飛機(jī)空調(diào)解析

王勇

(吉林省民航機(jī)場集團(tuán)公司機(jī)務(wù)工程部，吉林 長春 130000)

當(dāng)萊特兄弟第一次飛上天空，人類也開始了藍(lán)天之旅。初期，民航飛機(jī)飛行高度不高，速度也很小，可以保證所飛行高度的空氣壓力、溫度、濕度、密度，完全可以保證飛行機(jī)組和乘客的安全和舒適。可是當(dāng)民航飛機(jī)飛到了萬米高空，民航飛機(jī)可以自由翱翔在氣流平穩(wěn)的高度層，這里沒有對流，溫度恒定在-56℃，我們叫這里同溫層。飛機(jī)設(shè)計者可以更容易設(shè)計飛機(jī)外形，更安全、更經(jīng)濟(jì)，一切都那么美好。但是，這里氧氣稀薄，氣壓僅為20kPa，氣溫極低，隨之而來，這里不適合人類生存。所以，我們需要改變大氣參數(shù)，在飛機(jī)座艙里保證一定的溫度、濕度、壓力、氧含量。

1 空調(diào)是做什么用的

空調(diào)，顧名思義調(diào)節(jié)空氣的機(jī)器。用戶是機(jī)艙里的人、機(jī)組、旅客。民航飛機(jī)的空調(diào)，被調(diào)節(jié)的空氣并不是同溫層的低溫低壓空氣，而是飛機(jī)發(fā)動機(jī)里的熱空氣，我們叫作引氣。這里我們要知道，飛機(jī)的動力裝置，也就是引擎、發(fā)動機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換原理是把外界空氣壓縮然后去點(diǎn)燃燃油。被壓縮的空氣溫度高、壓力高，優(yōu)點(diǎn)是這些參數(shù)基本恒定?？照{(diào)的作用是怎么把這些高溫高壓空氣降溫、降壓、恒溫、恒壓。

同溫層的民航客機(jī)我們可以利用的壓縮熱空氣一般200℃，壓力也是可怕的14 個大氣壓，顯然，人類不能直接使用。我們想要20℃一個大氣壓的空氣，壓力溫度可以低一點(diǎn)、高一點(diǎn)，但是不能讓我們身體受不了，我們需要舒適、安全。同時，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)承壓也需要考慮。我們引入的空氣恒流量，那么，我們可以通過改變排氣來改變飛機(jī)里面壓力，一個排氣活門，通過計算機(jī)連續(xù)控制活門開度，保證所需壓力。如同計算機(jī)編程，很復(fù)雜又那么簡單。

現(xiàn)在來調(diào)節(jié)溫度，前文已講明，200℃肯定不能用，那我們要多少度呢，這里我們不用將就飛機(jī)結(jié)構(gòu)，我們想要的結(jié)果是，想要多少度就調(diào)節(jié)到多少度。引擎引氣高溫，高壓，肯定用不了；飛機(jī)的航電都是電子產(chǎn)品，無時不在發(fā)熱，要降溫?；谝陨线@兩點(diǎn)，我們需要點(diǎn)冷空氣。只有冷空氣和熱空氣混合了，才能降溫；只有冷空氣，才能給航電降溫。顯然高空中外界的冷空氣中氧氣含量低，并且壓力太低也無法與高壓高溫?zé)峥諝饣旌?，我們需要制造冷空氣。熱力學(xué)里制冷的方式是做功和熱傳遞，民航飛機(jī)也如此，我們用空氣循環(huán)機(jī)(ACM)完成做功、散熱器完成熱傳遞。

此外，空氣中含有水蒸氣，為了整個機(jī)體結(jié)構(gòu)的防腐考慮，我們需要去除一定水分，就是干燥除水；當(dāng)然空氣中各種灰塵，我們需要清潔，清潔空氣的辦法和汽車一樣，加個空氣濾，本文不贅述。

2 壓力制度是什么

前文說過民航飛機(jī)通過控制排氣活門開度控制機(jī)艙內(nèi)部壓力，控制壓力的的原則我們叫作壓力制度。理想情況是我們的機(jī)艙內(nèi)相當(dāng)于在地面上最好，實(shí)際上只要不超過2400m的高度我們都可以接受。飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部壓力對應(yīng)的高度層我們叫座艙高度，機(jī)艙壓力隨外界高度改變的規(guī)律我們叫壓力制度。下圖就是現(xiàn)在民航客機(jī)的直線式壓力制度，如圖1。

圖1 機(jī)艙壓力制度

（1）預(yù)增壓程序。對飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部增壓，達(dá)到防顛簸的目的。

（2）爬升程序。飛機(jī)起飛了，我們允許壓力緩慢下降。當(dāng)達(dá)到比預(yù)設(shè)數(shù)值低0.25PSI 進(jìn)入巡航程序。這個數(shù)叫余壓，余壓的設(shè)計是防止頻繁的壓力控制。

（3）巡航程序。此時，飛機(jī)飛行在萬米高空，只要沒有掉太多高度，壓力不變，恒壓階段。

（4）下降程序。當(dāng)飛機(jī)下降太多，太多指的是超過1500 英尺，這時候轉(zhuǎn)入下降程序。下降程序，也要設(shè)定余壓，同樣是為了防止顛簸。

3 溫度怎么控制

卡羅循環(huán)，也就是熱傳遞的方式，如同冰箱一樣，也就是蒸發(fā)循環(huán)制冷，但是由于氟利昂對大氣層有害，現(xiàn)在很少用；逆布雷頓循環(huán)，空氣對外做功的方式，這種方式是現(xiàn)在大型飛機(jī)常用的制冷方式。

3.1 如何應(yīng)用卡羅循環(huán)和逆布雷頓循環(huán)

1877 年，德國人在慕尼黑第一次發(fā)明了蒸發(fā)循環(huán)制冷，介質(zhì)是氨氣，百年之后氨變成了氟里昂。蒸發(fā)循環(huán)制冷蒸發(fā)、壓縮、冷凝三個過程，經(jīng)壓縮機(jī)的高溫高壓的氟利昂以氣態(tài)來到冷凝器散熱降低溫度、然后液化、變成高壓液體，通過蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量，在變成低壓蒸汽，再次來到壓縮機(jī)，反反復(fù)復(fù)的循環(huán)，蒸發(fā)器吸收熱量完成熱交換。很顯然，由于工藝和不可避免的泄露，制冷劑需要不斷地補(bǔ)充，維護(hù)成本頗高，環(huán)境破壞不可避免。原理如圖2。

空氣循環(huán)制冷機(jī)是則不需要氨氣和氟利昂等制冷劑，逆布雷頓循環(huán)為理論指導(dǎo)，通過熱空氣的膨脹對外做功來吸收熱量，其原理如圖3。

圖2 蒸發(fā)循環(huán)制冷

圖3 空氣循環(huán)制冷原理

空氣循環(huán)制冷優(yōu)越性有：第一，制冷劑就是空氣，容易獲取，無毒；第二，制冷效率高，可以把溫度降到更低；第三，很少有故障，甚至免維護(hù)?？諝馐侵评浣橘|(zhì)，沒有毒害也不需要任何處理，也就不需要封苛刻的封嚴(yán)，尤其加入空氣軸承和高溫除水之后，其維護(hù)量極少；第四，更合適現(xiàn)代民航飛機(jī)的高溫高壓的熱空氣源。

3.2 ACM（空氣循環(huán)制冷機(jī)）怎么工作

飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)由三部分組成，一是熱交換器、二是壓縮、三是渦輪。飛機(jī)發(fā)動機(jī)引出的高溫高壓熱空氣首先進(jìn)入熱交換器，將熱傳遞到給冷卻介質(zhì)高空外部空氣，之后進(jìn)入渦輪膨脹做功使渦輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動壓縮機(jī)、風(fēng)扇，內(nèi)能變成了機(jī)械能，達(dá)到降溫、降壓目的，這些冷空氣再與熱空氣按指定的比例混合后就可以供機(jī)艙人員使用了。冷空氣也可以冷卻航電系統(tǒng)。ACM 有簡單、升壓和三輪式三種：

（1）簡單式系統(tǒng)如何工作。簡單式系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分分為主軸、風(fēng)扇和渦輪，高溫高壓的熱空氣進(jìn)入散熱器直接進(jìn)入渦輪，由于負(fù)載是風(fēng)扇，可以保證低速時候可以工作，但是效率低下且負(fù)載小易超轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，低速性能好，早期飛機(jī)大多應(yīng)用，原理如圖4。

圖4 簡單循環(huán)系統(tǒng)

（2）三輪式循環(huán)如何工作。為了解決簡單式循環(huán)制冷的弊端，引入了升壓式循環(huán)制冷系統(tǒng)。也就是渦輪軸帶動壓氣機(jī)取代風(fēng)扇，從而保證了不超轉(zhuǎn)。但是，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時候，也就無法和外界大氣完成熱交換。也許這就是科學(xué)進(jìn)步的過程，思維的轉(zhuǎn)換似乎來都慢一些，這種升壓式的循環(huán)方式應(yīng)用了一代飛機(jī)之后，研究者似乎想到了什么。為何不能用渦輪帶動壓縮機(jī)和風(fēng)扇呢？既解決了超轉(zhuǎn)問題，又解決了地面熱交換問題。三輪式循環(huán)應(yīng)運(yùn)而生。

簡單來說，三輪循環(huán)就是比簡單式循環(huán)制冷系統(tǒng)加了一個壓縮機(jī)。復(fù)雜來講，是簡單是循環(huán)制冷系統(tǒng)和升壓式循環(huán)制冷的組合。ACM 機(jī)是由一根軸上的渦輪、壓縮機(jī)、風(fēng)扇組成。渦輪是能量輸出端，壓縮機(jī)和風(fēng)扇消耗著能量。帶動的風(fēng)扇吸入冷空氣供給熱交換器。帶動的壓縮機(jī)又壓縮空氣，升高壓力提高了渦輪的效率。一條軸上的三個主要元件又能很好的分配各自的能量。自然而然，這是新一代飛機(jī)最完美的選擇，其原理如圖5。

三輪式循環(huán)制冷系中空氣通過渦輪對外做功膨脹降溫，又通過散熱器再次降溫，從而獲得低溫氣體。高溫氣體的溫度變化曲線如圖6 所示，當(dāng)經(jīng)過散熱器時降溫；通過壓氣機(jī)升溫但是得到了升壓；通過渦輪降溫，200℃的熱空氣經(jīng)過做功和熱傳遞兩種方式降至零下50℃。低溫的氣體在通過和高溫氣體一定比例的混合，帶給每位乘客。超過250℃的降溫，可見這種系統(tǒng)效率之高。

圖5 三輪式循環(huán)系統(tǒng)

三輪循環(huán)制冷系統(tǒng)的出現(xiàn)很好的解決了空氣制冷問題，而在更新的飛機(jī)設(shè)計上，出現(xiàn)了四輪循環(huán)，增加渦輪、減少散熱片?？墒且矔黼S之而來的問題。比如，轉(zhuǎn)速匹配的問題、傳感器過多的問題。這就是成長的煩惱，我們想見到的是更高的效率，更經(jīng)濟(jì)的匹配方式。當(dāng)然我們更需要的是可靠、安全。而當(dāng)下，散熱器污染，散熱效果變差才是亟需解決第一難題，我們可否在材料和工藝上更加下一些功夫，散熱同時保證散熱片減少污染。

圖6 三輪空氣循環(huán)機(jī)溫度變化曲線

4 ACM 怎么除水

除水是飛機(jī)空調(diào)的重要任務(wù)，水結(jié)冰會造成軸承跑偏，損壞ACM,也會堵塞管路；水是萬物之源，滋生微生物，造成腐蝕；飛機(jī)的航電系統(tǒng)也最怕水的腐蝕。除水系統(tǒng)也經(jīng)歷過兩個階段：第一階段是在低壓區(qū)除水，我們叫低壓除水，低壓出水的缺點(diǎn)是除水不夠徹底；第二階段是高壓除水，也就是渦輪后除水，這種除水方式能更好地去除水分，從而提高ACM 的可靠性，尤其空氣軸承的磨損大大減少。高壓除水的通過水的相變從而使水蒸氣分離出來，由于此時水滴較大，更容易收集，同時露點(diǎn)低，能分離更多的水分，能更好的干燥ACM 出口空氣。

5 結(jié)語

民航大型客機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)核心元件是ACM 機(jī)，其制冷效率高，但是也存在一些問題，比如散熱片污染問題，比如噪音問題。對于散熱器清潔技術(shù)，我們可以大膽的嘗試，不應(yīng)該僅限于清潔劑清洗，更應(yīng)該嘗試其他技術(shù)，如超聲清洗，甚至更多其他辦法；對于噪音問題，我們可以繼續(xù)提高渦輪和壓縮機(jī)效率，從而降低ACM 轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速必然可以低噪音，更安靜的為人民服務(wù)。隨著科學(xué)的進(jìn)步，隨著新材料新技術(shù)的應(yīng)用，終有一天我們可以看到一個閉環(huán)的循環(huán)方式，安靜地保障飛機(jī)的安全。