基于直升機環控系統的環境模擬系統研制

張 洋 張文濤

?

基于直升機環控系統的環境模擬系統研制

張 洋 張文濤

（中國直升機設計研究所，景德鎮 333001）

直升機環境模擬系統根據直升機飛行包線內的各種復雜氣象環境，建立起與模擬艙微環境相關的氣源系統、制冷系統、加溫系統、加濕系統、低壓模擬系統及太陽輻照系統等。并針對直升機環控系統試驗對象和試驗條件的差異，對各環境子系統軟硬件進行模塊化處理，形成具有良好適應性的多功能綜合環境模擬系統。

直升機；環控系統；環境模擬系統

1 引言

我國幅員遼闊，緯度、經度均跨越近5000km，既有沿海高溫、高濕、高輻照的極端氣候，又有西部低氣壓、低溫、高輻照的極端氣候，而直升機的任務剖面涵蓋整個國土面積。為保證直升機座艙內良好的乘坐環境，環控系統在研制過程中必須進行環境模擬試驗，以考核直升機環控系統的運行狀況。目前國內相關科研院所（包括南京航空航天大學、南京機電液壓工程研究中心、新鄉平原航空設備有限公司等）已建立起小型的環境模擬系統，并具備環控系統單個部件或分系統試驗能力，但隨著環控系統集成技術的發展及客戶對座艙舒適度要求的提高，急需研制一種適用于直升機環控系統全狀態模擬試驗的環境模擬系統。

直升機環境模擬系統是一套多功能綜合環境模擬系統，能夠同時模擬高、低溫，高、低濕，飛行高度，太陽輻照等飛行包線內的環境，以完成直升機整個坐艙段在模擬艙內的環控系統相關試驗。該環境模擬系統采用模塊化設計，功能完整，綜合集成度高，能夠滿足國內各型直升機環控系統的研制需求。

2 環境模擬系統原理

環境模擬系統由氣源系統、加溫系統、制冷系統、加濕系統、太陽輻照系統、環境模擬艙及真空泵等組成，如圖1所示。復雜環境通過系統中各個子系統相互配合作用模擬，其中測控系統對供氣流量、溫度、壓力、濕度及太陽輻射強度進行精確控制，在環境模擬艙內模擬實現常壓高溫環境、常壓低溫環境、低壓低溫環境、低壓高溫環境、太陽輻照環境以及不同參數組合的復雜環境[1]。

圖1 環境模擬系統的組成及其原理圖

3 環境模擬系統設計

為模擬直升機飛行包線內的外界環境，直升機環境模擬系統既需要模擬地面環境條件，也需要模擬空中環境條件，并根據直升機飛行狀態的變化進行模擬環境的轉換。此外，直升機環控系統試驗時，經常伴隨著強電、高溫、高壓氣體等危險源，要求各個子系統可獨立也可聯合控制，可手動機械控制，也可計算機全自動控制[2]。

3.1 氣源系統

直升機環控系統試驗時，既需要為環控系統提供高溫、高壓氣體，也需要為環境模擬艙提供干燥、清潔的壓縮空氣，為此需設計一套滿足試驗要求的氣源系統。

氣源系統主要由空氣壓縮機機組和用于除油、除水、除塵的過濾器及儲氣罐等組成，其原理如圖2所示。氣源系統啟動后，空氣壓縮機將壓縮的高溫、高壓氣體通過閥門送入過濾器，在過濾器內，高速氣體經過減速和旋流，油水及雜質沉積罐底而分離，干凈空氣經過閥門送入儲氣罐，系統根據需要打開供氣閥門供氣。其中，系統在壓縮機出口管路上設置泄壓閥，若壓縮機出口供氣壓力高于設定值，泄壓閥將自動打開。同樣在儲氣罐上設置泄壓閥，若儲氣罐內壓力過高，泄壓閥會自動打開泄壓。

圖2 氣源系統組成及原理圖

3.2 制冷系統

環控系統在進行相關試驗時，環境模擬艙需保持-55℃的低溫環境，為此需建立一套高效的制冷系統，一般常用蒸發循環式制冷與空氣膨脹制冷。本制冷系統采取空氣膨脹制冷，其主要優點為：具有良好的低溫制冷性能，壓縮空氣易于獲得，空氣無污染，且空氣制冷設備維護方便，可靠性高?？諝庠跍u輪中膨脹時對引入的空氣干燥度要求較高，為此在用于空氣膨脹的渦輪前端設置一套冷凍干燥機。系統工作時，引自儲氣罐的高壓氣體在冷凍干燥機內冷凍除濕，將空氣中的大部分水分分離出來，使其露點溫度降至-55℃，同時氣體溫度也被冷卻到4℃左右，然后進入渦輪，通過調節渦輪機入口處的氣體壓力、溫度，可在渦輪出口處得到最低-55℃的低溫空氣，用于環境模擬艙降溫。

3.3 加溫系統

加溫系統除了模擬高溫環境外，主要模擬直升機環控系統引入的發動機高溫高壓氣體。其主要部件為電加熱器，由可控硅控制電加熱器的啟停來調整供氣溫度。由于電加熱器功率較大，試驗操作人員易觸碰觸電，為此本電加熱器采用直流供電，可有效保證試驗操作人員的人身安全。需加熱時，先將儲氣罐內的高壓氣體引入加熱器，再開啟電加熱器，防止無引氣時燒毀電加熱器；同時，做完試驗后需先關閉電加熱器，15min后再關閉引氣閥門。

3.4 加濕系統

環控系統進行相關試驗時，環境模擬系統既需要模擬常壓下的濕環境，又需模擬高溫高壓高濕氣體。對于前者可采用常規電加濕器對空氣進行加濕；對于后者需加裝鍋爐加濕裝置，其主要部件為鍋爐蒸汽發生裝置。工作時，鍋爐蒸汽發生裝置將鍋中沸水持續加熱，待生產的水蒸氣壓力達到設定值后打開管路閥門，水蒸氣與加溫系統出口處的高溫高壓氣體充分混合，以得到所需含濕量的高溫高壓氣體。

3.5 低壓模擬系統

為進行直升機環控系統高空模擬試驗，環境模擬系統需模擬高空低氣壓環境。由于直升機座艙一般為非密封艙，其艙內艙外氣壓相同，因此在進行高空試驗時，需將整個直升機座艙段放入環境模擬艙，并對環境模擬艙抽真空。以環境模擬艙為抽氣對象的低壓模擬系統由真空泵、真空導管、真空閥門及測量控制裝置組成[3]。試驗時，可根據需要模擬最高10km的低氣壓環境，即環境模擬艙的真空度不小于74kPa（抽至絕對壓力不大于26kPa）。本低壓模擬系統根據模擬壓力范圍選用水環真空泵，具有結構簡單，維修方便等特點。

3.6 太陽輻照系統

為保證直升機良好的視野，駕駛艙與客艙的玻璃面越來越大，而通過玻璃面傳入艙內的太陽輻照熱量是一種不可忽視熱源。因此，需要建立一套太陽輻照系統，能夠真實、直接地再現空中太陽輻照環境及其效應，以便考核直升機空中飛行時環控系統的適應性。

目前太陽輻照系統普遍采用的是燈陣系統，通過燈陣系統中不同的單燈發出的光線在被照射區域上互相疊加、補償，從而得到均勻的照射面。其中，每個單燈組件照射到被照面的輻照度分布都經過仿真分析，通過精確的計算確定單燈組件的各種光學參數以及各單燈組件之間的距離分布。對于中等面積的太陽輻照模擬系統而言，采用燈陣結構使得安裝、調試和使用更加方便，成本也更低。圖3為目前國際上通用的燈陣太陽模擬器。

圖3 燈陣太陽模擬器

3.7 測控系統

環境模擬系統作為一種綜合應用技術，涉及的技術領域較廣，尤其在試驗的測量與控制方面，測量是取得研究數據的重要環節，而綜合控制是各個系統集成優化的重要手段，因此需建立一套高效的測控系統。

測控系統主要用于整個試驗室的狀態監視及各子系統參數的測量、控制與調節，由試驗工作臺（圖像、視頻系統）、測控終端、信號采集單元及控制單元等組成，系統結構如圖4所示。

圖4 測控系統結構圖

測控軟件采用面向對象的設計分析方法，通過規劃和設計，使程序結構清晰，便于維護、修改和增加。

本系統軟件分三部分：信號采集機箱軟件、控制軟件及上位機軟件。信號采集機箱軟件主要負責對信號采集機箱進行管理、控制，以及數據的采集、初步處理等，它支持通過以太網將采集數據傳輸到上位機；控制軟件主要負責各種模擬信號的生成；上位機軟件負責人機交互，實時曲線、歷史曲線、報表生成及各外圍設備的控制等。

4 環境模擬系統應用

為驗證直升機環境模擬系統的試驗能力，選取一種直升機典型且嚴酷的飛行環境進行模擬。首先，環境模擬艙內模擬海拔6km，環境溫度-40℃的自然環境；其次為直升機環控系統模擬一股流量為1000kg/h，壓力為500kPa，溫度為280℃熱空氣用于艙內加溫。啟動環境模擬系統，系統運行15min后，開始測試環境模擬艙內及熱空氣出口處的相關參數，具體見表1、表2。所有參數誤差均在允許范圍內，滿足設計的試驗要求。

表1 環境模擬艙內的環境參數

表2 熱空氣出口處的參數

5 結束語

首先，根據環控系統自身特性以及直升機的應用環境，明確提出了直升機環控系統的試驗需求，從而針對性地提出了環境模擬系統具體方案；

其次，本系統采用模塊化設計，根據環控系統的試驗對象和試驗條件，建立了各相關分系統，經綜合集成形成完整的環境模擬系統，使用方便，維護簡單；

最后，本環境模擬系統根據環控系統實際工況進行模擬試驗，其結果表明該模擬系統既可模擬高、低溫，高、低濕，低壓以及太陽輻照等直升機飛行包線內的環境，也可模擬直升機環控系統所需的高溫高壓高濕空氣。因此該環境模擬系統滿足直升機環控系統試驗所必需的環境要素。

1 王浚，黃本誠，萬才大. 環境模擬技術，第三章[M]. 北京：國防工業出版社，1996

2 王忠明，許永華，黃澤陽，等. 基于大型復合低壓艙的模擬環境系統研制[J]. 醫療衛生裝備，2011，32(12)：13～14

3 田宏民，鄭向東，湯潔，等. 大氣低壓模擬艙研制與初步應用[J]. 氣象科技，2011，43(1)：30～35

Development of Environmental Simulation System Based on Helicopter Environmental Control System

Zhang Yang Zhang Wentao

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001)

The helicopter environmental simulation system builds up the gas source system, the refrigeration system, the heating system, the humidifier system, the low pressure simulation system and the solar radiation system which are related to the simulation cabin micro environment according to the various complex meteorological environments in the helicopter flight envelope. In view of the difference between the test objects and the test conditions of the helicopter environmental control system, the software and hardware of each environmental subsystem are modularized to form a multi-functional comprehensive environmental simulation system with good adaptability.

helicopter；environmental control system；environmental simulation system

張洋（1985），工程師，飛行器環境與生命保障工程專業；研究方向：直升機環控系統設計。

2018-02-02