现代民航客机座舱增压原理简析

张志铎　姚红泽

【摘 要】民航客机座舱增压系统的正常工作对于飞机的安全飞行以及飞机的适航性的符合有着重要的作用。本文对民航客机座舱增压系统的工作原理做出介绍和分析，对于本系统原理的深入学习有一定参考价值。

【关键词】飞机；座舱高度；座舱增压；数字式座舱压力控制器

中图分类号： V221 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.022

现代民航客机座舱增压系统的功能是飞机在计划的飞行高度范围内，使座舱高度①及座舱高度变化率（爬升率和下降率）能够符合飞机结构的安全要求，并满足人体对座舱环境压力和氧气密度的基本生理需求。

1 增压系统原理

增压系统中，空调组件迫使空气由空气分配系统进入飞机座舱，经外流活门流出机外。座舱包括驾驶舱和客舱等，增压控制系统能够使座舱压力高于外界环境压力。飞行中，空调系统提供经过调定温度和流量的空气进入座舱，压力的控制可通过控制外流活门的排气量来实现。外流活门开度变大，排气量增加，艙内压力减小；外流活门开度变小，排气量减小，舱内压力增加。飞行中，外流活门的开度决定了增压舱内绝对压力，外流活门的开关速率决定了增压舱压力变化率。

根据适航法规规定，飞机的座舱高度不能大于8000feet（英尺），飞机巡航高度一般在30000～40000feet之间，此时座舱内外存在较大正余压，外流活门处压差最大。为保证座舱内的压力：飞机处于巡航状态时，外流活门开度最小，座舱高度大；飞机在地面时，外流活门开度大，座舱高度低。

在起飞爬升和下降阶段，人体对于增压率和减压率的适应能力不同。增压控制系统除了对座舱高度的限制外，对于座舱高度的变化率严格控制，座舱高度爬升率不得超过500feet/min，下降率不得超过350feet/min。座舱高度的变化率可通过外流活门关闭和开启的速度来控制：活门关闭速度越大，座舱高度下降率越大；活门开启速度越大，座舱高度爬升率越大。

2 座舱压力制度

座舱压力制度指在不同的飞行高度下，飞机座舱高度有规律的进行控制。同时也表明在静态调节特性下，压力控制系统处于平衡状态。现代民航飞机有两种座舱压力制度：三段式和直线式。前者用于低速飞机，本文只针对现代民航客机广泛使用的直线式压力制度进行原理解析。

图1为直线式座舱压力制度，飞机在地面起飞爬升到巡航阶段（a点到b点）时，飞行高度增加时与之对应的座舱高度呈近似线性规律；在起飞爬升阶段，座舱内外压差缓增，巡航阶段时，压差最大，并通过余压限制器限制，防止飞机结构受损。例如波音737飞机采用数字式座舱压力控制器（CPC）对座舱压力进行控制，实现直线式压力制度。

3 座舱增压控制

现代民航客机的座舱增压控制系统作用是控制空气流出客舱的速率，其主要部件包括座舱压力控制组件、数字式座舱压力控制器（CPC）、外流活门。CPC是中央控制计算机，是实现压力控制以及调节的核心元件，作为CPC执行机构的外流活门接受其指令执行活门开度大小以及开关速率的动作。数字式压力控制系统采用电机驱动的外流活门，包括直流电机和交流电机。现代大型民航客机采用的是数字式压力控制系统，其控制的座舱压力以及变化率更能根据不同的飞行高度得到高精度的控制，因此的得到了广泛的使用。

现代民航客机座舱增压系统具有正常压力控制和应急压力控制两大功能，其中正常压力控制系统为数字式压力控制系统。

3.1 座舱正常压力控制系统

正常压力控制系统采用数字式压力控制（CPC）系统，它的组成部件包括程序编制器、座舱高度变化率限制器（限制座舱爬升率和下降率）和最大余压限制器（监控正余压和负余压）。起飞前，驾驶员将巡航高度、着陆高度等参数输入数字式压力控制器。增压控制系统将根据起落架“空/地”传感器和和飞行电门的信号自动编制本次飞行的增压程序，在不同的飞行阶段对座舱压力进行控制和调节。

3.2 座舱应急压力控制系统

正常增压控制系统失效时，座舱高度、座舱高度变化率易超过限制值，使飞机处于不适航状态。座舱内压力过低，人体对压力和氧气密度的基本生理需求得不到保障，严重时危及生命。另外随着飞行状态的改变，没有得到有效控制的座舱压力会使得座舱内外压差值（包括正压和负压）过大，对飞机结构造成损伤。

座舱应急增压控制系统包括：正向压力释压活门、负压释压活门、压力均衡活门和座舱高度警告系统。

1）正向压力释压活门

正向压力释压活门是失效安全装置（又被称为安全活门），当活门故障卡阻于关位时，座舱内压力大于座舱外环境压力一定值时，活门打开，将座舱内空气喷出，释放了座舱压力。例如波音737飞机舱内压力大于舱外压力8.95psi②时，正向压力释压活门打开，从而防止损坏飞机结构。

2）负压释压活门

负压释压活门防止飞机快速下降期间产生负的压差（座舱外的压力高于座舱内的压力产生的真空压力）损坏飞机结构。例如波音737飞机，当飞机外的压力比飞机内的压力大1.0psi时，负释压活门打开。

3）压力均衡活门

前后货舱都安装有压力均衡活门，压力均衡活门由两个控制空气流向不同的单向活门组成。其中一个单向活门控制空气进入货舱，一个单向活门控制空气排出货舱，从而使得客舱和货舱压力保持一致。

4）座舱高度警告系统

座舱高度警告是指座舱高度10000feet时，座舱高度警告电门闭合，接通警告电路并发出音响警告，驾驶员可以切断音响警告，直到座舱高度音响警告再次响起。当座舱高度大于等于14000feet时，客舱乘客氧气面罩自动释放。

3.3 增压工作模式

工作模式包括：自动模式、交替模式（备用模式）、人工模式。正常工作为自动模式，当自动模式失效时，CPC将增压系统自动转换为备用模式。当系统检测自动模式和备用模式都存在故障无法进行自动增压时，飞机增压警告面板给出警告，提醒驾驶员使用人工模式进行人工操作。

对于波音737机型，有2个外流活门。位于电子设备舱的前排气活门除了辅助后外流活门对座舱进行增压外，还可实现对电子设备舱的冷却功能。后外流活门有2个28V直流电机和一个48V交流电机，每次只有一个电机带动活门进行开关运动。在自动模式和备用模式下，CPC通过2个28V直流电机驱动后外流活门。当自动模式和备用模式失效时，驾驶员可通过人工模式对48V交流电机对后外流活门进行人工超控，实现对座舱压力的人工控制。在增压控制系统工作时，由于后外流活门向后排出空气，因此可以产生一定推力，又被称为推力回收活門。

波音737飞机前排气活门弹簧将活门保持在开位，当飞机开始增压，流过活门的空气流量逐渐增加30lb/min钟时，活门关闭。此时产生的1psi的压差将活门保持在关闭位置。

3.4 自动模式座舱高度剖面

图2为波音737飞机飞行中自动模式下的座舱高度剖面，增压系统在自动模式中对飞机所有飞行阶段进行座舱压力控制，包括六个飞行阶段：地面、起飞、爬升、巡航、下降和着陆。增压系统通过起落架“空/地”电门和两台发动机N1轴转速的信息来判断飞机处于地面还是空中，从而执行了五种增压程序：地面不增压、地面预增压、爬升程序、巡航程序和下降程序[1]。

1）地面不增压程序

当起落架“空/地”系统指示左右起落架在地面状态，且两台发动机的N1③转速小于50%至少1.5秒，这时CPC判断飞机在地面状态。此时外流活门全开，座舱处于自由通风不增压状态。

2）地面预增压程序

当起落架“空/地”系统指示左右起落架在地面状态，并且两台发动机N1转速至少在1.5秒内增加到60%以上，这时CPC判断飞机处于起飞前或者着陆前时的状态。此时CPC将座舱增压到低于场压高度0.1psi（即输出189feet的偏压信号），外流活门部分关闭，这样防止飞机在起飞时冲击气流对座舱造成的压力瞬时增加。

3）起飞爬升程序

当起落架“空/地”系统指示左右起落架在空中状态时，座舱增压系统执行起飞爬升程序。CPC根据飞行前输入的巡航高度自动编制增压程序，不断调节后外流活门的开度以及关闭速率，使得每一个飞行高度都有一个与之对应的座舱高度以及座舱高度变化率，直到飞机到达设定的巡航高度。

4）巡航程序

当飞机外部环境的压力降低到飞行巡航高度选择的压力0.25psi时（即与巡航高度相差400feet时），CPC控制系统进入巡航状态。飞机在巡航状态时，飞机不可能时刻精准的保持在巡航高度上，飞机的飞行高度会改变。设置0.25psi控制信号的目的是为了防止飞机（下转第35页）（上接第59页）由于飞行高度的改变造成CPC频繁的工作切换，造成使用寿命减少。因此在巡航高度上下相差800feet的范围内，CPC使后外流活门处于全关位[2]。

5）下降程序

当飞机外部压力增加到大于飞行高度选择的0.25psi时（即飞机的飞行高度低于巡航高度400feet时），CPC执行下降阶段增压程序。此时CPC控制后外流活门开度逐渐增大，并控制外流活门开启的速率，此程序按照压力制度预定的座舱高度与飞机高度的线性关系进行调节，保证座舱高度和座舱高度变化率不超限。当飞机接地时，CPC将座舱压力增加到比选定的着陆高度低0.15psi的压力（即输出300feet的偏压信号）。飞机接地后，起落架“空/地”系统指示左右起落架在地面状态，CPC执行地面预增压程序。当飞机停机时，两台发动机的N1转速小于50%至少1.5秒，CPC执行地面不增压程序。至此，座舱增压控制系统完成了对飞机不同飞行阶段完整的增压控制。

【参考文献】

[1]李元镜，飞续飞试验载荷谱（5乘5谱）编制方法初探[J].《民用飞机设计与研究》，2002，3，1-11.

[2]任仁良，张铁纯.涡轮发动机飞机结构与系统[M].北京：兵器工业出版社，2006.11，292-302.

注释：

①座舱高度是指座舱内部气压所对应的所在高度的标准大气压力.

②psi，英制压强单位，磅每平方英寸.

③N1轴，CFM56-7B发动机发动机低压轴.