飛機(jī)制冷技術(shù)發(fā)展

趙曉軍　封衛(wèi)忠　劉　瀟

（中國飛行試驗研究院，陜西西安　710089）

飛機(jī)制冷技術(shù)發(fā)展

趙曉軍封衛(wèi)忠劉瀟

（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

20世紀(jì)40年代以來，飛機(jī)制冷技術(shù)隨著飛機(jī)工業(yè)的蓬勃發(fā)展也取得了長足的發(fā)展，從最初的簡單式空氣循環(huán)制冷發(fā)展到多種升壓循環(huán)制冷，從單一的空氣循環(huán)制冷發(fā)展到空氣/蒸發(fā)循環(huán)組合制冷，從發(fā)動機(jī)引氣制冷發(fā)展到電動環(huán)境控制系統(tǒng)的無引氣制冷。但我國較國外發(fā)展現(xiàn)狀還距有較大差距，本文通過敘述飛機(jī)制冷技術(shù)的發(fā)展過程，希望為我國的航空制冷技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。

飛機(jī)制冷技術(shù)空氣循環(huán)制冷蒸發(fā)循環(huán)制冷電動環(huán)境控制

自20世紀(jì)40年代以來，由重量較輕的透平渦輪和高效緊湊式換熱器組成的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)以其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制冷量易調(diào)節(jié)和易維護(hù)等特點，成為飛機(jī)制冷系統(tǒng)的最佳選擇。空氣循環(huán)制冷技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，經(jīng)歷了簡單循環(huán)制冷、升壓式二輪、三輪、四輪等多種升壓循環(huán)制冷。到了上世紀(jì)70年代之后，機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷取得了技術(shù)突破， 蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)首先在電子設(shè)備吊艙的冷卻中取得應(yīng)用，而后，蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)開始應(yīng)用于直升機(jī)，再經(jīng)過數(shù)十年的研究積累，蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)終于應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗機(jī)。在多電/全電飛機(jī)發(fā)展的思想指引下，多電飛機(jī)取得了技術(shù)突破，無引氣的電動環(huán)境控制系統(tǒng)在民用客機(jī)上得到了應(yīng)用。

圖1　簡單循環(huán)制冷系統(tǒng)

圖2　二輪升壓循環(huán)系統(tǒng)

圖3　三輪升壓循環(huán)制冷系統(tǒng)

1　簡單式循環(huán)制冷系統(tǒng)

簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)由熱交換器和高速渦輪組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕。其工作原理是從發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)引出的高溫高壓空氣，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)裝置后，流入熱交換器，散熱給沖壓空氣實現(xiàn)冷卻，然后進(jìn)入冷卻渦輪通過膨脹冷卻進(jìn)一步降溫，最后供給座艙進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，原理圖見圖1。系統(tǒng)中渦輪所驅(qū)動的風(fēng)扇只單純作為耗能和抽風(fēng)的工具，不具有增壓功能，所以系統(tǒng)的供氣壓力不能太低。也正由于風(fēng)扇的抽吸作用，使得飛機(jī)在地面停機(jī)狀態(tài)下，系統(tǒng)同樣有冷卻作用。簡單式循環(huán)制冷系統(tǒng)具有以下特點：（1）風(fēng)扇在渦輪輸出功的驅(qū)動下，對熱交換器冷邊的沖壓空氣產(chǎn)生抽吸，加大了冷邊沖壓空氣流速、流量，提高了換熱器的換熱效率；（2）冷卻渦輪和換熱器的安裝不需要成對組裝，二者在飛機(jī)上設(shè)計部位比較靈活；（3）發(fā)動機(jī)引氣壓力對渦輪通風(fēng)式制冷系統(tǒng)的影響較大，因而系統(tǒng)制冷量會隨著發(fā)動機(jī)在高空引氣壓力的降低而變小；（4）由于風(fēng)扇直接在大氣條件下工作，空氣密度隨著飛行高度的增加而變小，風(fēng)扇端負(fù)荷也相應(yīng)減小，使渦輪轉(zhuǎn)速增快，達(dá)到某一高度時渦輪會超轉(zhuǎn)，這使得渦輪通風(fēng)式制冷系統(tǒng)的使用高度受到限制。簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)被許多機(jī)種，尤其是軍用機(jī)上，得到了廣泛應(yīng)用。如英美的F101、F-5E等戰(zhàn)斗機(jī)、B-52、B-57等轟炸機(jī)、慧星4C旅客機(jī)，蘇聯(lián)早期的各種機(jī)型大部分都采用了這種系統(tǒng)。

圖4　四輪升壓循環(huán)制冷系統(tǒng)

圖5　F-22飛機(jī)ECS/TMS系統(tǒng)原理圖

圖6　電動環(huán)境控制系統(tǒng)示意圖

表1　三輪系統(tǒng)與四輪系統(tǒng)主要部件重量比較

2　升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)又可稱為渦輪壓氣機(jī)制冷系統(tǒng)。其基本形式如圖2，它由初級熱交換器、次級熱交換器和渦輪壓氣機(jī)組件等組成。升壓式制冷系統(tǒng)原先用于活塞式飛機(jī)，其增壓源為發(fā)動機(jī)驅(qū)動的離心式或羅茨型壓縮機(jī)。這種增壓源出口壓力較低。為了保證座艙增壓和獲得足夠的冷卻能力，將增壓源供出的空氣用冷卻渦輪驅(qū)動的壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，再通過是間冷卻器，送至冷卻渦輪制冷。此時渦輪膨脹比較大，故溫降也較大。

與渦輪通風(fēng)式制冷系統(tǒng)相比，升壓式制冷系統(tǒng)的缺點是：飛機(jī)在地面停機(jī)狀態(tài)或起飛滑跑時，系統(tǒng)制冷能力很小。克服這一缺點有兩個方法：一是用電機(jī)傳動或渦輪驅(qū)動專用通風(fēng)機(jī)，二是從發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)直接引氣的引射器，引射冷卻空氣。

在英美飛機(jī)，尤其是旅客機(jī)上，升壓式制冷系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。除了旅客機(jī)，這種制冷系統(tǒng)也廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)F-14、轟炸機(jī)B-1等機(jī)型。

3　三輪升壓循環(huán)制冷系統(tǒng)

為了彌補(bǔ)二輪升壓式制冷系統(tǒng)地面制冷能力差的缺點，人們開始分析制約二輪升壓式制冷能力。研究發(fā)現(xiàn)：二輪升壓式制冷渦輪在地面雖有制冷能力，但循環(huán)效率非常低，渦輪發(fā)功的功率只有15%用于驅(qū)動冷卻空氣風(fēng)扇，其余功能不僅被浪費，而且會導(dǎo)致冷卻空氣壓力和溫度升高，不利于制冷效率。為提高升壓式制冷系統(tǒng)效率，人們將升壓式和簡單式組合起來，構(gòu)成升壓式-渦輪通風(fēng)式組合制冷系統(tǒng)。這類系統(tǒng)被稱為三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，它的基本形式和工作原理如圖3，其結(jié)構(gòu)特點是：冷卻空氣風(fēng)扇和升壓式壓氣機(jī)安裝在一根軸上，用渦輪來驅(qū)動。三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的特點是：（1）供氣壓力小，節(jié)省功率，而且彌補(bǔ)了二輪升壓式制冷系統(tǒng)地面制冷能力差的缺點；（2）由于升壓式壓氣機(jī)吸收了大部分（85%左右）渦輪功率，故還可以防止制冷裝置過速。三輪式制冷系統(tǒng)是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的一次重要革新，它在現(xiàn)代旅客機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，例如波音-747和DC-10等。

4　四輪渦輪升壓循環(huán)制冷系統(tǒng)

四輪升壓循環(huán)系統(tǒng)是在三輪升壓循環(huán)系統(tǒng)的增加了第二級渦輪改進(jìn)而來的。如圖4實際工作過程中，第一級渦輪出口的溫度可控制在零點以上，這樣有效防止了換熱器結(jié)冰，同時更好地降低了供給座艙的供氣溫度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的制冷能力。表1是三輪系統(tǒng)與輪系統(tǒng)主要部件的重量。從表中可看出，四輪系統(tǒng)的總重要比三輪系統(tǒng)輕27kg。

四輪循環(huán)系統(tǒng)比三輪系統(tǒng)有著更更高的循環(huán)制冷效率、更強(qiáng)的制冷能力和更高的可靠性，在大飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中具有很廣闊的應(yīng)用前景。波音B777與空客A380旅客機(jī)采用這種新型四輪升壓循環(huán)系統(tǒng)。

5　蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

航空電子電子設(shè)備吊艙體積小、熱載荷大，單位面積熱注密度大，為了滿足其冷卻需求，上世經(jīng)70年代美國開始研制機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)用于電子吊艙的冷卻，系統(tǒng)的制冷量大約為3kW～5kW量級。由于機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)的進(jìn)步、密封工藝水平的提高，使其具備了在固定翼飛機(jī)上裝機(jī)使用的條件。目前采用蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)最成熟的案例就是美國最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)F-22飛機(jī)，該機(jī)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷和空氣循環(huán)制冷相組合的方法去實現(xiàn)座艙和電子設(shè)備的冷卻：F-22飛機(jī)如圖5包括兩個分離的電子艙及一個座艙，電子艙l（熱負(fù)荷較大，約為50kW）采用蒸發(fā)循環(huán)制冷的液體冷卻方式，電子艙2（熱負(fù)荷小，約為5kW）和座艙（熱負(fù)荷約為5kW）則采用空氣循環(huán)制冷。

6　多電飛機(jī)制冷系統(tǒng)

由于多電環(huán)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，在商用客機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)上開始出現(xiàn)了電動環(huán)境控制系統(tǒng)。“夢幻客機(jī)”波音787是第一個使用電動環(huán)境控制系統(tǒng)的大型商用飛機(jī)。該機(jī)在環(huán)控系統(tǒng)方面應(yīng)用了四項新技術(shù)：第一項是取消從發(fā)動機(jī)引氣；第二項是采用新型數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；第三項是選擇了新型電熱機(jī)翼防冰系統(tǒng)；第四項是采用電動環(huán)控系統(tǒng)。在這四項新技術(shù)中，最具影響的技術(shù)革新是它取消了發(fā)動機(jī)引氣。取消發(fā)動機(jī)引氣的電動環(huán)境控制系統(tǒng)在飛機(jī)設(shè)計布局中具有更大的靈活性和更強(qiáng)的適應(yīng)能力，并提高發(fā)了發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)效能。圖6是電動環(huán)境控制系統(tǒng)示意圖。未來多電/全電大型飛機(jī)發(fā)展過程中，無引氣的電動環(huán)境控制系統(tǒng)必將是環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

7　結(jié)語

航空制冷技術(shù)經(jīng)過70多年的發(fā)展，取得了非凡的成績：空氣循環(huán)制冷技術(shù)日益完善，代償損失進(jìn)一步降低，制冷性能進(jìn)一步提高；機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷取得了巨大進(jìn)步，已經(jīng)成功應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)；多電技術(shù)的新發(fā)展，使得無引氣多電環(huán)境控制系統(tǒng)成功裝機(jī)驗證，取得了非常好的效果。我國較國外發(fā)展現(xiàn)狀還距有較大差距，為了加快我國的航空制冷技術(shù)發(fā)展，筆者提出幾點建議：（1）在直升機(jī)制冷方案設(shè)計中，優(yōu)先考慮機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷，加強(qiáng)機(jī)載壓縮機(jī)、高效緊湊式換熱器的研發(fā)攻關(guān)；（2）在下一代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)制冷方案規(guī)劃中，重點考慮空氣循環(huán)-蒸發(fā)循環(huán)相結(jié)合的方案，減少沖壓空氣的應(yīng)用，合理規(guī)劃好燃油冷沉的應(yīng)用；（3）在民用客機(jī)制冷技術(shù)發(fā)展中，以多電（全電）飛機(jī)發(fā)展為方向，進(jìn)行閉式循環(huán)制冷技術(shù)研究，研發(fā)出我國自己的電動無引氣環(huán)境控制系統(tǒng)。

［1］李武奇，唐伯清，張均勇，張小松.蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在航空中的應(yīng)用.飛機(jī)設(shè)計，2008.4：73-76.

［2］林韶寧，夏葵，李軍，孫燁，侯予，陳純正.空氣制冷機(jī)在飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用.流體機(jī)械，2004.32（10）：46-49.

［3］路多，胡文超.新一代干線客機(jī)A380和波音787的環(huán)境控制系統(tǒng).航空科學(xué)技術(shù)，2005.2：17-19.