飞机制冷技术发展

赵晓军　封卫忠　刘　潇

（中国飞行试验研究院，陕西西安　710089）

飞机制冷技术发展

赵晓军封卫忠刘潇

（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）

20世纪40年代以来，飞机制冷技术随着飞机工业的蓬勃发展也取得了长足的发展，从最初的简单式空气循环制冷发展到多种升压循环制冷，从单一的空气循环制冷发展到空气/蒸发循环组合制冷，从发动机引气制冷发展到电动环境控制系统的无引气制冷。但我国较国外发展现状还距有较大差距，本文通过叙述飞机制冷技术的发展过程，希望为我国的航空制冷技术的发展添砖加瓦。

飞机制冷技术空气循环制冷蒸发循环制冷电动环境控制

自20世纪40年代以来，由重量较轻的透平涡轮和高效紧凑式换热器组成的空气循环制冷系统以其体积小、重量轻、结构简单、制冷量易调节和易维护等特点，成为飞机制冷系统的最佳选择。空气循环制冷技术经过数十年的发展，经历了简单循环制冷、升压式二轮、三轮、四轮等多种升压循环制冷。到了上世纪70年代之后，机载蒸发循环制冷取得了技术突破， 蒸发循环系统首先在电子设备吊舱的冷却中取得应用，而后，蒸发循环制冷技术开始应用于直升机，再经过数十年的研究积累，蒸发循环制冷技术终于应用于军用战斗机。在多电/全电飞机发展的思想指引下，多电飞机取得了技术突破，无引气的电动环境控制系统在民用客机上得到了应用。

图1　简单循环制冷系统

图2　二轮升压循环系统

图3　三轮升压循环制冷系统

1　简单式循环制冷系统

简单式空气循环制冷系统由热交换器和高速涡轮组成，系统结构简单，重量较轻。其工作原理是从发动机压气机引出的高温高压空气，经过压力调节装置后，流入热交换器，散热给冲压空气实现冷却，然后进入冷却涡轮通过膨胀冷却进一步降温，最后供给座舱进行温度调节，原理图见图1。系统中涡轮所驱动的风扇只单纯作为耗能和抽风的工具，不具有增压功能，所以系统的供气压力不能太低。也正由于风扇的抽吸作用，使得飞机在地面停机状态下，系统同样有冷却作用。简单式循环制冷系统具有以下特点：（1）风扇在涡轮输出功的驱动下，对热交换器冷边的冲压空气产生抽吸，加大了冷边冲压空气流速、流量，提高了换热器的换热效率；（2）冷却涡轮和换热器的安装不需要成对组装，二者在飞机上设计部位比较灵活；（3）发动机引气压力对涡轮通风式制冷系统的影响较大，因而系统制冷量会随着发动机在高空引气压力的降低而变小；（4）由于风扇直接在大气条件下工作，空气密度随着飞行高度的增加而变小，风扇端负荷也相应减小，使涡轮转速增快，达到某一高度时涡轮会超转，这使得涡轮通风式制冷系统的使用高度受到限制。简单式空气循环制冷系统被许多机种，尤其是军用机上，得到了广泛应用。如英美的F101、F-5E等战斗机、B-52、B-57等轰炸机、慧星4C旅客机，苏联早期的各种机型大部分都采用了这种系统。

图4　四轮升压循环制冷系统

图5　F-22飞机ECS/TMS系统原理图

图6　电动环境控制系统示意图

表1　三轮系统与四轮系统主要部件重量比较

2　升压式空气循环制冷系统

升压式空气循环制冷系统又可称为涡轮压气机制冷系统。其基本形式如图2，它由初级热交换器、次级热交换器和涡轮压气机组件等组成。升压式制冷系统原先用于活塞式飞机，其增压源为发动机驱动的离心式或罗茨型压缩机。这种增压源出口压力较低。为了保证座舱增压和获得足够的冷却能力，将增压源供出的空气用冷却涡轮驱动的压气机进一步压缩，再通过是间冷却器，送至冷却涡轮制冷。此时涡轮膨胀比较大，故温降也较大。

与涡轮通风式制冷系统相比，升压式制冷系统的缺点是：飞机在地面停机状态或起飞滑跑时，系统制冷能力很小。克服这一缺点有两个方法：一是用电机传动或涡轮驱动专用通风机，二是从发动机压气机直接引气的引射器，引射冷却空气。

在英美飞机，尤其是旅客机上，升压式制冷系统被广泛应用。除了旅客机，这种制冷系统也广泛地应用于战斗机F-14、轰炸机B-1等机型。

3　三轮升压循环制冷系统

为了弥补二轮升压式制冷系统地面制冷能力差的缺点，人们开始分析制约二轮升压式制冷能力。研究发现：二轮升压式制冷涡轮在地面虽有制冷能力，但循环效率非常低，涡轮发功的功率只有15%用于驱动冷却空气风扇，其余功能不仅被浪费，而且会导致冷却空气压力和温度升高，不利于制冷效率。为提高升压式制冷系统效率，人们将升压式和简单式组合起来，构成升压式-涡轮通风式组合制冷系统。这类系统被称为三轮升压式空气循环制冷系统，它的基本形式和工作原理如图3，其结构特点是：冷却空气风扇和升压式压气机安装在一根轴上，用涡轮来驱动。三轮升压式空气循环制冷系统的特点是：（1）供气压力小，节省功率，而且弥补了二轮升压式制冷系统地面制冷能力差的缺点；（2）由于升压式压气机吸收了大部分（85%左右）涡轮功率，故还可以防止制冷装置过速。三轮式制冷系统是空气循环制冷系统的一次重要革新，它在现代旅客机上得到了广泛应用，例如波音-747和DC-10等。

4　四轮涡轮升压循环制冷系统

四轮升压循环系统是在三轮升压循环系统的增加了第二级涡轮改进而来的。如图4实际工作过程中，第一级涡轮出口的温度可控制在零点以上，这样有效防止了换热器结冰，同时更好地降低了供给座舱的供气温度，增强了系统的制冷能力。表1是三轮系统与轮系统主要部件的重量。从表中可看出，四轮系统的总重要比三轮系统轻27kg。

四轮循环系统比三轮系统有着更更高的循环制冷效率、更强的制冷能力和更高的可靠性，在大飞机环控系统中具有很广阔的应用前景。波音B777与空客A380旅客机采用这种新型四轮升压循环系统。

5　蒸发循环制冷系统

航空电子电子设备吊舱体积小、热载荷大，单位面积热注密度大，为了满足其冷却需求，上世经70年代美国开始研制机载蒸发循环制冷系统用于电子吊舱的冷却，系统的制冷量大约为3kW～5kW量级。由于机载蒸发循环制冷技术的进步、密封工艺水平的提高，使其具备了在固定翼飞机上装机使用的条件。目前采用蒸发循环制冷技术最成熟的案例就是美国最先进的战斗机F-22飞机，该机采用蒸发循环制冷和空气循环制冷相组合的方法去实现座舱和电子设备的冷却：F-22飞机如图5包括两个分离的电子舱及一个座舱，电子舱l（热负荷较大，约为50kW）采用蒸发循环制冷的液体冷却方式，电子舱2（热负荷小，约为5kW）和座舱（热负荷约为5kW）则采用空气循环制冷。

6　多电飞机制冷系统

由于多电环控系统的技术发展，在商用客机的环控系统上开始出现了电动环境控制系统。“梦幻客机”波音787是第一个使用电动环境控制系统的大型商用飞机。该机在环控系统方面应用了四项新技术：第一项是取消从发动机引气；第二项是采用新型数字式座舱压力调节系统；第三项是选择了新型电热机翼防冰系统；第四项是采用电动环控系统。在这四项新技术中，最具影响的技术革新是它取消了发动机引气。取消发动机引气的电动环境控制系统在飞机设计布局中具有更大的灵活性和更强的适应能力，并提高发了发动机的热力循环效能。图6是电动环境控制系统示意图。未来多电/全电大型飞机发展过程中，无引气的电动环境控制系统必将是环境控制系统的发展方向。

7　结语

航空制冷技术经过70多年的发展，取得了非凡的成绩：空气循环制冷技术日益完善，代偿损失进一步降低，制冷性能进一步提高；机载蒸发循环制冷取得了巨大进步，已经成功应用于战斗机；多电技术的新发展，使得无引气多电环境控制系统成功装机验证，取得了非常好的效果。我国较国外发展现状还距有较大差距，为了加快我国的航空制冷技术发展，笔者提出几点建议：（1）在直升机制冷方案设计中，优先考虑机载蒸发循环制冷，加强机载压缩机、高效紧凑式换热器的研发攻关；（2）在下一代先进战斗机制冷方案规划中，重点考虑空气循环-蒸发循环相结合的方案，减少冲压空气的应用，合理规划好燃油冷沉的应用；（3）在民用客机制冷技术发展中，以多电（全电）飞机发展为方向，进行闭式循环制冷技术研究，研发出我国自己的电动无引气环境控制系统。

［1］李武奇，唐伯清，张均勇，张小松.蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用.飞机设计，2008.4：73-76.

［2］林韶宁，夏葵，李军，孙烨，侯予，陈纯正.空气制冷机在飞机空调系统中的应用.流体机械，2004.32（10）：46-49.

［3］路多，胡文超.新一代干线客机A380和波音787的环境控制系统.航空科学技术，2005.2：17-19.