基于AMESim 的飛機環控系統建模與仿真

劉 征 崔 燚 周瓊瑤 戴 錚 王宇迪

0 引言

為體現新型民用客機“更經濟、更安全、更舒適、更環保”的設計思想[1]，民用飛機逐漸朝多電化方向發展，四輪升壓式高壓除水電動環控系統具有取消發動機做功影響、節省燃油以及防止渦輪冰堵等優點[2-3]，越來越受到研究人員的重視。

國內對飛機環控系統仿真研究始于20 世紀90 年代，李俊杰[4]、董素君[5]等人采用easy5 軟件建立起空氣循環制冷系統和蒸發循環制冷系統仿真模型，具有一定的實用性和推廣價值。董素君[6]、宋俊虓[7]、趙俊茹[8]等人利用Matlab/Simulink 建立起環控系統各主要部件的數學模型，對系統進行了仿真研究，Matlab/Simulink 屬于通用仿真軟件，具有強大的編程計算語言和圖形化建模方式，但是在復雜系統的仿真研究，易產生代數環問題，對計算結果精度和效率影響較大。

AMESim 屬于一維多學科復雜系統建模仿真平臺，可實現氣動、熱流體、液壓、機械和電磁等多學科領域的聯合建模仿真，可以實現機電系統中多個分系統的耦合工作[9]。本文通過建立環控系統仿真模型，得到了在給定狀態下各部件出口的穩態仿真結果與理論計算值的對比結果，以及給定在飛行高度和飛行馬赫數擾動下的二級渦輪出口溫度的動態響應曲線，可為系統設計優化以及整機環境控制系統的控制規律設計提供模型和數據支持[10]。

1 AMESim 仿真模型

四輪升壓式高壓除水電動環控系統主要部件有：熱交換器、壓氣機、渦輪冷卻器、風扇、轉軸等，通過氣體能量傳遞方向將部件各仿真模塊連接起來，構成整機系統進行仿真。四輪升壓式高壓除水電動環控系統原理圖見圖1。AMESim 搭建空氣循環制冷系統模型，需用到濕空氣模型、流量源、壓力源、熱交換器、壓氣機、渦輪冷卻器、水分離器、導管等元件（即子模型）。四輪升壓式高壓除水電動環控系統AMESim 仿真模型見圖2。

圖1 四輪升壓式高壓除水電動環控系統原理圖

圖2 環控系統AMESim 仿真模型

2 系統仿真

2.1 仿真參數設置

表1 AMESim 仿真模型輸入參數

AMESim 仿真模型建立后，需要給定系統各部件的仿真輸入參數，仿真輸入參數主要以部件結構尺寸為主，具體參數見表1。

2.2 穩態仿真結果分析

穩態仿真主要考慮地面狀態和高空巡航狀態兩個工況，選取不同工況入口狀態參數見表2。

表2 AMESim 仿真模型不同工況入口狀態參數

依據部件結構尺寸和入口參數，經過計算可得到該型號飛機的各部件出口理論計算值。將理論計算值與穩態仿真計算進行對比，可得到靜態仿真的精度。表3 是系統給定狀態下，各部件出口溫度理論計算值與穩態仿真結果的對比。

表3 系統關鍵點穩態仿真值與理論計算值對比

仿真結果表明，本文所建模型具有較高的精度，可滿足飛機環控系統的仿真研究。

2.3 動態仿真結果分析

由于飛機飛行高度和飛行速度不斷發生變化，外界空氣溫度和壓力會發生較大變化，環控系統各狀態點也會發生較大的變化，會對控制系統提出更高的要求。電動環控系統取消了發動機引氣，改為電動壓氣機壓縮空氣充當高壓氣源，在整個飛行任務過程中，外界環境的溫度和壓力對環控系統影響較大。因此本文將研究當飛機飛行高度和馬赫數擾動下，環控系統入口溫度和壓力不發生變化情況下，二級渦輪出口的溫度響應。

工況1，飛行高度0m，馬赫數0.3，當飛行馬赫數不變，高度突然階躍至1000 米時，二級渦輪出口的溫度變化如圖3 所示，由仿真曲線可以看出，當飛行高度增大時，外界空氣溫度降低，初級換熱器和次級換熱器將帶走更多熱量，因此二級渦輪出口溫度降低。

工況2，飛行高度0m，馬赫數0.3，當飛行高度不變，馬赫數由0.3 增大至0.5，二級渦輪出口溫度變化如圖 4所示，由仿真曲線可以看出，在地面高度0m，當馬赫數增大時，二級渦輪出口溫度增高，這是因為馬赫數增大，沖壓空氣進口溫度增高，初級和次級換熱器溫差變小，帶走的熱量也減少，因此二級渦輪出口溫度增高。

圖3 工況1 條件下二級渦輪出口溫度變化

圖4 工況2 條件下二級渦輪出口溫度變化

3 結論

本文利用AMESim 搭建起四輪升壓式高壓除水電動環控系統仿真模型，根據氣體流動方向將各仿真模塊連接起來，并對環控系統進行了靜態仿真計算和動態仿真分析。靜態仿真計算結果與理論結算結果相比，最大相差2.91℃，動態仿真滿足實際系統的變化趨勢。仿真結果表明了所建模型的正確性，可以模擬不同狀態下的飛機環控系統的工作情況，可為后續飛機環控系統的設計優化提供依據，同時也可以為控制系統的設計提供模型和數據支持。