民用飛機空調系統設計需求分析

肖曉勁 林石泉 袁建新 吳成云

上海飛機設計研究院

民用飛機空調系統為民用飛機提供健康、安全和舒適的艙室環境，本文介紹了機載系統設計需求分析方法，對民用飛機空調系統的設計和需求分析過程進行了初步研究。

空調系統是民用飛機的一個重要機載系統，其主要作用是為機上成員提供健康、安全和舒適的環境，并滿足機載設備對工作環境溫度的要求。空調系統的設計方案，由飛機對空調系統的需求決定。在民用飛機概念設計和規劃論證階段，只有正確實施空調系統設計需求分析，才能將飛機的需求完整傳遞給空調系統，從而為空調系統方案的確定、研發和驗證打下堅實基礎。

設計需求分析概述

設計需求分析的概念起源于系統工程。隨著對其關鍵地位與作用的認識日趨深入，設計需求分析的概念目前已經在科技創新、產品型號設計、行業發展規劃、體系建設等領域得到越來越廣泛的應用。民用飛機機載系統的復雜性要求采用系統工程的概念來確保獲得可生產、可使用和有保障的機載系統，并滿足功能的要求。

目前，設計需求分析過程無權威和統一的方法，較為常見的方法有：預測分析法、運籌分析法、技術經濟法、評價分析法、邏輯分析法、層次分析法、費用獨立變量法、灰色關聯分析法、質量功能配置法和系統分析法等。綜合各種方法在適用性、直觀性、受主觀影響程度、對早期信息的依賴性、對先前經驗的依賴性、時間成本、經濟型、可靠性和運用難度等方面的優劣，民用飛機空調系統技術需求分析宜采用系統分析法。

按照系統分析方法，系統設計需求分析的基本步驟如下：

（1）需求的捕獲。需求捕獲是收集、獲取、發掘客戶需求的過程，是需求工程的核心，也是民用飛機型號研制過程中最困難、最關鍵、最容易出錯的環節。

（2）需求的識別。需求識別是理解和正確表達客戶需求的過程。將捕獲的需求加以仔細甄別，忽略與型號研制無直接關系的需求，提取出客戶關于型號研制的真實要求，并完成客戶確認過程。

（3）需求的定義與歸類。需求定義是將識別出與型號研制直接相關的需求以書面、工程化的語言固定下來的過程。需求有多種類別，將需求劃定為不同的類別，以便型號研制的不同階段、不同專業使用。

（4）功能分解。功能是指由某項系統組成要素完成的某項特性活動。功能分解就是要從明確頂層功能（飛機級功能）開始，最終把這些功能分配到系統組成要素上去。系統組成要素則是指硬件、軟件、設施、人員、程序性資料或其任意組合。在考慮通用化、系列化、模塊化的基礎上，民用飛機空調系統功能分解工作的重要內容是在給定的任務目標（需求和功能要求）和約束條件（標準限值）下，確定空調系統技術要求，構造空調系統方案，并以可承受的費用滿足進度要求。

民用飛機與系統功能的分解與傳遞

功能分解與傳遞以一種自上而下的方法進行，把飛機分解成一個個功能區，每個區實現飛機基本功能分配給它的那部分功能，確定功能區之間的界面和接口，這些功能區和接口集中起來構成該層次系統的完整描述。一個層次上的各個功能區可以再分解為更低層次功能區，功能分解一直進行到最低層次。功能分解產生的各級技術要求隨之傳遞給下一層次。

空調系統的設計應滿足飛機對空氣環境的需求和功能要求。基于系統分析的理念，通過民用飛機設計需求分析，可將飛機級功能逐步分解，例如可分為基礎功能、功能和子功能等3 個層級。功能分解沒有統一的方法，但應滿足如下原則（這些原則也同樣適用于系統級功能的進一步分解）：

（1）確保功能完整性；

（2）盡量減少功能層級；

（3）盡量減少功能的重疊和交叉。

通常，空調系統直接服務于“控制飛機座艙內部環境”的飛機級功能，由此派生出實現座艙壓力調節、座艙溫度控制、座艙通風和空氣品質控制等4 項飛機級子功能。這些飛機級功能要求傳遞給空調系統，使空調系統應該具備以下主要的系統級功能：

（1）座艙增壓及壓力控制：為座艙增壓區域提供充足的增壓空氣，保持合理的座艙壓力，在最大使用高度范圍內可手動或自動調節座艙壓力及座艙壓力變化率；

③對于那些建成在年以下的建筑區域，其負荷在短時間內不會發生太大的變化，也可以參照5年以上的建筑區域進行電力負荷的預測。對工業負荷的預測需要注意的是，工業負荷的預測應根據該城市截止到預測年份的工業規劃來進行，要充分結合城市中的工業規劃分布。如果在未來幾年城市的工業沒有明顯的增加，那么，就可以采用工業用電用戶上報的裝容量數據對工業電力負荷進行預測。

（2）提供新鮮空氣，控制污染物濃度：為乘員提供充足的、無污染的新鮮空氣；

（3）座艙通風：為乘員提供舒適的溫度環境，為機載設備提供合適的工作溫度；

（4）座艙空氣再循環：利用循環空氣，最大限度減少發動機引氣代償損失；

（5）座艙溫度控制：保證正常運行時的座艙環境空氣溫度的設定和實現，在冷天或熱天環境下快速實現座艙升溫或冷卻；

（6）應急操作：具有在應急狀態（例如座艙產生煙霧）下保護乘員安全的應急工作方法；

（7）提供系統工作信息：通過信號指示、控制面板及告警燈等，向機組人員提供系統的工作狀態和告警信息等。

空調系統主要設計需求的類別

安全性要求

由于涉及飛行和旅客安全，因此空調系統的安全性需求是由飛機強制決定的，主要包括：維持座艙增壓、座艙溫度控制和座艙通風。適航規章及相關文件對安全性要求進行了明確規定，詳見運輸類飛機適航標準CCAR-25.831、25.832、25.841 和25.843 條 款 及 咨 詢 通 告AC25-20。但由于適航規章僅規定了航空產品的最低安全標準，若要使民用飛機產品具有較強的綜合市場競爭力，滿足更高的安全性要求是途徑之一。例如，Boeing 公司針對200～250 座的客機市場推出了全新理念的“夢幻飛機”Boeing-787 將座艙壓力高度限制在6000ft 以下，從而可以營造比大多數客機更為舒適的座艙壓力環境，這也成為其主要賣點之一。

客戶需求

客戶通常要求系統采用高度成熟的產品，盡量提高經濟性和維護性，降低使用成本。另外，客戶基于商業運營的特定需要，往往對飛機功能和空調系統設計會提出一些定制需求，例如貨艙運載活物、飛機滿足高原起降要求等。

運行需求

空調系統應滿足飛行機組在各種使用和操控要求，其控制面板和監視器應與系統的各項功能相適應，滿足系統功能關斷、調節、協同或獨立工作等要求。另外，空調系統應具有機上自檢、顯示和監控功能，用以檢查系統運轉是否正常、表明其功能實現程度和系統狀態、判斷可能的故障原因。此外，系統設計時還應考慮未來可能發生故障的情況，在設計允許的條件下增設防錯或故障隔離裝置，并為運行和維護人員提供方法判別其故障并進行維修。

性能需求

根據上文所述飛機傳遞給空調系統的4 項子功能要求，空調系統的主要性能需求可按3 個層級劃分，如圖1 所示。

物理安裝需求

物理和安裝需求將空調系統物理屬性與飛機環境聯系起來，包括：尺寸、安裝規定、動力、冷卻、環境約束、可視程度、可達性、判斷、處理和儲存等多種要素。

可維護性需求

圖1 空調系統性能需求示意

民用飛機空調系統及其設備必須具有良好的可維護性。系統設備盡量設計成航線可更換單元（LRU）形式，以便于維修更換，提高航班的簽派率。同時，空調系統應具有良好的自檢和信息反饋措施，以方便維護人員對系統進行日常維護和排故。

接口需求

空調系統的正常工作需要與之相交聯系統的配合。系統之間應有完整可靠的接口定義，以劃分出設計界面，同時有利于飛機級功能的分配。這些接口信息應能被飛行機組監控。

附加審定需求

適航規章和AC 除對空調系統設計的強制要求之外，還規定了一些空調系統表明適航符合性的程序、方法和工具，主要文件包括AP-21-03《航空器型號合格審定程序》、AP-21-05《民用航空產品和零部件適航證件的頒發和管理程序》、AP-21-06《民用航空材料、零部件和機載設備的合格審定程序》、AC25-20《Pressurization，Ventilation and Oxygen Systems Assessment for Subsonic Flight including High Altitude Operation》、AC25-22《Certification of Transport Airplane Mechanical Systems》和AC25.1309-1A《系統設計和分析》等。

衍生需求

為了滿足空調系統需求，設計研發活動進行的一些決策和產生的結果會成為下一階段設計研發工作的需求，即衍生需求。由于衍生需求來自于設計研發活動本身，因此空調系統衍生需求與特定型號的研制過程有關，并無統一模式。

結語

本文對民用飛機空調系統的設計和需求分析過程進行了研究，初步梳理出空調系統的設計需求。