等；

10）系统的派遣条件、保证的可靠性指标与分解、主最低设备清单等。

2.4 气源系统的安装布置

气源系统的安装需考虑维修性与安全性的要求，并考虑系统的故障与耐火性，该部分主要设计要素包括预冷器、活门、导管和传感器等设备的基本安装要求、位置朝向限制、安装区域与接口形式等。系统各设备的具体安装要求将在DDP阶段中的设备规范中定义，系统的MICD将详细描述系统的机械接口。

2.5 气源系统的电子电器接口

气源系统的电子电器接口需描述各用电设备的指标、导线数量、控制器交联信号定义等。系统的详细电子电器接口将在EICD中定义。

2.6 气源系统的可靠性、维修性和安全性

气源系统的可靠性主要描述系统及各设备的平均故障间隔时间（MTBF，Mean Time Between Failures）。

气源系统的维修性主要描述系统及各设备的平均维修时间（MTTR，Mean Time to Repair）。

气源系统的安全性主要描述系统各设备的失效情况和故障率（FR，Failure Rate）、设计保证等级（DAL，Design Assurance Level），以及与其他关联系统的设备的失效情况和故障率（FR，Failure Rate）、设计保证等级（DAL，Design Assurance Level）。

气源系统的可靠性、维修性和安全性应分别在系统的可靠性分析报告、维修性分析报告和安全性评估中详细定义。

3 结论

本文指出了系统在设计过程中应考虑的主要要素。描述了系统构型、工况限制、功能实现、安装布置、电子电器接口及四性指标要求。确定了主要设计要素相关的要求，并分析了气源系统设计方案的相关要素及要求，对民用飞机气源系统的设计具有一定的指导意义。

[责任编辑：邓丽丽]