飛機制冷技術發展

趙曉軍　封衛忠　劉瀟

【摘 要】20世紀40年代以來，飛機制冷技術隨著飛機工業的蓬勃發展也取得了長足的發展，從最初的簡單式空氣循環制冷發展到多種升壓循環制冷，從單一的空氣循環制冷發展到空氣/蒸發循環組合制冷，從發動機引氣制冷發展到電動環境控制系統的無引氣制冷。但我國較國外發展現狀還距有較大差距，本文通過敘述飛機制冷技術的發展過程，希望為我國的航空制冷技術的發展添磚加瓦。

【關鍵詞】飛機制冷技術 空氣循環制冷 蒸發循環制冷 電動環境控制

自20世紀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制冷系統以其體積小、重量輕、結構簡單、制冷量易調節和易維護等特點，成為飛機制冷系統的最佳選擇。空氣循環制冷技術經過數十年的發展，經歷了簡單循環制冷、升壓式二輪、三輪、四輪等多種升壓循環制冷。到了上世紀70年代之后，機載蒸發循環制冷取得了技術突破， 蒸發循環系統首先在電子設備吊艙的冷卻中取得應用 ，而后，蒸發循環制冷技術開始應用于直升機，再經過數十年的研究積累，蒸發循環制冷技術終于應用于軍用戰斗機。在多電/全電飛機發展的思想指引下，多電飛機取得了技術突破，無引氣的電動環境控制系統在民用客機上得到了應用。

1簡單式循環制冷系統

簡單式空氣循環制冷系統由熱交換器和高速渦輪組成，系統結構簡單，重量較輕。其工作原理是從發動機壓氣機引出的高溫高壓空氣，經過壓力調節裝置后，流入熱交換器，散熱給沖壓空氣實現冷卻，然后進入冷卻渦輪通過膨脹冷卻進一步降溫，最后供給座艙進行溫度調節，原理圖見圖1。系統中渦輪所驅動的風扇只單純作為耗能和抽風的工具，不具有增壓功能，所以系統的供氣壓力不能太低。也正由于風扇的抽吸作用，使得飛機在地面停機狀態下，系統同樣有冷卻作用。簡單式循環制冷系統具有以下特點：（1）風扇在渦輪輸出功的驅動下，對熱交換器冷邊的沖壓空氣產生抽吸，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，二者在飛機上設計部位比較靈活；（3）發動機引氣壓力對渦輪通風式制冷系統的影響較大，因而系統制冷量會隨著發動機在高空引氣壓力的降低而變小；（4）由于風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，風扇端負荷也相應減小，使渦輪轉速增快，達到某一高度時渦輪會超轉，這使得渦輪通風式制冷系統的使用高度受到限制。簡單式空氣循環制冷系統被許多機種，尤其是軍用機上，得到了廣泛應用。如英美的F101、F-5E等戰斗機、B-52、B-57等轟炸機、慧星4C旅客機，蘇聯早期的各種機型大部分都采用了這種系統。

2升壓式空氣循環制冷系統

升壓式空氣循環制冷系統又可稱為渦輪壓氣機制冷系統。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組件等組成。升壓式制冷系統原先用于活塞式飛機，其增壓源為發動機驅動的離心式或羅茨型壓縮機。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動的壓氣機進一步壓縮，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。

與渦輪通風式制冷系統相比，升壓式制冷系統的缺點是：飛機在地面停機狀態或起飛滑跑時，系統制冷能力很小。克服這一缺點有兩個方法：一是用電機傳動或渦輪驅動專用通風機，二是從發動機壓氣機直接引氣的引射器，引射冷卻空氣。

在英美飛機，尤其是旅客機上，升壓式制冷系統被廣泛應用。除了旅客機，這種制冷系統也廣泛地應用于戰斗機F-14、轟炸機B-1等機型。

3三輪升壓循環制冷系統

為了彌補二輪升壓式制冷系統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。研究發現：二輪升壓式制冷渦輪在地面雖有制冷能力，但循環效率非常低，渦輪發功的功率只有15%用于驅動冷卻空氣風扇，其余功能不僅被浪費，而且會導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效率，人們將升壓式和簡單式組合起來，構成升壓式-渦輪通風式組合制冷系統。這類系統被稱為三輪升壓式空氣循環制冷系統，它的基本形式和工作原理如圖3，其結構特點是：冷卻空氣風扇和升壓式壓氣機安裝在一根軸上，用渦輪來驅動。三輪升壓式空氣循環制冷系統的特點是：（1）供氣壓力小，節省功率，而且彌補了二輪升壓式制冷系統地面制冷能力差的缺點；（2）由于升壓式壓氣機吸收了大部分（85%左右）渦輪功率，故還可以防止制冷裝置過速。三輪式制冷系統是空氣循環制冷系統的一次重要革新，它在現代旅客機上得到了廣泛應用，例如波音-747和DC-10等。

4四輪渦輪升壓循環制冷系統

四輪升壓循環系統是在三輪升壓循環系統的增加了第二級渦輪改進而來的。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冰，同時更好地降低了供給座艙的供氣溫度，增強了系統的制冷能力。表1是三輪系統與輪系統主要部件的重量。從表中可看出，四輪系統的總重要比三輪系統輕27kg。

四輪循環系統比三輪系統有著更更高的循環制冷效率、更強的制冷能力和更高的可靠性，在大飛機環控系統中具有很廣闊的應用前景。波音B777與空客A380旅客機采用這種新型四輪升壓循環系統。

5蒸發循環制冷系統

航空電子電子設備吊艙體積小、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70年代美國開始研制機載蒸發循環制冷系統用于電子吊艙的冷卻，系統的制冷量大約為3kW～5kW量級。由于機載蒸發循環制冷技術的進步、密封工藝水平的提高，使其具備了在固定翼飛機上裝機使用的條件。目前采用蒸發循環制冷技術最成熟的案例就是美國最先進的戰斗機F-22飛機，該機采用蒸發循環制冷和空氣循環制冷相組合的方法去實現座艙和電子設備的冷卻：F-22飛機如圖5包括兩個分離的電子艙及一個座艙，電子艙l（熱負荷較大，約為50kW）采用蒸發循環制冷的液體冷卻方式，電子艙2（熱負荷小，約為5kW）和座艙（熱負荷約為5kW）則采用空氣循環制冷。

6多電飛機制冷系統

由于多電環控系統的技術發展，在商用客機的環控系統上開始出現了電動環境控制系統。"夢幻客機"波音787是第一個使用電動環境控制系統的大型商用飛機。該機在環控系統方面應用了四項新技術：第一項是取消從發動機引氣；第二項是采用新型數字式座艙壓力調節系統；第三項是選擇了新型電熱機翼防冰系統；第四項是采用電動環控系統。在這四項新技術中，最具影響的技術革新是它取消了發動機引氣。取消發動機引氣的電動環境控制系統在飛機設計布局中具有更大的靈活性和更強的適應能力，并提高發了發動機的熱力循環效能。圖6是電動環境控制系統示意圖。未來多電/全電大型飛機發展過程中，無引氣的電動環境控制系統必將是環境控制系統的發展方向。

7結語

航空制冷技術經過70多年的發展，取得了非凡的成績：空氣循環制冷技術日益完善，代償損失進一步降低，制冷性能進一步提高；機載蒸發循環制冷取得了巨大進步，已經成功應用于戰斗機；多電技術的新發展，使得無引氣多電環境控制系統成功裝機驗證，取得了非常好的效果。我國較國外發展現狀還距有較大差距，為了加快我國的航空制冷技術發展，筆者提出幾點建議：（1）在直升機制冷方案設計中，優先考慮機載蒸發循環制冷，加強機載壓縮機、高效緊湊式換熱器的研發攻關；（2）在下一代先進戰斗機制冷方案規劃中，重點考慮空氣循環-蒸發循環相結合的方案，減少沖壓空氣的應用，合理規劃好燃油冷沉的應用；（3）在民用客機制冷技術發展中，以多電（全電）飛機發展為方向，進行閉式循環制冷技術研究，研發出我國自己的電動無引氣環境控制系統。

參考文獻：

[1] 李武奇，唐伯清，張均勇，張小松.蒸汽壓縮式制冷系統在航空中的應用.飛機設計，2008.4：73-76.

[2] 林韶寧，夏葵，李軍，孫燁，侯予，陳純正.空氣制冷機在飛機空調系統中的應用.流體機械，2004.32（10）：46-49.

[3] 路多，胡文超.新一代干線客機A380和波音787的環境控制系統.航空科學技術，2005.2：17-19.