民航飛機空調系統研究

民航飛機空調系統研究

王 野

（吉林空港航空地面服務有限公司，吉林長春 130501）

摘 要 介紹民航飛機壓力和溫度控制方案，分析各個飛行階段壓力制度；對飛機制冷技術的現狀和發展進行研究，通過對空氣循環制冷技術分析，研究制冷機各個部件出口溫度，闡明制冷系統制冷原理，簡要概述了除水和清潔空氣方法，討論制冷技術未來發展方向。

關鍵詞 空調；壓力制度；溫度控制；空氣制冷；除水

中圖分類號：V245 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0049-03

1903年萊特兄弟設計制造了人類文明史上第一架小型民用飛機，隨著科技進步，飛機飛得越來越快，越來越高。高空缺氧氣低壓問題自然而然的顯現出來。早期飛機飛行高度低，速度小，所在高度層的空氣密度，溫度完全可以滿足機組人員和乘客的生存需要。而現在民航飛機飛行高度一般在9000米到11000米之間，位于對流層頂部和平流層底部，大氣穩定，流動很小，溫度甚至沒有變化。這些穩定的參數多民航飛機的設計非常有利。但是，此區間空氣密度小，氣溫低，氧氣不足，氣溫低至恒溫的-56℃，氣壓也僅僅為20 kPa，根本無法滿足人類生存需要。對于機組人員和旅客生存保障而引入空調系統，空調系統的功用主要有：1）保證機組和乘客的正常工作條件和生活條件；2）對電子設備冷卻；3）控制貨倉溫度壓力。空調系統具體需要調節的大氣參數有：壓力、溫度、濕度、清潔度。

1 空調系統概述

談到空調，不得不提空調系統空氣來源，現代民航客機引氣來源于發動機壓氣機高壓級引氣（發動機引氣）、地面氣源和APU引氣。引氣進入空調系統之前，通過流量控制和關斷活門保證進入管路的空氣流量恒定。同時，溫度、壓力也得到簡單的控制，保證高溫不超預設溫度、高壓不超預設壓力。

高空巡航狀態的飛機引氣來源正常選擇只有發動機引氣，發動機引氣進入空調系統之前其參數為，溫度400℉（205℃）上下、壓力僅僅保證不高于220PSI（15個標準氣壓）。以波音737NG系列飛機為例，其引氣溫度在390℉到440℉（199℃到227℃），壓力160PSI到180PSI（11到12個大氣壓）之間。對于壓力而言，一是滿足人的生活生存需求；二是控制內外壓差，防止過壓。由于引氣量通過引氣系統保證足夠且恒流量，現代飛機是對座艙壓力控制方法是控制排出氣量，達到氣壓在15PSI（一個大氣壓）左右，且不出現負壓，也就是說控制排氣活門的開度達到控制所需的氣壓。

對于溫度而言，首先，人類感覺舒適的大氣參數為溫度華氏75℉（24℃），壓力14.7PSI（一個大氣壓）。而發動機引氣特點高溫400℉，高壓200PSI，相差甚多；其次電子設備自身發熱之后也需要低溫冷卻防止過熱損壞。所以溫度控制方案是如何把已有的高溫空氣降至低溫，從而與熱空氣混合，達到我們想要的華氏75℉的空氣。換言之溫度控制的核心技術是對熱空氣進行降溫的制冷技術。民航飛機采取的制冷技術主要有空氣循環制冷和蒸發循環制冷兩種方式。

另外，大氣含有一定水分，而飛機結構為了防腐，空調系統一般只采取除水，而不采取加濕。至于干燥后造成旅客的不適一般采取飲水補充。除水技術目前已成為制冷機的一部分；空氣中同時存在各種雜質，尤其低空，難免有霧霾、沙塵等空氣污染物。而旅客機組需要的是清潔可用的空氣，電子設備的冷卻空氣也需要盡量的減少灰塵以防散熱不良。所以空調系統送出的空氣盡量減少這些污染物。

2 壓力控制

空調系統壓力控制通過控制排氣活門開度控制壓力，也就是控制排氣量。一般為了防止客艙氣壓低，我們要保證座艙壓力高度（座艙內部氣壓所對應的標準大氣壓力高度，高度越高，氣壓越低）不超過2400米（8000英尺）。并且當座艙壓力高度達到3000米（10000英尺）時，應有警告以防氣壓太低；同時，從舒適度上考慮，座艙高度上升變化率小于500英尺/分（152米/分）。下降變化率小于350英尺/分（107米/分）時；另外，防止飛機結構損壞，還要限制內外壓差，尤其避免飛機承受負壓差。達到以上的要求就要有一定的增壓規則，我們稱為壓力制度。壓力制度是壓力隨高度變化的規律，早期民航飛機采取三段式壓力制度，隨著電子式壓力控制器替代氣動式壓力控制器，現代大型客機采取可以提供更為舒適的直線式壓力制度。圖1為波音B738的壓力制度。

圖1 B738座艙壓力制度

圖1中，我們將飛行分為五個階段：地面預增壓、爬升、巡航、下降、地面不增壓。

地面預增壓控制程序是控制器輸出一個使座艙高度低于當地機場高度-189英尺的控制信號。也就是對飛機座艙預先的增壓，這個預先的增壓可以抑制起飛前大速度滑跑引起的座艙內外壓差變化；起飛之后主輪離地轉入爬升程序，預定的壓力制度控制排氣活門，控制座艙高度慢慢上升，也就是慢慢的降低座艙內部氣壓。當座艙內外壓差達到1500ft（內外氣壓高度差約為0.25psi）時，自動轉入飛行段最多運行時間的巡航程序。座艙內外壓差值這個0.25psi的提前量是為了避免飛機在巡航中由于氣流變化掉高度引起控制系統過多調節，巡航程序時飛機只要掉高度不超過1500ft，座艙內部壓力保持恒定值，座艙高度保持不變；下降程序是當座艙的內外壓差值再次出現比巡航設定值低0.25psi時，由巡航程序轉入下降程序。當飛機主輪接地起落架壓縮轉換空地信號時，此時控制系統保持座艙高度比設定的著陸場高度低-300英尺，防止過大著陸載荷引氣客艙內氣壓波動引起不適。著陸后重新執行地面預增壓程序，保持座艙高度低于著陸場地-189英尺。直到飛行員停場時選擇地面自由通風模式后直接轉入不增壓模式。

3 溫度控制

飛機的引氣是熱空氣，所以為了控制溫度，首先要制冷。制冷方式一般采取兩種，一種是早期飛機采用的蒸發循環制冷；一種是當下主流飛機使用的蒸發循環制冷。前者采取閉環控制，制冷劑通過相變帶走熱量；后者采取開環控制，制冷劑是空氣本身，通過對外做功降低熱量。endprint

3.1 制冷方式

蒸發循環制冷早期使用氨作為制冷工質，到了近現代采用氟里昂代替。其原理如圖2所示，通過一系列機械機構在蒸發器之內得到低溫液態制冷劑，與被降溫的引氣進行熱交換。其缺點是需要使用消耗性的制冷劑，從而需要更多地維護，制冷劑又對環境有較大破壞，所以這種制冷方式僅用于早期飛機。

圖2 蒸發循環制冷

空氣循環制冷系統的工質是空氣，理論基礎是逆布雷頓循環，通過高壓引氣對外做功降低內能制冷。理論上由四個熱力學過程組成：一是絕熱壓縮，此過程理論上沒有能量交換，實際過程中熵的增加也不是很多，所以我們也稱為等熵壓縮；二是等壓冷卻，此過程顧名思義，維持壓力不變，溫度降低；三是絕熱膨脹；四是等壓吸熱。由圖3中我們可以看出功和熱的傳遞方向。

圖3 空氣循環制冷原理

空氣循環制冷相比蒸發循環制冷系統有明顯的優勢：1）空氣循環制冷利用空氣為冷卻介質無毒無害，容易獲取。且制空氣在作為工質時始終是氣態，不產生相變，同時，空氣又是取之不盡用之不竭經濟實惠；2）空氣循環機工作溫度限制小，可達到-50℃甚至更低；3）空氣循環機運動部件少可靠性高，空氣作為制冷劑，無毒無害無需任何處理。封嚴要求并不苛刻，所以空氣循環制冷系統在實際工作中維護工作量低；4）由于現代民航飛機可以提供的氣壓具有高溫高壓的特性，沖壓空氣通過沖擊渦輪對外做功降溫，對空氣循環機的使用提供了有利的條件。

3.2 空氣循環制冷機

民航飛機的空調系統由高溫高壓的發動機壓縮引氣源、熱交換器、空氣循環機（ACM機）組成。首先引氣和沖壓的冷空氣在熱交換器內完成熱交換，隨后進入ACM機，ACM機就是一個把熱能轉化為機械能的裝置，核心部件是渦輪，一種空氣流過之后對外做功降溫的部件。引氣通過ACM機后本身的溫度和壓力在ACM機結構的渦輪出口得到大大降低，獲得溫度低于0℃的引氣，再與不經過ACM機的熱路引氣按一定的比例混合，之后就可以通向客艙提供舒適環境并增壓。同時一部分冷路引氣可以直接混合熱路引氣對電子設備艙冷卻。民航ACM機的工作原理相同，都是氣體通過渦輪對外做功內能減小，溫度降低。僅僅配置不同而已，一般采取以下幾種形式：簡單式、升壓式、三輪式。

3.2.1 簡單式ACM機

簡單式ACM機是最早期的應用，其組成也非常簡單：風扇、渦輪、熱交換器。如圖4所示：其原理是引氣最終通過渦輪降溫，同時對外做功。既然對外做功，做的功怎么應用？簡單式的ACM機的功耗方式是帶動同軸風扇。而風扇運轉時抽動外界的冷空氣，這部分冷空氣又可以初始冷卻熱引氣。該系統缺點是引氣做功量不多，降溫效果不明顯，效率低；再者使用高度受限，飛機飛行高度增加時，風扇負荷減小，最終導致同軸的渦輪轉速迅速增加，甚致超轉。該系統結構簡單，早期飛機廣泛應用這種形式。

圖4 簡單循環系統

3.2.2 升壓式ACM機

升壓式ACM機是對簡單ACM機進行了改進，其組成和簡單式ACM機也大體相同，就是把簡單式的風扇換成了壓縮氣體的壓氣機。渦輪輸出的功帶動的部件也就換成了壓氣機，升壓式ACM機通過壓氣機對高壓引氣再一次增加壓力，使進入渦輪引氣壓力進一步增加，解決了簡單式ACM機問題。但同時其缺點也迅速顯現，著陸停場后無沖壓空氣時熱交換器無法工作，制冷能力下降非常嚴重，只能另設電動風扇進行抽吸外界空氣冷卻，此系統是三輪式ACM機的雛形。升壓式ACM機應用民航客氣有波音727、737CL、747、757、767等。

3.2.3 三輪式ACM機

升壓式ACM機問題是著陸后性能不好，其解決辦法又是增加電動風扇，那我們為什么不能在升壓式ACM機基礎上再增加一級同軸風扇？三輪式ACM機整合了簡單ACM機和升壓式ACM機兩者的優點，如圖5所示。其組成是兩級散熱器、風扇、壓氣機、渦輪。渦輪輸出功由兩部分消耗，分別是風扇、壓氣機。二者之間能耗比氣動配平。三輪式ACM機由于存在同軸風扇、渦輪前壓氣機，即使在飛機停場期間，性能也得到了保障，所以得到廣泛應用。如歐洲空中客車的A330和A340飛機，波音737NG飛機。

三輪式ACM機通過渦輪內空氣膨脹降溫，搭配兩級散熱器能夠很好的降溫，圖6以空中客車A330飛機為例，闡述飛機三輪式循環機各個位置溫度變化。首先200℃的發動機高溫引氣經初級散熱器溫度降至120℃后進入壓氣機壓縮，壓縮后的空氣靜壓氣機溫度升至180℃，再流經主散熱器之后溫度降至70℃進入渦輪進口。最后經渦輪膨脹降溫溫度降至接近-50℃。由圖中不難看出，散熱器降溫效果明顯。甚至可以對引氣降溫50﹪。所以民航飛機由于散熱器被大氣灰塵長期累積的堵塞引起很多過熱故障。

圖6 三輪空氣循環機溫度變化曲線

由三輪式循環系統不難想到四輪ACM機，也就是在三輪式ACM機基礎上，增加一級渦輪，并且控制增加的渦輪出口溫溫度。原理同三級ACM機。四級ACM機應用于波音B777系統上。作為空調系統三級ACM機其可靠性高、故障率低，已基本滿足大多數民航要求。四級升ACM機增加渦輪的同時，也增加了運動部件渦輪，傳感器也隨之增加，同時又增加了一級熱交換器。而熱交換器過熱故障（多數為散熱器太臟引起散熱不良）是民航飛機空調故障最高的故障源。所以四級ACM機可靠性不及三級ACM機。隨著技術的更新，渦輪冷卻器可靠性最薄弱的環節軸承可以使用最新的空氣軸承代替機械軸承，運動部件的可靠性大大提高。但是散熱器大氣灰塵堵塞問題依舊很難解決。

4 空調系統除水和空氣清潔

空調除水系統是空調系統很重要的一個組成部分，水的存在最重要的隱患就是當空氣循環機冷卻之后，氣溫降至0℃以下，容易結冰堵塞管路；其二就是微生物腐蝕；其三是對重要電子設備的腐蝕。空調除水系統一般分為低壓除水系統和高壓除水系統，低壓除水就是在引氣離開渦輪后除水；高壓除水系統是引氣進入渦輪之前除水。低壓除水系統一般要求渦輪出口溫度要高于0℃，以防止除水前結冰。現在民航飛機已經淘汰這種技術，僅僅應用于早期研制的飛機上，如波音B737-600、737CL、747，空客A300、A310等。endprint

高壓除水方式是引氣進入渦輪前除水，好處是此時的引氣溫度高，速度低，空氣露點低，水分相對容易凝結析出；最重要是渦輪出口溫度不受限制，不必擔心渦輪后結冰。高壓除水方式保證了之前所討論的三輪式ACM機出口溫度降至-50℃。采用這種除水方式的飛機有波音B737-700/800/900、B757、B767、空中客車A320、A330、A340、麥克唐納-道格拉斯D12等。

空氣清潔主要采取兩種方式，這兩種方式也是并存的：一是采取氣濾，利用空氣中污染顆粒通過多層狹小縫隙后，空氣可以通過，污染物不能通過達到清潔的目的；二是利用空氣流動方向的急速改變，使雜質與空氣分離，有百葉窗式和螺旋式。

5 不足與展望

飛機空調系統的核心問題是制冷，制冷技術的不斷探索和優化推動飛機空調技術的發展，進入21世紀后，空氣循環制冷技術已經十分成熟，與高壓除水系統的結合使飛機空調系統進入嶄新的一頁。由于空氣循環機制冷效率不能完全滿足需求，三級ACM機還不能擺脫散熱器的幫助。散熱器直接與外界接觸，當今中國人倍受PM2.5考驗的同時。航空器空氣循環機散熱器也因為存積大量PM2.5而成為主要的故障源。另外，渦輪的運轉和沖壓冷卻空氣的流入流出產生很大的噪音。即使使用空氣軸承后，降噪效果明顯，但空調系統噪音依然是飛機停場后最大的噪音源。

對于散熱器清潔技術，我們可以大膽的嘗試，不應該僅限于清潔劑清洗，更應該嘗試其他技術，如超聲清洗，甚至更多其他辦法。隨著PM2.5治理力度加大，散熱器污染會進一步減小；由于科學技術的進一步發展，我們可以考慮混合制冷方式，采取閉環的蒸發循環機、開環的空氣循環制冷方式和沖壓冷空氣相結合的方式，進一步提高制冷效率；新材料的應用也必將引領新技術的革新，空調系統的可靠性提高毋庸置疑，噪音污染也會大大降低。相信有一天，航空器空調系統可以低噪音、高可靠性靜靜的為人民服務。

參考文獻

[1]任仁良/張鐵純渦輪發動機飛機結構與系統[M].北京：兵器工業出版社，2006.

[2]Amm，SDS，737-678_BEJ_SDS_D633A101-BEJ_，Feb 10/2004，rev23.

[3]Amm，SDS，777_BEJ_SDS_D633W101-BEJ_，May 05/2004，rev41.

作者簡介

王野（1983-），男，本科，畢業于中國民航大學，飛行器動力工程專業。endprint

高壓除水方式是引氣進入渦輪前除水，好處是此時的引氣溫度高，速度低，空氣露點低，水分相對容易凝結析出；最重要是渦輪出口溫度不受限制，不必擔心渦輪后結冰。高壓除水方式保證了之前所討論的三輪式ACM機出口溫度降至-50℃。采用這種除水方式的飛機有波音B737-700/800/900、B757、B767、空中客車A320、A330、A340、麥克唐納-道格拉斯D12等。

空氣清潔主要采取兩種方式，這兩種方式也是并存的：一是采取氣濾，利用空氣中污染顆粒通過多層狹小縫隙后，空氣可以通過，污染物不能通過達到清潔的目的；二是利用空氣流動方向的急速改變，使雜質與空氣分離，有百葉窗式和螺旋式。

5 不足與展望

飛機空調系統的核心問題是制冷，制冷技術的不斷探索和優化推動飛機空調技術的發展，進入21世紀后，空氣循環制冷技術已經十分成熟，與高壓除水系統的結合使飛機空調系統進入嶄新的一頁。由于空氣循環機制冷效率不能完全滿足需求，三級ACM機還不能擺脫散熱器的幫助。散熱器直接與外界接觸，當今中國人倍受PM2.5考驗的同時。航空器空氣循環機散熱器也因為存積大量PM2.5而成為主要的故障源。另外，渦輪的運轉和沖壓冷卻空氣的流入流出產生很大的噪音。即使使用空氣軸承后，降噪效果明顯，但空調系統噪音依然是飛機停場后最大的噪音源。

對于散熱器清潔技術，我們可以大膽的嘗試，不應該僅限于清潔劑清洗，更應該嘗試其他技術，如超聲清洗，甚至更多其他辦法。隨著PM2.5治理力度加大，散熱器污染會進一步減小；由于科學技術的進一步發展，我們可以考慮混合制冷方式，采取閉環的蒸發循環機、開環的空氣循環制冷方式和沖壓冷空氣相結合的方式，進一步提高制冷效率；新材料的應用也必將引領新技術的革新，空調系統的可靠性提高毋庸置疑，噪音污染也會大大降低。相信有一天，航空器空調系統可以低噪音、高可靠性靜靜的為人民服務。

參考文獻

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[2]Amm，SDS，737-678_BEJ_SDS_D633A101-BEJ_，Feb 10/2004，rev23.

[3]Amm，SDS，777_BEJ_SDS_D633W101-BEJ_，May 05/2004，rev41.

作者簡介

王野（1983-），男，本科，畢業于中國民航大學，飛行器動力工程專業。endprint

高壓除水方式是引氣進入渦輪前除水，好處是此時的引氣溫度高，速度低，空氣露點低，水分相對容易凝結析出；最重要是渦輪出口溫度不受限制，不必擔心渦輪后結冰。高壓除水方式保證了之前所討論的三輪式ACM機出口溫度降至-50℃。采用這種除水方式的飛機有波音B737-700/800/900、B757、B767、空中客車A320、A330、A340、麥克唐納-道格拉斯D12等。

空氣清潔主要采取兩種方式，這兩種方式也是并存的：一是采取氣濾，利用空氣中污染顆粒通過多層狹小縫隙后，空氣可以通過，污染物不能通過達到清潔的目的；二是利用空氣流動方向的急速改變，使雜質與空氣分離，有百葉窗式和螺旋式。

5 不足與展望

飛機空調系統的核心問題是制冷，制冷技術的不斷探索和優化推動飛機空調技術的發展，進入21世紀后，空氣循環制冷技術已經十分成熟，與高壓除水系統的結合使飛機空調系統進入嶄新的一頁。由于空氣循環機制冷效率不能完全滿足需求，三級ACM機還不能擺脫散熱器的幫助。散熱器直接與外界接觸，當今中國人倍受PM2.5考驗的同時。航空器空氣循環機散熱器也因為存積大量PM2.5而成為主要的故障源。另外，渦輪的運轉和沖壓冷卻空氣的流入流出產生很大的噪音。即使使用空氣軸承后，降噪效果明顯，但空調系統噪音依然是飛機停場后最大的噪音源。

對于散熱器清潔技術，我們可以大膽的嘗試，不應該僅限于清潔劑清洗，更應該嘗試其他技術，如超聲清洗，甚至更多其他辦法。隨著PM2.5治理力度加大，散熱器污染會進一步減小；由于科學技術的進一步發展，我們可以考慮混合制冷方式，采取閉環的蒸發循環機、開環的空氣循環制冷方式和沖壓冷空氣相結合的方式，進一步提高制冷效率；新材料的應用也必將引領新技術的革新，空調系統的可靠性提高毋庸置疑，噪音污染也會大大降低。相信有一天，航空器空調系統可以低噪音、高可靠性靜靜的為人民服務。

參考文獻

[1]任仁良/張鐵純渦輪發動機飛機結構與系統[M].北京：兵器工業出版社，2006.

[2]Amm，SDS，737-678_BEJ_SDS_D633A101-BEJ_，Feb 10/2004，rev23.

[3]Amm，SDS，777_BEJ_SDS_D633W101-BEJ_，May 05/2004，rev41.

作者簡介

王野（1983-），男，本科，畢業于中國民航大學，飛行器動力工程專業。endprint