飞机环境控制系统研究

蔡致鹏 王新阁 张宴嘉

摘 要：对飞机环境控制系统进行了研究，从气源系统、座舱压力调节系统、制冷系统、加温系统、空气分配系统五个方面对环控系统进行介绍。重点对涡轮通风式、两轮升压式、三轮升压式、四轮升压式和蒸发循环制冷系统进行了研究，分析了不同制冷方式的优缺点。展望了飞机环控系统发展的趋势，综合环境控制系统和综合热管理系统可以作为飞机环控系统设计的参考。

关键词：环控系统制冷系统多电飞机综合环境控制系统

Research on Aircraft Environmental Control System

CAI Zhipeng  WANG Xin’ge*  ZHANG Yanjia

（Aviation University of Air Force， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The aircraft environmental control system is studied， and the environmental control system is introduced from five aspects： air source system， cockpit pressure regulation system， refrigeration system， heating system and air distribution system. This paper focuses on the research of turbine ventilation， two wheel boost， three wheel boost， four wheel boost and evaporative cycle refrigeration systems， and analyzes the advantages and disadvantages of different refrigeration methods.The development trend of aircraft environmental control system is prospected. Integrated environmental control system and integrated thermal management system can be used as a reference for the design of aircraft environmental control system.

Key Words： Environmental control system; Refrigeration system; Multi-electric aircraft; Integrated environmental control system

飛机环境控制系统（environmental control system简称ECS）的任务就是根据飞机的用途和类型，在飞行包线内和飞机在非正常状态下，保持舱内空气的温度、湿度、压力、气流速度和清洁度在允许规定值内。现代飞机的环控系统不仅承担了飞机内部环境控制的功能，而且需要为各种大功率电子设备通风制冷，还需要满足飞机对防冰、防雾、抗荷服增压和通风服通风功能的要求。

1 飞机环境控制系统组成

环控系统主要由座舱增压供气系统和座舱空调系统组成。座舱增压供气系统包括气源系统和座舱压力调节系统，座舱空调系统包括制冷系统、加温系统、空气分配系统。

1.1 气源系统

气源系统是座舱增压和空气调节的源泉，要求气源出口压力大于舱内压力，供气量大于需气量。目前供气来源主要是发动机压气机、飞机动力装置传动的增压器、空气涡轮驱动的离心式增压器。发动机引气如图1所示，主要从中级压气机引气，当中级压力不足时从高级压气机引气。这种直接从压气机引气的方法较为简单，但是发动机的发动机推力下降，耗油率增加，供气压力受发动机工作状态制约且供出的空气可能受污染。飞机动力装置传动的增压器有离心式和容积式，优点是能保证高空飞行时的供气量，缺点是低空飞行时一部分空气直接排入大气，功率浪费严重。

1.2 座舱压力调节系统

1.2.1 压力制度

座舱压力调节系统主要是控制座舱高度、座舱余压、压力变化速率在规定范围内。在正常的工作条件下，民用班机及大型军用飞机座舱高度最大为2400m，战斗机机的座舱高度通常最大为8000m。座舱余压是指座舱压力与大气压力之差，分为高压差和低压差两类。俄罗斯规定最大不能高于232.4kPa，美国规定为34.5±0.7kPa。对轰炸机，通常会采用双压差制度，正常飞行时采用高压差，战时采用低压差减小爆炸减压的危险性。飞机上升或下降过程中，会引起座舱压力发生变化，压力变化过快会引起航空性鼻窦炎、中耳炎等病症。旅客机压力减小速率为213～427Pa/s，压力增加速率为18～213Pa/s，对于战斗机压力减小速率每秒为670～1330Pa/s，压力增大速率为400～670Pa/s。

1.2.2 座舱压力调节方式

目前飞机上使用的座舱压力调节系统大致可分为三类，即气动式、电子式和数字式。气动式座舱压力调节系统研发最早，使用时间最长，由于是纯机械式的气动调节，精度低，动态性能差。电子式工作原理是压力传感器获得座舱压力值和环境压力值，控制方向由压力控制器将压差与设置压力制度进行对比来确定，力矩电机相应地改变转动角度来控制排气活门的开度。电子式控制结构简单、动态性能好、自动化程度高。数字式工作原理是通过传感器采集大气数据，电机转动控制活门位移，位移量由计算机根据采集的大气数据和压力制度计算。由于整个过程都是由数字计算机来完成的，数字式压力调节系统更加精确可靠。

1.3 制冷系统

制冷系统主要有两大类型，空气循环制冷系统和蒸发循环制冷系统。空气循环制冷系统主要有涡轮通风式、两轮升压式（涡轮-压气机式）加低压除水或高压除水系统、三轮升压式（涡轮-压气机-风扇式）加低压除水或高压除水系统、四轮升压式（涡轮-压气机-涡轮-风扇式）加高压除水四种形式。

1.3.1 涡轮通风式

涡轮通风式涡轮通风制冷是最简单、质量最轻的系统。工作原理是引自压气机的高温高压空气，经过热交换器冷却，再在涡轮中膨胀降温后供向座舱，涡轮功驱动风扇。缺点是随着飞行高度增加，空气密度下降、风扇负荷减小。

1.3.2 两轮升压加低压除水式

两轮升压加低压除水式两轮升压加低压除水原理如图2，由压气机引出的高温高压的空气，经过初级热交换器预冷后被压缩，再經过次级热交换器冷却后进入涡轮冷却器，最后经过低压水分器除水后进入座舱，涡轮膨胀做功的同时驱动压气机。冷凝水喷射至冲压空气风道中，由于冲压空气中水蒸气含量不饱和，冷凝水等焓蒸发并冷却冲压空气，提高换热器冷却效果和制冷效率。冲压空气流量和温度决定换热器冷却效果，因此在地面时无飞行速度，需要保障车提供冲压空气。为防止水蒸气结冰，涡轮出口空气温度不能为0℃。

1.3.3 两轮升压加高压除水式

两轮升压加高压除水系统比低压除水多了一个冷凝器和回热器。和低压除水不同的是，从次级换热器出来的空气经过回热器、冷凝器、高压水分器和回热器冷侧再进入涡轮。进入涡轮的空气在经过水分离器时被除去绝大多数水分，因此涡轮出口空气温度可降至更低，提高制冷量和制冷效率。高压分水器出来的干冷空气经回热器再热，冷凝水即使没有在分水器中分离干净，也会再热而汽化，避免液态水进入涡轮而造成损坏。

1.3.4 三轮升压加低压除水式

两轮升压制冷的缺点是地面制冷能力差，为了增强地面制冷能力发展出三轮升压式制冷系统，如图3，三轮指制冷系统包括涡轮、压气机、风扇3个旋转机械安装在一根轴上，由涡轮驱动。由于在涡轮和压气机的联轴上增加风扇，因此分配到压气机的功率下降，升压作用比二轮升压系统小，故三轮升压制冷效率比二轮升压稍低。但增加冲压空气风扇，当飞机在地面候机、滑行过程中，有足够流量的冲压空气来保证制冷效果，因此得到广泛的应用，例如波音—737、波音—747、空客—A300等机型就是采用的三轮升压加低压除水制冷系统。

1.3.5 三轮升压加高压除水式

和两轮升压加高压除水一样，次级换热器出来的空气进入回热器和冷凝器热侧冷却，高压空气中水蒸气冷凝，在高压水分器中除水，再进入回热器冷侧再热，涡轮膨胀制冷，获得干冷空气进入冷凝器冷侧再热后送入机舱。冷凝器中凝结的水滴较大，除水率达95%～98%，空气中水分低，对电子设备进行冷却时更加安全可靠，此系统使得飞机在整个飞行包线内都具有优良的性能。B757、B767、A320等民航客机及F15战斗机均采用三轮升压式加高压除水制冷系统。

1.3.6 四轮升压加高压除水式

四轮升压式加高压除水空气制冷系统如图4，是在三轮系统基础发展而来的，涡轮由一个变为两个。引气进入涡轮之前，基本过程同三轮机构类似，引气来到一级涡轮膨胀降温，再进入冷凝器冷侧以冷却热侧湿空气，升温后进入二级涡轮进一步膨胀降温，送入座舱。由于多了一级涡轮，第一级涡轮出口温度应在0℃以上，以防止进入冷凝器热侧时冷测的高湿空气结冰，而第二级涡轮出口温度则在冰点以下，获得更低送风温度，单位引气质量制冷量更大，制冷效率更高。

1.3.7 蒸发循环制冷

蒸发循环制冷是利用液态制冷剂汽化吸热给空气降温，由于制冷剂易泄露，所以早期飞机环控系统中应用较少。随着压缩式制冷技术的进步，其可靠性有很大提高。基本原理如图5所示，液体制冷剂在蒸发器吸收空气中的热量，受热蒸发，制冷剂蒸汽由压缩机压缩后，温度压力升高，在冷凝器中释放热量给热沉（冲压空气或燃油），变为液态。热交换器的目的是使蒸汽过热，液体过冷，提高制冷效率。对制冷剂要求是蒸发压力、冷凝压力适中，单位容积制冷量大，粘性低，化学性质稳定等。实际应用中常采用多级蒸发器并联使用。

1.4 加温系统

由制冷系统出来的空气温度低，需要加温到合适温度才能供给座舱。飞行高度较高时座舱内表面温度低，容易结霜结雾，影响飞行安全。此外机翼、进气道也容易结冰，因此加温系统也是飞机环控系统重要部分。常用的加温方法有旁路加温、废气加温、电热加温。旁路加温原理是初级换热器引出的气体分成两路，一路为冷路送往冷却涡轮，一路为热路送往混合室，通过流量阀控制两路空气在混合室按一定比例混合后送往座舱。废气加温是利用发动机排气余温对空气进行加热，优点是不需要额外的能量进行加温，缺点是如密封不好供向座舱的空气中会有发动机废气。电热加温是用电阻元件发热对流经空气加温，在对座舱玻璃进行加温时可将电热丝安装在玻璃夹层内，起到除霜除雾效果。

1.5 空气分配系统

空气分配的目的就是要在座舱内营造一个温度、湿度、空气流动都良好的气流组织分布，保障人员舒适性。具体要求是舱内温度均匀，温度梯度小，空气流速在人体舒适范围内，有害气体和异味杂质能快速排出。飞机座舱内气流组织分布受供排气口布局、流量、流速、送风温度等诸多因素的影响。对于军用飞机，根据实践经验，大部分空气从飞行员后方沿两侧肩部送入，一部分从两侧腰部送入，一部分从脚部送入能得到较满意的效果。供气喷口一般为扩口型以减小流速，且喷口的方向和流量可以根据个人意愿调节。对于旅客机有多种送风方式，混合通风是常用的通风系统，气流从座舱顶部和行李架的送风口送出，然后从靠近地板处的回风口排出。置换通风的送风口位于走廊底部，回风口位于座舱顶部，置换通风系统有利于提高飞机的能源利用率，但容易造成垂直温差，为了减小温差可将座舱空气与新鲜空气按比例混合后再送入座舱。个性化通风系统每个座位一个，通常安装在行李架下方或座椅扶手上，在旅客周围产生附加的空气流动，出口温度一般低于座舱空气温度5℃，用来减轻长途旅行的不适感。总体保持座舱内温度在23℃～26℃，垂直温差小于2.8℃，水平温差小于4.4℃，人员周围空气流速在0.1 m/s ～0.35m/s符合国际标准。

2 飞机环境控制系统发展趋势

随着多电飞机概念的产生，综合环境控制系统将会是飞机环控系统的发展方向。综合环境控制系统采用电动座舱增压技术，取消发动机引气，利用高速电机驱动高增压比压气机，压气机往环控管道内压气来满足环控系统引气的需求。这样可以提高发动机推力，减小代偿损失，简化结构，减少污染物排放。制冷方式采用闭式蒸发循環制冷或者蒸发循环制冷与空气循环制冷的组合，以冲压空气和机载燃油为主要热沉。数字式座舱压力调节系统凭借其优秀性能，广泛应用于大型飞机上，但军用飞机上的座舱调节压力系统仍会采用气动式，因为数字式的座舱压力调节系统在作战中很可能受到电磁干扰。引入综合热管理系统技术，优化整个飞机的热管理，利用燃油和冲压空气作为热沉，把发动机系统、航空电子系统、液压系统、防冰除雾系统、环境控制系统产生的热载荷纳入综合热管理系统，通过计算机实时监控重要部件的工作温度，合理分配冷却介质流量。

3结语

飞机环控系统的任务就是维持舱内良好的环境，保证舱内人员和电子设备正常工作，同时尽可能降低系统代偿损失。未来环境控制系统将从飞机能量综合和优化角度来设计，并且建立引气、制冷、防冰、燃油、压力调节、液压、配电等系统集成控制的一体化管理系统，全机能源与信息共享‚控制最优，代偿损失最小。

参考文献

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