民机地面气源的需求设计

王旭阳

【摘 要】本文介绍了民机地面气源的设计依据和需求确定方法，并基于440 座机典型宽体飞机进行了地面气源的需求设计，与市面上已商业运营的相似飞机进行了对比。对比结果表明本文介绍的设计方法在工程上是可执行的，也是可靠的。

【关键词】民用飞机；地面气源

中图分类号： V267；TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.010

【Abstract】Design method is introduced to define the ground pneumatic power requirement for civil aircraft. And this method is applied to classic wide body civil aircraft with 440 passengers. Result are compared with the similar commercial aircraft in the market. The comparison shows that the introduced design method is engineering executable and reliable.

【Key words】Civil Aircraft； Ground Pneumatic

0 引言

地面長时间停机维护，或者侯机阶段，需要维持民机舱内的温度在舒适范围内，以保障长时间机上工作或者等候登机阶段舱内人员的热舒适性。

采用机上气源，如发动机引气或者辅助动力装置（APU）引气，将带来极大的地面能源消耗，而且在廊桥附近启动发动机或者辅助动力装置，对机场穿行车辆和人员带来安全隐患。因此一般民用飞机均采用地面气源为座舱供气。

在民机空调系统设计过程中，必须明确给出地面气源的匹配需求，以方便航空公司在运营相关机型时，配备供气能力足够的地面气源。

1 地面气源需求的设计方法

地面气源装置（如地面空调车）通过地面低压接头与飞机混合腔连接，混合腔出口为遍布飞机的送风管网。地面气源装置连接地面低压接头后，可为座舱提供特定温度和特定流量的空气，实现舱内温度控制。

一般宽体飞机地面接头有两个，业内大多参考MS33562D标准设计，接口内径为8inch（20.32cm）。典型的民用飞机地面气源供气示意图如图1所示。

1.1 地面气源供气量的限制

根据宽体客机典型三舱布局，一般将客舱分为7 个温控区域：头等舱（1个）、商务舱（2个）、经济舱（4个）。一般一个温控区域配备左右各一根送风主管，故宽体飞机粗略估计为14 根送风主管。

按照工程经验，宽体飞机地板以下主送风管路的管径为6inch（15.24cm）。且为抑制管路噪声，主管路内的空气流速不超过15m/s[1]。因此客舱内的总送风体积流量不超过Vmax=3.831m3/s。

在标准大气压和24℃温度工况下，空气密度为1.18kg/m3。故客舱的总送风体积流量不超过Qmax=4.52kg/s。

1.2 地面气源供气需求的设计方法

地面气源的供气需求，包括供气温度与供气流量，是随着外界环境温度、舱内热载荷情况而变化的。必须由飞机制造商给出两者的匹配关系，作为航空公司进行机型运营时的操作输入。

地面气源提供的制冷或制热量，应满足舱内的温控场景需求。一般需考虑如下应用场景：

a）地面冷热天，基于座舱温度控制的稳态工况；

b）地面冷热天，基于座舱快速加温和快速冷却的瞬态工况；

地面气源供气时，座舱的一维热平衡计算方法如下式所示：

Σφi为其他舱内热载荷，包括：通过透明介质（舷窗）进入舱内的太阳辐射量；个人娱乐设施以及灯光等引起的发热量；座舱内外温差的驱动下通过机体结构传到的热量；再循环开启后，再循环风扇带来的热载荷；乘客在舱内活动时的生理发热量；

Vcabin为座舱容积；

ρ为座舱内空气密度；

Cp为空气比热容，一般取1005J/（kg·K）；

hA为舱内内饰（座椅）与空气的总换热系数，w/℃；

Mseat Cv seat，为舱内内饰（座椅）的总热容，w/℃；

Tseat为舱内内饰（座椅）的平均温度，℃；

各热载荷的计算应依据实际机型开展，本文不做讨论。

对于稳态工况，不用考虑内饰热容对座舱的影响，即（2）式为零。

对于瞬态工况，则必须考虑快速加温或者快速冷却过程中，内饰（座椅）热容对座舱温度的影响。

2 典型440座级宽体客机的地面气源设计需求设计

2.1 稳态工况下的地面气源设计需求算例

依据上文给出的设计方法，对典型440座机宽体客机的地面气源供气需求进行设计，设计结果如图2 所示：

其中各曲线的工况定义为：

C1—OAT ISA+30℃，446乘客和机组，个人娱乐设备开启，灯光开启，考虑太阳辐射，再循环风扇开启；

C2—OAT ISA+23℃，446乘客和机组，个人娱乐设备开启，灯光开启，考虑太阳辐射，再循环风扇开启；

C3—OAT ISA℃，446乘客和机组，个人娱乐设备开启，灯光开启，考虑太阳辐射，再循环风扇开启；

C'1—与C1同工况，为A350的数据；

C'2—与C2同工况，为A350的数据；

C'3—与C3同工况，为A350的数据；

H1—OAT ISA-38℃， 机上无人，个人娱乐设备关闭，灯光开启，无太阳辐射，再循环风扇开启；

H2—OAT ISA-49℃，机上无人，个人娱乐设备关闭，灯光开启，无太阳辐射，再循环风扇开启；

H3—OAT ISA-55℃，机上无人，个人娱乐设备关闭，灯光开启，无太阳辐射，再循环风扇开启；

H'1—与H1同工况，为A350的数据；

H'2—与H2同工况，为A350的数据；

H'3—与H3同工况，为A350的数据；

2.2 瞬态工况下的地面气源设计需求算例

依据上文给出的設计方法，对典型440 座机宽体客机的地面气源供气需求进行设计，快速加温的设计结果如图3 所示：

其中各曲线的工况定义为：

U1—OAT ISA-45℃，地面气源供气温度70℃。

U'1—与U1同工况，为A350的数据；

U2—OAT ISA-38℃，地面气源供气温度70℃。

U'2—与U1同工况，为A350的数据；

座舱快速加温的设计计算结果如图4 所示：

其中各曲线的工况定义为：

D1—OAT ISA+23℃，地面气源供气温度2℃。

D'1—与U1同工况，为A350的数据；

D2—OAT ISA+23℃，地面气源供气温度-10℃。

D'2—与U1同工况，为A350的数据；

D3—OAT ISA+23℃，地面气源供气温度-20℃。

D'3—与U1同工况，为A350的数据；

结合图1、图2、图3，本文计算的结果与等座级的A350 数据对比表明：

a）在相同工况下，两者的趋势一致；

b）相同供气流量下，两者的需求供气温度或时间有所差异，该差异是由于A350的热载荷计算输入与本文算例假设值不一致造成；

c）但有理由认为计算偏差在可接受的范围内，本文推荐的设计方法在工程上是可实施

和可信的。

3 总结

本文给出了民用飞机地面气源的需求确定方法，并以典型440座级为例进行了需求设计。设计结果与相同座级的A350的数据进行了对比。对比结果表明，本文介绍的民用飞机地面气源需求设计方法在工程上是可实施、可信任的。

【参考文献】

[1]Air Conditioning Systems for Subsonic Airplanes. SAE ARP85F. 2012.