基于機電綜合的民用飛機水廢水系統構架建模初步分析

孫鑒非　孫歡慶　喻文韜　李慶南　柴焱

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機機電綜合技術以及水廢水系統的研究現狀，然后以某型號民用飛機為例，依據該型號飛機水廢水系統的系統功能需求，進一步提取出一種基于機電綜合的水廢水系統電氣架構，最后在MATLAB仿真軟件中，建立了基于機電綜合構架的水廢水系統的初級電氣仿真模型，并初步論證了所搭建仿真模型的可行性。

【關鍵詞】水廢水；機電綜合；電氣架構分析

0 引言

水廢水系統是民用飛機機電綜合構架中的重要組成部分之一，其承擔著為數不多的，直接面相乘客的民用飛機級功能之一。整個水廢水系統構架由水系統和廢水系統兩個子系統組成。其中，水系統的功能主要為利用氣源壓力或者電空氣壓縮機產生的壓力，將機內儲藏的引用水，通過壓力供水的方式，由相關管道分配至盥洗室以及前后廚房，從而完成民用飛機飲用水儲藏、檢測、供給分配的功能。廢水系統的功能主要為利用機內外壓差或者真空發生器產生的壓力差，對機內灰水包括廚房盥洗室灰水、馬桶廢水進行機上再處理，并在航線運營完畢后，在地面進行廢水排放，從而完成民用飛機廢水處理、排放的功能，滿足航線運營時，乘客與機組人員的生理需求[1]。

1 民用飛機水廢水系統研究現狀

隨著民用飛機技術的飛速發展，乘客對民用飛機舒適性的需求也與日俱增，水廢水系統的重要性也在不斷增加。水廢水系統構架發展大致經歷了以下三個階段：人工機械操作構架、分布操作分布控制構架、機電綜合控制構架[2]。

人工機械操作構架的主要代表機型為空客A320和A319。主要工作模式為，通過人工拉動系統機械手柄，從而控制開水、閉水閥門開斷，最終實現機上飲用水與廢水的分配和排放。該系統構架相對較為落后，隨著電力電子控制技術的發展，已經逐漸被更先進的系統構架所取代[3]。分布操作分布控制構架是在人工機械操作架構的基礎上，根據系統設備在機上的分布狀況[4]，就近設置相關水廢水閥門的電子電氣控制單元。該種控制架構下，系統控制單元就近分散于所需控制設備，不僅控制單元數量多，而且各控制子系統之間綜合關系較弱，不利于對系統進行整體狀態反饋與監控。

從20世紀80年代開始，國外學者開始基于機電綜合的民用飛機控制構架，并且在A380、B787機型中已經得到了成功的應用[5]。基于機電綜合控制的水廢水系統構架，其是一種基于ARINC429、A825等數據總線構架，對分布式設備進行集中式狀態反饋、系統控制的構架，是目前最為先進、高效的系統構架。目前國內在軍機領域，已經有初步機電綜合系統設計的經驗。本文以某民用飛機水廢水系統具體功能需求為基礎，以機電綜合技術為系統構架方向，構架出某型號民用飛機水廢水系統機電綜合仿真模型。

2 基于機電綜合構架水廢水系統電氣建模初步分析

以150座級民用飛機為例，其對于水廢水系統的基本功能需求為：客艙前后各設置一個盥洗室和廚房，并在廚房和盥洗室中設置相應的電子閥門、加熱器，從而進行配合輸水管道飲用水、灰水廢水的分配、管理。水、廢水子系統共享VFMD變頻器，配合水系統的增壓發生器、廢水系統的壓差發生器和相關電子閥門，調節監控輸水、配水管道的水壓。

根據該型號民用飛機的基本功能需求，本文提出的一種基于機電綜合控制的水廢水系統構架如圖1所示。基于所提取的系統構架，在MATLAB仿真軟件中搭建的水廢水電氣仿真系統模型如圖2所示。

對于系統內部控制器與設備之間的控制邏輯與軟硬件接口規劃如下。整個水廢水系統共用一套機電綜合控制硬件、軟件模塊，該模塊可以根據飛機系統集成度，單獨在電子設備艙規劃LRU實現，也可以嵌套在航電核心控制器內部。根據水廢水系統設備在機艙內部分散分布的特點，控制模塊與系統設備之間，采用ARINC429總線，利用民用飛機航電系統分布在客艙各處的遠程數據采集裝置進行數據中轉，完成控制信號傳輸，以及設備運行狀態對控制器的反饋。由于水廢水系統的設備均為電子閥門，加熱器等簡單電子硬件設備，對控制精度要求低，對系統控制信號的實時度也沒有太多限制，并且控制系統的時間常數大，因此數字總線數據傳輸相對于硬線數據傳輸帶來的信號延遲、數據實時性等問題對水廢水系統不存在影響。相應的，由于數據總線信號傳輸技術的特點，單個條數據總線中可以分時傳輸多路數據，以ARINC429總線為例，單條A429總線可以高頻分時傳輸高達255條不同類別的信號內容，因此，采用數據總線數據進行信號傳輸，可以大大減少由于硬線信號傳輸帶來的系統線纜敷設數量，簡化系統硬件結構數量和復雜度，從根本上提高了系統硬件架構集成度，優化系統運行可靠性。

另一方面，對于系統與民用飛機其他系統的交聯接口規劃構架如下。因主流飛機航電系統內部的傳輸數據傳輸構架以及由A825進化為更為先進高效的A664總線技術。因此，在設計水廢水系統與中央維護系統，客艙顯示系統等民用飛機航電子系統的數據傳輸接口時，直接采用A664總線規范，從而完成水廢水設備運行狀態數據在客艙顯示系統的顯示，便于機組乘務員對系統運行的監控與故障反饋，同時系統的實時運行數據通過A664總線傳輸至OMS中央維護系統，為線下地面排故、飛機維護提供數據支持。直接采用A664進行水廢水系統與外部系統數據傳輸，規避了各自信號規范數據轉換時造成數據有效性和可用性的轉換錯誤，避免了各自信號規范兼容性差異，進一步提升了系統間數據交聯運行的穩定性，對整個民用飛機電氣系統的可靠性也有進一步提升。

3 結語

飛機性能指標以及運營經濟效率，是未來民用飛機研究的兩大重點。其中，機電綜合技術正是優化上述兩大目標的關鍵技術環節之一。由于我國民用飛機研究發展較晚，研究基礎也較為薄弱，在民用飛機機電綜合設計領域目前處于相對落后的位置，因此研究基于機電綜合技術的民用飛機系統，對于我國科技發展、產業轉型目標的實現均具有非常重要的戰略意義。本文在綜合國內外機電綜合技術以及水廢水系統研究現狀的基礎上，初步提出了一種基于機電綜合技術的水廢水系統構架，并初步建立了MATLAB仿真模型，后續可以針對仿真模型進一步優化參數、進行系統仿真試驗交叉驗證。

【參考文獻】

[1]張維方，肖世旭，雷美玲.民用飛機廚房廢水處理技術研究[J].民用飛機設計與研究，2009（3）：44-47.

[2]周建斌.機電綜合控制對民機水系統設計的影響[J].航空工程進展，2011（2）： 216-219.

[3]周傳記.MD_90飛機真空廢水系統設計[J].民用飛機設計與研究，2000（2）：27- 30.

[4]肖世旭.民用飛機真空式馬桶污水處理系統介紹[J].科技信息，2013（16）：405- 406.

[5]段金明.真空排污系統輸送機理及系統優化研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[責任編輯：王偉平]