航空地面空调液冷综合保障车研制

李 旭， 吴勇川， 胡方亮， 雷金果， 张永亮

(1. 空军勤务学院航空四站系， 江苏 徐州 221000； 2. 95829部队， 湖北 孝感 432111； 3. 95825部队， 湖北 孝感 432111 )

随着我国综合国力的日益强大，部队装备的科学化、现代化和精炼化已成为提高军力及增强部队战斗力的必然课题[1]。因此，飞机的战勤维护保障及飞机大修任务也成为航空兵部队、空军场站及飞机修理单位面临的迫切任务。然而，部队现役的航空地面保障装备集成化程度普遍较低，一般只有某一项保障功能，这使得部队飞行保障时间较长，保障效率较低。因此，加强装备的集成化建设，研制出能够提供多种功能的航空地面保障装备，对提高部队保障效率、节省保障时间具有重要意义。

在进行飞行保障时，尤其在对飞机进行地面维护和起飞前检查时，通常需要为飞行员座舱和气冷电子设备舱提供空调保障[2]，或者为飞机液冷系统和液冷电子设备舱提供液冷保障[3]。特别是，随着四代战机的研制和装备部队，往往需要提供空调与液冷的综合保障。此时，若用现有飞机地面保障装备，需要飞机地面空调车和飞机液冷车2台大型保障车辆同时围机工作，不仅增加了工作强度、降低了工作效率，还会带来安全隐患，造成安全事故。基于此，笔者研制了一款集飞机地面空调保障和液冷保障为一体的航空地面空调液冷综合保障车(简称“空调液冷车”)，以期能够减少飞机地面保障装备的种类，提高装备的效费比，并减少保障人员的工作强度和飞行保障过程中的安全隐患。

1 主要功能和技术指标

1.1 主要功能

该空调液冷车是一款集飞机座舱，气冷电子设备舱空调保障，液冷系统循环清洗、加/排液，以及液冷电子设备舱液冷保障等为一体的航空地面综合保障车。飞机在地面维护、发动机或辅助动力不工作时，该款车可为飞机提供气冷通风和液冷冷却，并可向飞机液冷系统加注液体介质。

1.2 技术指标

需要达到的技术指标如下：

1)同时满足气冷、液冷冷却要求；

2)使用环境条件为-40～50 ℃；

3)方舱外形尺寸不大于6 350 mm×2 400 mm×1 800 mm；

4)空调系统技术指标见表1；

5)液冷系统技术指标见表2。

表1 空调系统技术指标

表2 液冷系统技术指标

2 基本组成

根据文献[2]的要求,并参考文献[3-5]，将空调液冷车设计为自行式移动装备，其由动力电源系统、介质输送系统、制冷换热系统、操作控制系统、车载底盘和车厢体等6部分组成，如图1所示。

图1 空调液冷车基本组成

2.1 动力电源系统

动力电源系统负责为制冷换热系统和操作控制系统等提供动力源。动力源主要由车载自备柴油发电机组提供，也可由外接电源提供。

1)内接电源

内接电源设计为柴油发电机组，其由柴油机、同步发电机和操作控制箱组成，其中操作控制箱包括电压调节系统和柴油机发电机电器箱2部分。柴油发电机组安装在车厢体的右前侧，为空调液冷系统提供合格的电源，并满足空调液冷系统各种工况所需的功率。

2)外接电源

外接电源设计由电力连接器以及相序保护和转换箱组成，可方便连接外接三相电源，并具有相序保护和自动转换功能。

2.2 介质输送系统

介质输送系统是负责为飞机输送气体和(或)液体进行循环的管路系统，分为气体介质输送系统和液体介质输送系统2部分。

1)气体介质输送系统

气体介质输送系统负责提供通风空气的风量和风压，满足飞机对通风量和压力的要求，分为气源和供风2部分。气源部分以环境空气为空调气源，从外界吸入环境空气进入空调液冷车空气管道，由空调液冷车的制冷换热系统进行温度调节；供风部分将温度调节后的空气由排风管排出，并最终供给飞机。在此过程中，空气流经的所有设备都会对空气的流动产生阻力。因此，气源系统提供的气流必须具有足够的流动能量。空调液冷车气源系统采用三叶罗茨式鼓风机组，其主要由罗茨式鼓风机、变频电动机、进气消音器、排气消音器、空气过滤器、安全阀、单向阀和弹性接头等组成。

2)液体介质输送系统

液体介质输送系统由多级变频液体泵、膨胀水箱、贮液罐、液体输送管卷盘、液体过滤器各种阀门和管路等组成[6]。液体泵选用多级变频不锈钢泵，安装在车厢体的中部左侧，其过滤器拆卸方便，滤芯可清洗，便于重复使用，过滤精度为40 μm。膨胀水箱及贮液罐安装在车厢体的中后部，液体直接与不锈钢接触。液体输送管卷盘分为送液软管卷盘和回液软管卷盘，安装在车厢体尾部两侧，为多排多层卷绕结构，卷盘架上有防止螺栓自转的固定卷盘，软管收放时应将固定螺栓处于松开位置，工作完成后应将螺栓处于紧固卷盘状态，可防止软管回绕和电动收放输液软管，有效减少劳动强度。

2.3 制冷换热系统

制冷换热系统由制冷机组(由气液耦合式蒸发器、制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀等构成)、空气电加热器、干燥过滤器和管道式液体电加热器等组成，用于空调气源和(或)液体介质制冷降温或加热升温，满足飞机保障所需的空调和(或)液冷的温度要求。

3 各系统工作原理

3.1 制冷换热系统

制冷换热系统由空调系统和液冷调节系统2部分组成，其工作原理如图2所示。

1—压力传感器；2—温度传感器；3—流量传感器；4—膨胀阀；5—制冷压缩机；6—单向阀；7—电动蝶阀。图2 制冷换热系统工作原理

3.1.1 空调系统

空调液冷车空调系统的工作过程分为制冷循环和制热循环2种。

1)制冷循环

空调液冷车空调系统由3套结构相同、并行且可单独工作的制冷循环系统组成。单级制冷循环系统工作流程如图3所示，该系统采用R134a作为制冷剂。在制冷循环过程中，制冷剂由接近饱和状态(状态点“1”)进入压缩机绝热压缩(状态点“2”)；然后，在冷凝器中经空气冷却放热冷凝成液体(状态点“3”)，进而通过节流阀节流膨胀降温(状态点“4”)；最后，低温的制冷剂在气液耦合式蒸发器内吸收外界空气的热量，使空气温度降低，而其本身由于吸收外界热量而温度升高，变成饱和蒸气流回压缩机[7]，参与第2次制冷循环，如此循环往复。

图3 单级制冷循环系统工作流程

在制冷循环过程中，空调气源(空气)由鼓风机吸入空调液冷车的空调管道，经空气过滤器清除空气中的机械杂质、灰尘等后进入制冷机组吸收热量，使空气温度降低，这时空气中的水分凝结到集水盘，经管道排出；空气通过鼓风机提压后进入空气电加热器进行温度调节，直到达到状态设定的通风温度和湿度：最后，在空调系统的通风口经通风软管向飞机输入合格的通风气体。此外，通风管道可进行密封性处理，以防止未经过滤的空气从通风管道的泄漏处进入管道内而影响空气的纯净度。鼓风机设置在靠近飞机处以保证空调液冷车的供气压力，防止因压力不足而导致空气无法进入飞行员座舱或飞机电子设备舱中。

2)制热循环

由于R134a不能用作热泵型空调的制冷剂[8]，因此空调液冷车采用电加热炉制热。其工作过程为：空气在鼓风机的作用下，经空气过滤器除尘和制冷机组、滤水器除湿后，进入空气电加热器，在电加热炉的调节下达到设定温度，最后经通风口由通风软管输入到飞机。

3.1.2 液冷调节系统

空调液冷车液冷系统的工作过程分为制冷循环、制热循环、加注液体和自循环清洗4部分。

1)制冷循环

首先，空调液冷车经通液软管与飞机液冷介质进出口相连接，使飞机内部液冷系统与空调液冷车内部的液冷系统形成一个闭合回路，液冷介质通过液体泵在飞机与空调液冷车中循环运行；然后，空调液冷车制冷机组通过气液耦合式蒸发器对介质进行冷却，介质经液体泵推动而循环流动；最后，达到循环介质持续降温的目的。

3组气液耦合式蒸发器处于并联状态，可根据空调液冷车介质实际出口温度与设定值的比较，启闭1～2台制冷压缩机，以控制液冷系统的制冷量，对介质温度进行初步调节，并通过液体电加热器进一步调节介质温度，直到达到状态设定的通液温度要求。经过上述工作过程，在液冷系统的通液口就可用通液软管向飞机输入合格的液冷介质。

2)制热循环

当空气过滤器除去介质内的机械杂质后，循环介质在液体泵的作用下，经阀门7进入液体电加热器中，在液体电加热器的调节下达到设定温度后，再经通液口由通液软管输入到飞机的液冷系统中。

3)加注液体

通过循环液体泵将储液罐中高纯度的液体介质加注到飞机的储液箱内，实现为飞机液冷系统加注液体介质的目的。

4)自循环清洗

将空调液冷车的供回液接头和自循环接头连接，以使循环液体泵驱动(包括储液罐内)的液体介质循环流动，然后通过液体过滤器清除液体介质内的机械杂质，以保证液体介质尘埃度符合要求。

3.1.3 气液耦合式蒸发器

气液耦合式蒸发器是制冷换热系统中最重要的部件之一，它主要为空气和液体介质提供制冷降温，其基本结构[9-10]如图4所示。其中：外部为翅片式换热通道，空气由此进入蒸发器进行热交换；内部为单套管(如图5所示)，套管内、外侧分别为液体介质通道和制冷剂通道。3条通道气密性良好，通道内的物质相互隔离，可防止空气或液体介质中因混入其他物质而降低纯净度。该蒸发器工作过程为：制冷换热系统工作时，制冷剂通道中的低温制

1—空调气源通道;2—液体介质通道; 3—制冷剂通道;4—外套管;5—内套管;6—翅片换热通道。图4 气液耦合式蒸发器基本结构

R1—液体介质通道半径；R2—制冷剂通道半径；R3—套管外管半径。图5 单套管截面

冷剂与空调气源通道中的高温空气以及液体介质通道中的高温液体介质进行热交换，低温制冷剂吸收空气和液体介质的热量，从而使其热量减少，温度降低。

3.2 操作控制系统

操作控制系统是空调液冷车的操作和控制部分。该系统可对供风和供液的压力、温度和流量等信号进行采集、显示和监测，同时控制系统的运行。通过显示仪表可观测到空调系统的供风流量、温度和压力，液冷系统的供液压力、流量和温度，发电机组转速、水温和机油压力等参数，还可对空调液冷车的工作信息、工作故障和工作时间等参数进行存储和查询。该系统包括人工操作系统和电气控制系统2部分，其中：人工操作系统由操作面板和显示器组成，主要负责设备操作和参数显示，它们均设置在操作面板上，便于使用者观察和操作；电气控制系统由可编程控制器、信号采集元件和执行器等组成，主要负责空调液冷车各种参数的采集、车内各类设备的自动控制和来自操作面板控制信号的处理。

4 结论

笔者设计了一种飞机地面空调和液冷集成的航空地面综合保障车，整车采取内接柴油发电机组结

合外接电源的方式作为整车的动力，具备野外无市电情况下的伴随保障能力；空调气源和液体介质输送管路分离，防止冷却介质相互混合，避免介质纯净度的降低；制冷换热系统实现在线测量，实时监控其压力、温度、流量和尘埃度等参数；使用可偏程控制器集中控制及监控方式，具有较强的抗干扰能力和简便的操作方法。航空地面空调液冷综合保障车机动性强，可实现全天候无障碍保障，能够满足航空兵部队和空军场站对飞机空调、液冷综合保障的需要，适应现代化的军事活动和飞机地面保障需求，具有广泛的军事应用前景。

[1] 施惠娟.飞机地面保障设备存在的问题及对策[J].科技博览，2015，31(24)：44-45.

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