基于机电综合的民用飞机水废水系统构架建模初步分析

孙鉴非　孙欢庆　喻文韬　李庆南　柴焱

【摘 要】本文首先介绍了民用飞机机电综合技术以及水废水系统的研究现状，然后以某型号民用飞机为例，依据该型号飞机水废水系统的系统功能需求，进一步提取出一种基于机电综合的水废水系统电气架构，最后在MATLAB仿真软件中，建立了基于机电综合构架的水废水系统的初级电气仿真模型，并初步论证了所搭建仿真模型的可行性。

【关键词】水废水；机电综合；电气架构分析

0 引言

水废水系统是民用飞机机电综合构架中的重要组成部分之一，其承担着为数不多的，直接面相乘客的民用飞机级功能之一。整个水废水系统构架由水系统和废水系统两个子系统组成。其中，水系统的功能主要为利用气源压力或者电空气压缩机产生的压力，将机内储藏的引用水，通过压力供水的方式，由相关管道分配至盥洗室以及前后厨房，从而完成民用飞机饮用水储藏、检测、供给分配的功能。废水系统的功能主要为利用机内外压差或者真空发生器产生的压力差，对机内灰水包括厨房盥洗室灰水、马桶废水进行机上再处理，并在航线运营完毕后，在地面进行废水排放，从而完成民用飞机废水处理、排放的功能，满足航线运营时，乘客与机组人员的生理需求[1]。

1 民用飞机水废水系统研究现状

随着民用飞机技术的飞速发展，乘客对民用飞机舒适性的需求也与日俱增，水废水系统的重要性也在不断增加。水废水系统构架发展大致经历了以下三个阶段：人工机械操作构架、分布操作分布控制构架、机电综合控制构架[2]。

人工机械操作构架的主要代表机型为空客A320和A319。主要工作模式为，通过人工拉动系统机械手柄，从而控制开水、闭水阀门开断，最终实现机上饮用水与废水的分配和排放。该系统构架相对较为落后，随着电力电子控制技术的发展，已经逐渐被更先进的系统构架所取代[3]。分布操作分布控制构架是在人工机械操作架构的基础上，根据系统设备在机上的分布状况[4]，就近设置相关水废水阀门的电子电气控制单元。该种控制架构下，系统控制单元就近分散于所需控制设备，不仅控制单元数量多，而且各控制子系统之间综合关系较弱，不利于对系统进行整体状态反馈与监控。

从20世纪80年代开始，国外学者开始基于机电综合的民用飞机控制构架，并且在A380、B787机型中已经得到了成功的应用[5]。基于机电综合控制的水废水系统构架，其是一种基于ARINC429、A825等数据总线构架，对分布式设备进行集中式状态反馈、系统控制的构架，是目前最为先进、高效的系统构架。目前国内在军机领域，已经有初步机电综合系统设计的经验。本文以某民用飞机水废水系统具体功能需求为基础，以机电综合技术为系统构架方向，构架出某型号民用飞机水废水系统机电综合仿真模型。

2 基于机电综合构架水废水系统电气建模初步分析

以150座级民用飞机为例，其对于水废水系统的基本功能需求为：客舱前后各设置一个盥洗室和厨房，并在厨房和盥洗室中设置相应的电子阀门、加热器，从而进行配合输水管道饮用水、灰水废水的分配、管理。水、废水子系统共享VFMD变频器，配合水系统的增压发生器、废水系统的压差发生器和相关电子阀门，调节监控输水、配水管道的水压。

根据该型号民用飞机的基本功能需求，本文提出的一种基于机电综合控制的水废水系统构架如图1所示。基于所提取的系统构架，在MATLAB仿真软件中搭建的水废水电气仿真系统模型如图2所示。

对于系统内部控制器与设备之间的控制逻辑与软硬件接口规划如下。整个水废水系统共用一套机电综合控制硬件、软件模块，该模块可以根据飞机系统集成度，单独在电子设备舱规划LRU实现，也可以嵌套在航电核心控制器内部。根据水废水系统设备在机舱内部分散分布的特点，控制模块与系统设备之间，采用ARINC429总线，利用民用飞机航电系统分布在客舱各处的远程数据采集装置进行数据中转，完成控制信号传输，以及设备运行状态对控制器的反馈。由于水废水系统的设备均为电子阀门，加热器等简单电子硬件设备，对控制精度要求低，对系统控制信号的实时度也没有太多限制，并且控制系统的时间常数大，因此数字总线数据传输相对于硬线数据传输带来的信号延迟、数据实时性等问题对水废水系统不存在影响。相应的，由于数据总线信号传输技术的特点，单个条数据总线中可以分时传输多路数据，以ARINC429总线为例，单条A429总线可以高频分时传输高达255条不同类别的信号内容，因此，采用数据总线数据进行信号传输，可以大大减少由于硬线信号传输带来的系统线缆敷设数量，简化系统硬件结构数量和复杂度，从根本上提高了系统硬件架构集成度，优化系统运行可靠性。

另一方面，对于系统与民用飞机其他系统的交联接口规划构架如下。因主流飞机航电系统内部的传输数据传输构架以及由A825进化为更为先进高效的A664总线技术。因此，在设计水废水系统与中央维护系统，客舱显示系统等民用飞机航电子系统的数据传输接口时，直接采用A664总线规范，从而完成水废水设备运行状态数据在客舱显示系统的显示，便于机组乘务员对系统运行的监控与故障反馈，同时系统的实时运行数据通过A664总线传输至OMS中央维护系统，为线下地面排故、飞机维护提供数据支持。直接采用A664进行水废水系统与外部系统数据传输，规避了各自信号规范数据转换时造成数据有效性和可用性的转换错误，避免了各自信号规范兼容性差异，进一步提升了系统间数据交联运行的稳定性，对整个民用飞机电气系统的可靠性也有进一步提升。

3 结语

飞机性能指标以及运营经济效率，是未来民用飞机研究的两大重点。其中，机电综合技术正是优化上述两大目标的关键技术环节之一。由于我国民用飞机研究发展较晚，研究基础也较为薄弱，在民用飞机机电综合设计领域目前处于相对落后的位置，因此研究基于机电综合技术的民用飞机系统，对于我国科技发展、产业转型目标的实现均具有非常重要的战略意义。本文在综合国内外机电综合技术以及水废水系统研究现状的基础上，初步提出了一种基于机电综合技术的水废水系统构架，并初步建立了MATLAB仿真模型，后续可以针对仿真模型进一步优化参数、进行系统仿真试验交叉验证。

【参考文献】

[1]张维方，肖世旭，雷美玲.民用飞机厨房废水处理技术研究[J].民用飞机设计与研究，2009（3）：44-47.

[2]周建斌.机电综合控制对民机水系统设计的影响[J].航空工程进展，2011（2）： 216-219.

[3]周传记.MD_90飞机真空废水系统设计[J].民用飞机设计与研究，2000（2）：27- 30.

[4]肖世旭.民用飞机真空式马桶污水处理系统介绍[J].科技信息，2013（16）：405- 406.

[5]段金明.真空排污系统输送机理及系统优化研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[责任编辑：王伟平]