直升機環境控制系統應用現狀分析

彭孝天，王蘇明，王晨臣，馮詩愚

（南京航空航天大學，南京210016）

近年來，直升機在執法、救護、農業、軍事、運輸等方面的應用越來越廣泛[1]。伴隨著直升機技術的革新，機載大功率電子設備逐漸增多，且司乘人員對機艙的舒適性要求日益提高，直升機環控系統的重要性越來越突出。國外高性能的民用及軍用直升機均裝備了性能較完善的環控系統，而國內起步較晚，因此發展配套的直升機環控系統具有重要意義。

與固定翼飛機相比，直升機飛行高度較低，飛行速度較慢，且不需要座艙增壓。另外，直升機環控系統一般加裝在已經設計完成并已經生產的機型上。而在設計之初，多數直升機并沒有考慮環控系統的代償損失，因而在設計直升機環控系統時，應盡可能在降低系統重量的同時提高系統效率[2]。本文對直升機環控系統的各類制冷系統、制熱系統進行了總結與分析，為給國內直升機加裝環控系統提供借鑒。

1 直升機加熱系統

常見的直升機加熱系統除了發動機引氣直接供熱外，還有內部燃燒加熱、廢氣加熱、電加熱等方式[3]。

1.1 內部燃燒加熱

加溫器由內外2個室組成，燃料與空氣的混合物進入燃燒室燃燒。來自大氣或座艙的空氣進入外室與爐壁換熱，被加熱后送入座艙。圖1為這種加熱方式的原理圖。

1.2 廢氣加熱

空氣經過帶有縱向肋片的內管，被發動機排出的廢氣加熱升溫后送入座艙，原理圖如圖2所示。

圖1 內部燃燒加熱原理圖Fig.1 Schematic diagram of internal combustion heating

圖2 廢氣加熱原理圖Fig.2 Schematic diagram of exhaust heating

1.3 電加熱

電加溫器主要由電阻元件組成，電阻元件對通過加溫器的沖壓空氣進行加熱。原理圖如圖3所示。

圖3 電加熱原理圖Fig.3 Schematic diagram of electric heating

1.4 加熱系統的比較

常見加熱系統的性能比較見表1。

表1 常見加熱系統的性能比較Tab.1 Comparison of performances of common heating systems

由于發動機引氣加熱技術簡單可靠，且在固定翼飛機中應用較成熟。故目前直升機加熱系統大多選用發動機引氣直接加熱的方式。

2 直升機制冷系統

飛行器環境制冷系統主要有空氣循環系統和蒸發循環系統2大類[4]。

2.1 空氣循環制冷系統

空氣循環系統由于對溫度、壓力控制高效、設備質量輕，目前被廣泛應用于固定翼飛機中。它主要是由發動機帶動的座艙增壓器或者由主發動機引出的空氣作為供給空氣。高壓空氣經過熱交換器初步冷卻后再經過冷卻渦輪進行膨脹降溫，由此獲得所需的冷空氣，冷卻渦輪帶動壓氣機、風扇、泵或其他裝置，將熱能轉換為可用功。直升機空氣循環制冷系統主要借鑒固定翼飛機上制冷系統的成功經驗，其主要包括簡單式、升壓式及三輪式3種形式[5-6]。

2.1.1 簡單式空氣循環制冷系統

圖4為簡單式空氣循環的原理圖，發動機引氣首先經過熱交換器，利用沖壓空氣對其進行初步降溫。然后進入渦輪，膨脹降溫后送入座艙。這種系統的缺點是需要的引氣壓力較高。

圖4 簡單式空氣循環原理圖Fig.4 Schematic diagram of simple air cycle diagram

2.1.2 升壓式空氣循環制冷系統

升壓式空氣循環系統如圖5所示。

圖5 升壓式空氣循環原理圖Fig.5 Schematic diagram of boosting air circulation

與簡單式不同的是，這種系統增加一個由渦輪帶動的壓氣機，可以用在供氣壓力受限情況下，使渦輪前的供氣壓力進一步提高，從而獲得更大的渦輪降溫。發動機引氣先經過初級熱交換器預冷，后被壓氣機壓縮后經過第二級熱交換器，然后進入冷卻渦輪。在冷卻渦輪中膨脹到所需的座艙空氣壓力，同時，渦輪將熱能轉換為軸功并用來帶動壓氣機。

2.1.3 三輪式空氣循環制冷系統

三輪式是簡單式與升壓式組合的空氣循環制冷系統，因為其冷卻裝置中的同一根軸上有渦輪、壓氣機和風扇三個輪子，由渦輪膨脹冷卻時的軸功帶動壓氣機和風扇，所以稱作三輪式。三輪式系統提高了直升機地面停機和低速飛行時的制冷效率，提高了能量的利用率[7]。原理圖如圖6所示。

圖6 三輪式空氣循環原理圖Fig.6 Schematic diagram of three wheeled air circulation

2.2 蒸發循環制冷系統

蒸發循環制冷系統在作用原理上為熱泵，即把熱從低溫取出并把它排到較高的溫度中去。它具有性能系數高、噪聲低、組件小等優點[8]。缺點是制冷劑泄露會污染大氣、系統質量較大等。根據制冷劑的壓縮級數，蒸發循環系統可分為單級壓縮和兩級壓縮[9-12]。

2.2.1 單級壓縮蒸發循環系統

單級壓縮蒸發循環的原理圖如圖7所示。

圖7 單級壓縮蒸發循環原理圖Fig.7 Schematic diagram of single-stage compression evaporation cycle

工作時，壓縮機抽吸蒸發器出口的制冷劑蒸汽，并將其壓縮升壓至冷凝壓力，并送至冷凝器；該高壓制冷劑在冷凝器中冷凝成液體；然后，進入節流機構節流膨脹，變為一種氣液混合物；該混合物流入蒸發器中吸熱蒸發；最后，重新回到壓縮機完成一個循環。

2.2.2 兩級壓縮蒸發循環系統

當冷凝溫度較高時，對應的壓縮機增壓比較大，此時需要采用兩級壓縮，以改善壓縮機工作條件，提高壓縮機的效率，進而提高整個系統的性能。原理圖如圖8所示。

圖8 雙級壓縮蒸發循環原理圖Fig.8 Schematic diagram of two-stage compression evaporation cycle

2.3 直升機制冷系統的發展趨勢

表2分析比較了2種制冷系統的優缺點。可以看出，蒸發循環系統與空氣循環相比，有性能系數高、代償損失小、無發動機引氣等優點，且近年來蒸發循環制冷系統可靠性差和制冷劑泄漏等弊端得到了解決，故現代直升機廣泛采用蒸發循環制冷系統，且有取代空氣循環系統的趨勢[13-14]。表3統計了國外現役直升機加裝環控系統的現狀[15]，從中也可以看出，人們在選擇直升機環控系統時，越來越青睞于蒸發循環系統。

從整個環控系統性能角度出發，隨著直升機機載電子設備的增多，熱流密度的增大以及附件制造工藝、系統優化和控制技術的進步，要保證電子設備的正常工作，必須及時將這些熱量散發出去。同時，乘員對直升機座艙舒適性的期望越來越高。所以傳統的開式空氣循環制冷由于發動機引氣量的限制而不能滿足冷卻需求，而蒸發循環制冷系統的高效能制冷能力能夠滿足這一冷卻需求。另外，發動機引氣會造成燃料燃燒增多，排出的廢氣也會造成一定的大氣污染。因此，我國今后在研發的新型直升機冷卻方案設計中，應以蒸發循環制冷為首選方案。

表2 常見直升機制冷系統比較Tab.2 Comparison of common helicopter refrigeration systems

表3 國外現役直升機環控系統形式統計Tab.3 Form statistics of active helicopter control system in foreign countries

表4統計了典型直升機制冷系統的制冷量和重量，在初步設計直升機蒸發循環系統時可用做參考。

表4 典型直升機制冷系統主要參數一覽表Tab.4 List of main parameters of refrigeration system for typical helicopters

3 VCS主要部件介紹及選型

3.1 制冷壓縮機的選擇

直升機獨特飛行條件，決定機載制冷壓縮機應具有以下特性[16-17]：

①效率高；②功重比高；③工作范圍廣；④對飛行高度敏感性低；⑤對突發情況適應性好；⑥可靠性高。

常見機載制冷壓縮機的分類見表5。

表5 常見制冷壓縮機分類表Tab.5 Classification tables of common refrigerating compressors

表6對常見機載壓縮的性能進行了對比分析，發現并沒有哪類壓縮機可以滿足以上所有要求。但是表6表明螺桿式壓縮機的綜合性能最好，最適合機載循環，但是國內小制冷量的螺桿機并不成熟。

目前，國內具有配套能力的壓縮機的類型主要有活塞式（斜盤、滾動轉子）、渦旋式、旋葉式。表7總結了這3種壓縮機的性能對比，可以看出，渦旋式是國內目前最合適應用于直升機蒸發循環制冷系統的壓縮機類型。

表6 常見機載壓縮機性能比較表Tab.6 Comparison of performance of common airborne compressors

表7 可用壓縮機性能比較表Tab.7 Compressor performance comparison table

3.2 換熱器形式的選擇

蒸發循環制冷系統中換熱器主要指蒸發器、冷凝器，對其性能要求為：①質量輕、尺寸小；②換熱效率高；③對液體、氣態制冷劑均適用。

通過分析現有換熱器類型，僅緊湊型換熱器可以滿足上述幾點要求，未來應探索微通道換熱器用于直升機蒸發循環制冷系統中。

3.3 節流裝置的選擇

節流機構作為制冷系統的工質流量調節元件，對裝置的運行特性有重要影響。常用的節流裝置主要有毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等，其主要特點比較如表8所示[18]。

表8 常用節流裝置特點比較Tab.8 Comparison of commonly used throttling device

由表8可以看出，采用電子膨脹閥的過熱度調節系統，其時間滯后比熱力膨脹閥小。控制電子膨脹閥動作的調節規律由程序給出，因而具有很大的靈活性，可以考慮各種影響因素按具體要求制定調節規律，獲得良好的調節品質。除了能夠精確地控制蒸發器出口過熱度外，還可以通過指定的調節程序將電子膨脹閥的控制功能擴展。故電子膨脹閥更適用于直升機蒸發制冷系統。

4 結論

目前，國外直升機環控系統的應用已很普遍，技術也相當成熟，而國內起步較晚。但隨著直升機特別是武裝直升機的發展，對環控系統要求增加。故發展直升機環控系統，應引起足夠的重視。

1）隨著電子設備的增加以及司乘人員對舒適性要求的提高，直升機加裝環境控制系統顯得越來越緊迫；

2）蒸發循環制冷系統聯合發動機引氣加熱系統是未來機載環控系統的發展趨勢；

3）今后在選裝機載蒸發循環制冷系統部件時，應優先考慮選用渦旋式壓縮機、平行流換熱器、電子膨脹閥。

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