基于AMESim 的飞机环控系统建模与仿真

刘 征 崔 燚 周琼瑶 戴 铮 王宇迪

0 引言

为体现新型民用客机“更经济、更安全、更舒适、更环保”的设计思想[1]，民用飞机逐渐朝多电化方向发展，四轮升压式高压除水电动环控系统具有取消发动机做功影响、节省燃油以及防止涡轮冰堵等优点[2-3]，越来越受到研究人员的重视。

国内对飞机环控系统仿真研究始于20 世纪90 年代，李俊杰[4]、董素君[5]等人采用easy5 软件建立起空气循环制冷系统和蒸发循环制冷系统仿真模型，具有一定的实用性和推广价值。董素君[6]、宋俊虓[7]、赵俊茹[8]等人利用Matlab/Simulink 建立起环控系统各主要部件的数学模型，对系统进行了仿真研究，Matlab/Simulink 属于通用仿真软件，具有强大的编程计算语言和图形化建模方式，但是在复杂系统的仿真研究，易产生代数环问题，对计算结果精度和效率影响较大。

AMESim 属于一维多学科复杂系统建模仿真平台，可实现气动、热流体、液压、机械和电磁等多学科领域的联合建模仿真，可以实现机电系统中多个分系统的耦合工作[9]。本文通过建立环控系统仿真模型，得到了在给定状态下各部件出口的稳态仿真结果与理论计算值的对比结果，以及给定在飞行高度和飞行马赫数扰动下的二级涡轮出口温度的动态响应曲线，可为系统设计优化以及整机环境控制系统的控制规律设计提供模型和数据支持[10]。

1 AMESim 仿真模型

四轮升压式高压除水电动环控系统主要部件有：热交换器、压气机、涡轮冷却器、风扇、转轴等，通过气体能量传递方向将部件各仿真模块连接起来，构成整机系统进行仿真。四轮升压式高压除水电动环控系统原理图见图1。AMESim 搭建空气循环制冷系统模型，需用到湿空气模型、流量源、压力源、热交换器、压气机、涡轮冷却器、水分离器、导管等元件（即子模型）。四轮升压式高压除水电动环控系统AMESim 仿真模型见图2。

图1 四轮升压式高压除水电动环控系统原理图

图2 环控系统AMESim 仿真模型

2 系统仿真

2.1 仿真参数设置

表1 AMESim 仿真模型输入参数

AMESim 仿真模型建立后，需要给定系统各部件的仿真输入参数，仿真输入参数主要以部件结构尺寸为主，具体参数见表1。

2.2 稳态仿真结果分析

稳态仿真主要考虑地面状态和高空巡航状态两个工况，选取不同工况入口状态参数见表2。

表2 AMESim 仿真模型不同工况入口状态参数

依据部件结构尺寸和入口参数，经过计算可得到该型号飞机的各部件出口理论计算值。将理论计算值与稳态仿真计算进行对比，可得到静态仿真的精度。表3 是系统给定状态下，各部件出口温度理论计算值与稳态仿真结果的对比。

表3 系统关键点稳态仿真值与理论计算值对比

仿真结果表明，本文所建模型具有较高的精度，可满足飞机环控系统的仿真研究。

2.3 动态仿真结果分析

由于飞机飞行高度和飞行速度不断发生变化，外界空气温度和压力会发生较大变化，环控系统各状态点也会发生较大的变化，会对控制系统提出更高的要求。电动环控系统取消了发动机引气，改为电动压气机压缩空气充当高压气源，在整个飞行任务过程中，外界环境的温度和压力对环控系统影响较大。因此本文将研究当飞机飞行高度和马赫数扰动下，环控系统入口温度和压力不发生变化情况下，二级涡轮出口的温度响应。

工况1，飞行高度0m，马赫数0.3，当飞行马赫数不变，高度突然阶跃至1000 米时，二级涡轮出口的温度变化如图3 所示，由仿真曲线可以看出，当飞行高度增大时，外界空气温度降低，初级换热器和次级换热器将带走更多热量，因此二级涡轮出口温度降低。

工况2，飞行高度0m，马赫数0.3，当飞行高度不变，马赫数由0.3 增大至0.5，二级涡轮出口温度变化如图 4所示，由仿真曲线可以看出，在地面高度0m，当马赫数增大时，二级涡轮出口温度增高，这是因为马赫数增大，冲压空气进口温度增高，初级和次级换热器温差变小，带走的热量也减少，因此二级涡轮出口温度增高。

图3 工况1 条件下二级涡轮出口温度变化

图4 工况2 条件下二级涡轮出口温度变化

3 结论

本文利用AMESim 搭建起四轮升压式高压除水电动环控系统仿真模型，根据气体流动方向将各仿真模块连接起来，并对环控系统进行了静态仿真计算和动态仿真分析。静态仿真计算结果与理论结算结果相比，最大相差2.91℃，动态仿真满足实际系统的变化趋势。仿真结果表明了所建模型的正确性，可以模拟不同状态下的飞机环控系统的工作情况，可为后续飞机环控系统的设计优化提供依据，同时也可以为控制系统的设计提供模型和数据支持。