民機貨艙通風系統設計研究

程湛 江娜 上海飛機設計研究院環控氧氣系統設計研究部，上海 200235

民機貨艙通風系統設計研究

程湛 江娜 上海飛機設計研究院環控氧氣系統設計研究部，上海 200235

本文闡述了民機貨艙通風系統通風量、熱載荷等設計輸入的確定，介紹了常用的通風與加熱構型及優缺點比較，并闡述了民機貨艙設計中相關適航條款的驗證思路。

民用飛機；貨艙；通風系統；熱載荷

civil aircraft；cargo； ventilation system； heat load

引言

隨著民用航空行業的發展，貨物運送要求的多樣化趨勢，民用飛機的貨艙通風系統的研究越來越受到關注，對貨艙的要求不僅僅局限于運送普通行李，有很多航空公司提供了的活物運送的服務，這就要求控制貨艙的環境以達到運送活物的要求，從而必須設計具備通風和加熱的能力的貨艙通風系統。

1.貨艙通風系統設計輸入的確定

設計貨艙通風系統需要確定的兩個重要的設計輸入為通風量和熱載荷，前者決定了通風風扇與管路的設計參數，后者則決定了加熱系統的設計參數。

1.1 貨艙通風量

一般來說，貨艙通風量并不像客艙與駕駛艙一樣，要保證人員的新鮮空氣量，對于運送動物而言，一般保證艙內換氣次數不小于每4分鐘一次[1]，因此，貨艙通風量取決于貨艙艙容，當艙容V確定后，通風量可以按q=V/4計算。

1.2 貨艙熱載荷

飛機貨艙在飛行或地面停機狀態都會與周圍環境進行熱交換，確定貨艙通風系統的制冷或加溫能力時，首先必須對貨艙與其周圍環境間的熱交換進行定量分析，以確定熱載荷的量值。貨艙熱載荷的數值是貨艙通風系統設計過程中最原始的輸入參數，它的準確程度對貨艙通風系統選型有重要的影響。

座艙熱載荷一般有一下幾種類型：結構傳熱熱載荷，透明表面輻射熱載荷，乘員和設備產生的熱載荷[1]，座艙空氣泄漏直接帶走的座艙熱量；分析貨艙的傳熱情況：由于貨艙是在飛機蒙皮內部增壓區中用內飾板、貨艙地板形成的圍護結構中，如圖1所示，不存在透明表面，也沒有人員與發熱設備的熱載荷，所以在考慮貨艙熱載荷的時候只考慮結構熱載荷的影響。

圖1 貨艙圍護結構示意圖

貨艙各個傳熱面按照其結構可分為兩種類型：

1.平板結構：貨艙的壁板、端板、天花板、地板

2.貨艙門結構

貨艙的壁板、端板、天花板、地板為平板或者曲面板狀結構，由于曲面半徑較大，且壁厚相對于曲率半徑來說相當小，故一般將其簡化成平壁處理，如圖2所示。按平壁的一維穩態傳熱方程，貨艙壁板熱載荷的計算公式可寫成Φ=KA(to-tc)，其中:

K 傳熱系數，W/(m2.℃)

A 艙壁的面積，m2

to艙壁外表面溫度，℃

tc貨艙內空氣溫度，℃

對于兩側為空氣的艙壁而言：

K=(δ/λ+1/ho+1/hc)-1

其中：

δ 艙壁厚度，m

λ 艙壁導熱系數，W/(m2.℃)

ho艙壁外對流換熱系數

hc貨艙內對流換熱系數

圖2 平板壁面傳熱示意圖

貨艙門是由外蒙皮，內蒙皮，梁，填充在梁之間絕熱材料與貨艙門內側內飾板組成，由于貨艙門同樣為大平板結構，如圖3所示，不考慮平板延伸方向的導熱，其熱阻可以看成各部分結構熱阻串并聯而成，如圖4所示。

圖3 貨艙門示意圖

其熱阻可以看成各部分結構熱阻串并聯而成，如圖4所示。

圖4 貨艙門熱阻示意圖

貨艙門處傳遞的熱載荷

其中：

A1 絕熱層面積，m2

A2 地板梁與內蒙皮面積，m2

to艙壁外表面溫度，℃

tc貨艙內空氣溫度，℃

δs外蒙皮厚度，m

λs外蒙皮導熱系數，W/(m2.℃)

δa絕熱層厚度，m

λa絕熱層導熱系數，W/(m2.℃)

δb地板梁與內蒙皮厚度，m

λb地板梁與內蒙皮導熱系數，W/ (m2.℃)

δi貨艙門內側內飾板厚度，m

λi貨艙門內側內飾板導熱系數，W/ (m2.℃)

hc貨艙內對流換熱系數

給定不同工況下貨艙內溫度以及各個傳熱面外側溫度，便可計算出每個傳熱面傳遞的熱量，各傳熱面傳遞的熱量相加可得貨艙在不同工況下的熱載荷，從而可確定貨艙的加熱功率。

2.民機貨艙通風加熱系統常見構型

2.1 貨艙通風系統常見構型

貨艙通風對空氣的清潔度與新風量的要求并不如客艙那么高，因此通常利用客艙排氣進行貨艙通風。

按照通風的動力源進行劃分，一般有兩種構型，即：

1)利用鼓風或抽風風扇抽吸客艙地板下的客艙排氣對貨艙進行通風，如圖5所示，采用這一構型的飛機主要有，波音公司的757，空中客車公司的320,340等，該方案的優點為貨艙通風系統相對獨立，開關貨艙通風不會對上下游系統造成影響；

2)從再循環風扇的下游引出管路通入貨艙，利用再循環空氣進行貨艙通風，如圖6所示，采用這一構型的飛機主要有空中客車公司的A380，龐巴迪公司的CRJ-700,CRJ-900等，該方案的優點為利用再循環系統的動力進行通風，不需要專門的風扇，因此系統重量較輕，機上空間占用較小。

2.2 貨艙加熱系統常見構型

常見貨艙加熱系統，按照加熱方式區分，一般有兩種構型，即電加熱器加熱與配平空氣加熱，系統示意圖如圖7,圖8所示。

甘茂回答說：“孔子的弟子曾參，以孝著稱。一天，魯國有一個與曾參同姓同名的人殺了人，有人告訴曾參的母親：‘曾參殺了人。’當時，他的母親正在織布，泰然自若地答：‘我的兒子不會殺人。’過了一會兒，又有一個人來說同樣的事，曾母仍神情不變。但是當第三個人告訴她曾參殺了人之后，曾母當即扔下梭子，翻墻逃跑了。

電加熱器一般由電阻發熱元件或發熱陶瓷組成，改元件對通過加熱器的空氣進行加溫，為防止當停止向加熱器供氣時加熱元件的過熱和當氣體溫度超過所需值時關閉加溫器，一般會設置過熱保護開關，在溫度超過設定值時關閉加熱器。

表1 電加熱器加熱與配平空氣加熱對比表

圖9 試驗臺架示意圖

配平空氣又稱旁路空氣，由發動機引出的熱引氣從旁路繞過制冷組件的冷卻渦輪或沖壓空氣熱交換器直接供給加熱管路實現對飛機艙體的加溫，在配平空氣管路上設置配平活門以控制加熱溫度。

為實現溫度控制，在貨艙入口或出口管路上安裝管路溫度傳感器，根據傳感器的反饋，控制電加熱器或者配平活門的開關。

兩種加熱方式的特點比較見表1：

3.民機C級貨艙通風相關適航條款淺析

一般民用客機的貨艙等級均為C級，FAR 127修正案中，與C級貨艙相關的條款主要有25.855c，25.857c和25.855i，下面就這三個條款的內容與驗證思路進行分析。

3.1 25.855c條款

25.855 c條款為：C級貨艙的天花板和側壁的襯墊必須滿足本部附錄F第III部分規定的試驗或其他經批準的等效試驗方法的要求。

而在附錄F第III部分中有如下規定：

(1)必須至少試驗3塊貨艙側壁或天花板襯墊板試樣。

(2)每一試樣必須模擬側壁或天花板襯墊板，包括其失效會影響襯墊安全包容火焰能力的任何設計特征，如接合部位，照明裝置等。

(3)施加火焰后5分鐘內，任何試樣均不得被燒穿，且在水平試樣上表面上方102毫米(4英寸)處測得的峰值溫度不得超過203℃(400°F)。

試驗臺架如圖9所示：

貨艙通風系統的組件，包括關斷活門、管路以及用于安裝活門和管路的支座等，通常布置在貨艙的側壁板或者端板上，如圖10所示，由于關斷活門與管路的安裝必須要求安裝位置的內飾板開孔以便通風，從而導致內飾板在開孔位置處失去安全包容火焰的能力，按照“每一試樣必須模擬側壁或天花板襯墊板，包括其失效會影響襯墊安全包容火焰能力的任何設計特征”的要求，貨艙通風組件的失效會影響到安裝貨艙通風組件處的內飾板的火焰包容能力，因此，需進行臺架驗證試驗表明包含貨艙通風組件的試樣在施加火焰后5分鐘內，任何試樣均不得被燒穿。

在貨艙通風系統設計中，為了能通過火焰燒穿試驗，可有兩種設計思路，一是從通風組件的材料選擇上考慮，二是從通風組件的安裝形式上考慮。

第一種設計思路：通風組件的材料選擇。參考FAR 127號修正案附錄F第3部分，火焰溫度控制在927±38℃，因此為了保證試驗的通過，可選擇熔點溫度大于965℃的材料來制造活門支座、活門以及管路，如選用不銹鋼，鈦合金等。

第二種設計思路，通風組件的安裝形式。由于貨艙通風組件中，關斷活門與管路通常為成品件，材料不能自由選擇，熔點往往達不到965℃以上，在選擇的關斷活門與管路達不到熔點要求的情況下，考慮安裝形式的設計來避免關斷活門與管路在試驗中被燒穿；在試驗臺架上，貨艙通風組件位于火焰的側面，因此考慮設計較長的活門支座或者將活門支座設計成轉角形式，避免關斷活門與管路直接面對火焰，如圖11所示。

3.2 25.857c

25.857 c規定了C級貨艙的定義：

C級貨艙或行李艙是指不符合A級和B級要求的艙，但是這類艙應具備下列條件：

圖10 貨艙通風組件安裝示意圖

圖11 貨艙通風組件安裝形式示意圖

(1) 有經批準的、獨立的煙霧探測或火警探測器系統，可在駕駛員或飛行工程師工作位置處給出警告；

(2) 有從駕駛艙處可操縱的、經批準的固定式滅火或抑制系統；

(3) 有措施阻止危險量的煙、火焰或滅火劑進入任何有機組或旅客的艙；

(4) 有控制艙內通風和抽風的措施，使所有滅火劑能抑制艙內任何可能的著火。

其中與貨艙通風相關的為(3)，(4)條，對于第(3)條，如果要阻止危險量的煙、火焰或滅火劑進入任何有機組或旅客的艙；就要求貨艙的通風系統具備隔離功能，即在通風的進出口布置關斷活門，在貨艙發生火情時能夠關斷通風。對于第(4)條，為了保證滅火劑能夠抑制艙內任何可能的著火，需能保證噴射滅火劑后貨艙內的滅火劑濃度，則要求貨艙通風系統在滅火劑噴射以后能夠關斷通風。

3.3 25.855i

25.855 i條款為：

(i) 進行上述試驗時必須表明，在滅火過程中或滅火后，任何貨艙內的煙霧探測器或火警探測器不會由于任何另一貨艙內的著火而產生誤動作，除非滅火系統同時向每個貨艙噴射滅火劑。

其中的上述試驗指的是：

(h) 必須進行飛行試驗以表明符合第25.857條中涉及下列方面的規定：

(1) 艙的可達性；

(2) 阻止危險量的煙或滅火劑進入機組艙或客艙；和

(3) C級艙內滅火劑的消散。

25.855 i條與貨艙防火與貨艙通風兩個系統同時相關；一方面，如果貨艙防火系統可以做到同時向每個貨艙噴射滅火劑，則“任何貨艙內的煙霧探測器或火警探測器不會由于任何另一貨艙內的著火而產生誤動作”可以被允許；另一方面，如果貨艙防火系統的設計無法做到同時向每個貨艙噴射滅火劑，就要求兩個貨艙在滅火過程或者滅火后能夠互相通風隔離，以保證滅火劑或者煙霧不會通過連接兩個貨艙的管路互相竄流，從貨艙通風系統設計方面考慮，就要求不能設計之間無法隔斷的串聯貨艙通風系統，即一個貨艙是以另一個貨艙的排氣作為供氣源進行通風。

4.結論

本文從民用飛機貨艙通風系統的設計輸入和設計方法的角度進行了介紹與分析，對貨艙通風系統的常用構型進行了比較與分析，當然，具體的設計參數還需通過性能計算、臺架試驗和裝機試驗等方法進行驗證與優化；對與貨艙通風相關的適航條款進行了分析，并闡述了從設計角度貫徹適航條款的要求的思路與方法。

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].第1版.北京：北京航空航天大學出版社.2004

[2]FAR 127號修正案

The calculation of flow rate and heat load of civil aircraft cargo is introduced. Common ventilation configuration and heating configuration are described and compared. Relative certification provisions and design thought is also introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.037