飛機環境控制系統研究

蔡致鵬 王新閣 張宴嘉

摘 要：對飛機環境控制系統進行了研究，從氣源系統、座艙壓力調節系統、制冷系統、加溫系統、空氣分配系統五個方面對環控系統進行介紹。重點對渦輪通風式、兩輪升壓式、三輪升壓式、四輪升壓式和蒸發循環制冷系統進行了研究，分析了不同制冷方式的優缺點。展望了飛機環控系統發展的趨勢，綜合環境控制系統和綜合熱管理系統可以作為飛機環控系統設計的參考。

關鍵詞：環控系統制冷系統多電飛機綜合環境控制系統

Research on Aircraft Environmental Control System

CAI Zhipeng? WANG Xin’ge*? ZHANG Yanjia

（Aviation University of Air Force， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The aircraft environmental control system is studied， and the environmental control system is introduced from five aspects： air source system， cockpit pressure regulation system， refrigeration system， heating system and air distribution system. This paper focuses on the research of turbine ventilation， two wheel boost， three wheel boost， four wheel boost and evaporative cycle refrigeration systems， and analyzes the advantages and disadvantages of different refrigeration methods.The development trend of aircraft environmental control system is prospected. Integrated environmental control system and integrated thermal management system can be used as a reference for the design of aircraft environmental control system.

Key Words： Environmental control system; Refrigeration system; Multi-electric aircraft; Integrated environmental control system

飛機環境控制系統（environmental control system簡稱ECS）的任務就是根據飛機的用途和類型，在飛行包線內和飛機在非正常狀態下，保持艙內空氣的溫度、濕度、壓力、氣流速度和清潔度在允許規定值內。現代飛機的環控系統不僅承擔了飛機內部環境控制的功能，而且需要為各種大功率電子設備通風制冷，還需要滿足飛機對防冰、防霧、抗荷服增壓和通風服通風功能的要求。

1 飛機環境控制系統組成

環控系統主要由座艙增壓供氣系統和座艙空調系統組成。座艙增壓供氣系統包括氣源系統和座艙壓力調節系統，座艙空調系統包括制冷系統、加溫系統、空氣分配系統。

1.1 氣源系統

氣源系統是座艙增壓和空氣調節的源泉，要求氣源出口壓力大于艙內壓力，供氣量大于需氣量。目前供氣來源主要是發動機壓氣機、飛機動力裝置傳動的增壓器、空氣渦輪驅動的離心式增壓器。發動機引氣如圖1所示，主要從中級壓氣機引氣，當中級壓力不足時從高級壓氣機引氣。這種直接從壓氣機引氣的方法較為簡單，但是發動機的發動機推力下降，耗油率增加，供氣壓力受發動機工作狀態制約且供出的空氣可能受污染。飛機動力裝置傳動的增壓器有離心式和容積式，優點是能保證高空飛行時的供氣量，缺點是低空飛行時一部分空氣直接排入大氣，功率浪費嚴重。

1.2 座艙壓力調節系統

1.2.1 壓力制度

座艙壓力調節系統主要是控制座艙高度、座艙余壓、壓力變化速率在規定范圍內。在正常的工作條件下，民用班機及大型軍用飛機座艙高度最大為2400m，戰斗機機的座艙高度通常最大為8000m。座艙余壓是指座艙壓力與大氣壓力之差，分為高壓差和低壓差兩類。俄羅斯規定最大不能高于232.4kPa，美國規定為34.5±0.7kPa。對轟炸機，通常會采用雙壓差制度，正常飛行時采用高壓差，戰時采用低壓差減小爆炸減壓的危險性。飛機上升或下降過程中，會引起座艙壓力發生變化，壓力變化過快會引起航空性鼻竇炎、中耳炎等病癥。旅客機壓力減小速率為213～427Pa/s，壓力增加速率為18～213Pa/s，對于戰斗機壓力減小速率每秒為670～1330Pa/s，壓力增大速率為400～670Pa/s。

1.2.2 座艙壓力調節方式

目前飛機上使用的座艙壓力調節系統大致可分為三類，即氣動式、電子式和數字式。氣動式座艙壓力調節系統研發最早，使用時間最長，由于是純機械式的氣動調節，精度低，動態性能差。電子式工作原理是壓力傳感器獲得座艙壓力值和環境壓力值，控制方向由壓力控制器將壓差與設置壓力制度進行對比來確定，力矩電機相應地改變轉動角度來控制排氣活門的開度。電子式控制結構簡單、動態性能好、自動化程度高。數字式工作原理是通過傳感器采集大氣數據，電機轉動控制活門位移，位移量由計算機根據采集的大氣數據和壓力制度計算。由于整個過程都是由數字計算機來完成的，數字式壓力調節系統更加精確可靠。

1.3 制冷系統

制冷系統主要有兩大類型，空氣循環制冷系統和蒸發循環制冷系統。空氣循環制冷系統主要有渦輪通風式、兩輪升壓式（渦輪-壓氣機式）加低壓除水或高壓除水系統、三輪升壓式（渦輪-壓氣機-風扇式）加低壓除水或高壓除水系統、四輪升壓式（渦輪-壓氣機-渦輪-風扇式）加高壓除水四種形式。

1.3.1 渦輪通風式

渦輪通風式渦輪通風制冷是最簡單、質量最輕的系統。工作原理是引自壓氣機的高溫高壓空氣，經過熱交換器冷卻，再在渦輪中膨脹降溫后供向座艙，渦輪功驅動風扇。缺點是隨著飛行高度增加，空氣密度下降、風扇負荷減小。

1.3.2 兩輪升壓加低壓除水式

兩輪升壓加低壓除水式兩輪升壓加低壓除水原理如圖2，由壓氣機引出的高溫高壓的空氣，經過初級熱交換器預冷后被壓縮，再經過次級熱交換器冷卻后進入渦輪冷卻器，最后經過低壓水分器除水后進入座艙，渦輪膨脹做功的同時驅動壓氣機。冷凝水噴射至沖壓空氣風道中，由于沖壓空氣中水蒸氣含量不飽和，冷凝水等焓蒸發并冷卻沖壓空氣，提高換熱器冷卻效果和制冷效率。沖壓空氣流量和溫度決定換熱器冷卻效果，因此在地面時無飛行速度，需要保障車提供沖壓空氣。為防止水蒸氣結冰，渦輪出口空氣溫度不能為0℃。

1.3.3 兩輪升壓加高壓除水式

兩輪升壓加高壓除水系統比低壓除水多了一個冷凝器和回熱器。和低壓除水不同的是，從次級換熱器出來的空氣經過回熱器、冷凝器、高壓水分器和回熱器冷側再進入渦輪。進入渦輪的空氣在經過水分離器時被除去絕大多數水分，因此渦輪出口空氣溫度可降至更低，提高制冷量和制冷效率。高壓分水器出來的干冷空氣經回熱器再熱，冷凝水即使沒有在分水器中分離干凈，也會再熱而汽化，避免液態水進入渦輪而造成損壞。

1.3.4 三輪升壓加低壓除水式

兩輪升壓制冷的缺點是地面制冷能力差，為了增強地面制冷能力發展出三輪升壓式制冷系統，如圖3，三輪指制冷系統包括渦輪、壓氣機、風扇3個旋轉機械安裝在一根軸上，由渦輪驅動。由于在渦輪和壓氣機的聯軸上增加風扇，因此分配到壓氣機的功率下降，升壓作用比二輪升壓系統小，故三輪升壓制冷效率比二輪升壓稍低。但增加沖壓空氣風扇，當飛機在地面候機、滑行過程中，有足夠流量的沖壓空氣來保證制冷效果，因此得到廣泛的應用，例如波音—737、波音—747、空客—A300等機型就是采用的三輪升壓加低壓除水制冷系統。

1.3.5 三輪升壓加高壓除水式

和兩輪升壓加高壓除水一樣，次級換熱器出來的空氣進入回熱器和冷凝器熱側冷卻，高壓空氣中水蒸氣冷凝，在高壓水分器中除水，再進入回熱器冷側再熱，渦輪膨脹制冷，獲得干冷空氣進入冷凝器冷側再熱后送入機艙。冷凝器中凝結的水滴較大，除水率達95%～98%，空氣中水分低，對電子設備進行冷卻時更加安全可靠，此系統使得飛機在整個飛行包線內都具有優良的性能。B757、B767、A320等民航客機及F15戰斗機均采用三輪升壓式加高壓除水制冷系統。

1.3.6 四輪升壓加高壓除水式

四輪升壓式加高壓除水空氣制冷系統如圖4，是在三輪系統基礎發展而來的，渦輪由一個變為兩個。引氣進入渦輪之前，基本過程同三輪機構類似，引氣來到一級渦輪膨脹降溫，再進入冷凝器冷側以冷卻熱側濕空氣，升溫后進入二級渦輪進一步膨脹降溫，送入座艙。由于多了一級渦輪，第一級渦輪出口溫度應在0℃以上，以防止進入冷凝器熱側時冷測的高濕空氣結冰，而第二級渦輪出口溫度則在冰點以下，獲得更低送風溫度，單位引氣質量制冷量更大，制冷效率更高。

1.3.7 蒸發循環制冷

蒸發循環制冷是利用液態制冷劑汽化吸熱給空氣降溫，由于制冷劑易泄露，所以早期飛機環控系統中應用較少。隨著壓縮式制冷技術的進步，其可靠性有很大提高。基本原理如圖5所示，液體制冷劑在蒸發器吸收空氣中的熱量，受熱蒸發，制冷劑蒸汽由壓縮機壓縮后，溫度壓力升高，在冷凝器中釋放熱量給熱沉（沖壓空氣或燃油），變為液態。熱交換器的目的是使蒸汽過熱，液體過冷，提高制冷效率。對制冷劑要求是蒸發壓力、冷凝壓力適中，單位容積制冷量大，粘性低，化學性質穩定等。實際應用中常采用多級蒸發器并聯使用。

1.4 加溫系統

由制冷系統出來的空氣溫度低，需要加溫到合適溫度才能供給座艙。飛行高度較高時座艙內表面溫度低，容易結霜結霧，影響飛行安全。此外機翼、進氣道也容易結冰，因此加溫系統也是飛機環控系統重要部分。常用的加溫方法有旁路加溫、廢氣加溫、電熱加溫。旁路加溫原理是初級換熱器引出的氣體分成兩路，一路為冷路送往冷卻渦輪，一路為熱路送往混合室，通過流量閥控制兩路空氣在混合室按一定比例混合后送往座艙。廢氣加溫是利用發動機排氣余溫對空氣進行加熱，優點是不需要額外的能量進行加溫，缺點是如密封不好供向座艙的空氣中會有發動機廢氣。電熱加溫是用電阻元件發熱對流經空氣加溫，在對座艙玻璃進行加溫時可將電熱絲安裝在玻璃夾層內，起到除霜除霧效果。

1.5 空氣分配系統

空氣分配的目的就是要在座艙內營造一個溫度、濕度、空氣流動都良好的氣流組織分布，保障人員舒適性。具體要求是艙內溫度均勻，溫度梯度小，空氣流速在人體舒適范圍內，有害氣體和異味雜質能快速排出。飛機座艙內氣流組織分布受供排氣口布局、流量、流速、送風溫度等諸多因素的影響。對于軍用飛機，根據實踐經驗，大部分空氣從飛行員后方沿兩側肩部送入，一部分從兩側腰部送入，一部分從腳部送入能得到較滿意的效果。供氣噴口一般為擴口型以減小流速，且噴口的方向和流量可以根據個人意愿調節。對于旅客機有多種送風方式，混合通風是常用的通風系統，氣流從座艙頂部和行李架的送風口送出，然后從靠近地板處的回風口排出。置換通風的送風口位于走廊底部，回風口位于座艙頂部，置換通風系統有利于提高飛機的能源利用率，但容易造成垂直溫差，為了減小溫差可將座艙空氣與新鮮空氣按比例混合后再送入座艙。個性化通風系統每個座位一個，通常安裝在行李架下方或座椅扶手上，在旅客周圍產生附加的空氣流動，出口溫度一般低于座艙空氣溫度5℃，用來減輕長途旅行的不適感。總體保持座艙內溫度在23℃～26℃，垂直溫差小于2.8℃，水平溫差小于4.4℃，人員周圍空氣流速在0.1 m/s ～0.35m/s符合國際標準。

2 飛機環境控制系統發展趨勢

隨著多電飛機概念的產生，綜合環境控制系統將會是飛機環控系統的發展方向。綜合環境控制系統采用電動座艙增壓技術，取消發動機引氣，利用高速電機驅動高增壓比壓氣機，壓氣機往環控管道內壓氣來滿足環控系統引氣的需求。這樣可以提高發動機推力，減小代償損失，簡化結構，減少污染物排放。制冷方式采用閉式蒸發循環制冷或者蒸發循環制冷與空氣循環制冷的組合，以沖壓空氣和機載燃油為主要熱沉。數字式座艙壓力調節系統憑借其優秀性能，廣泛應用于大型飛機上，但軍用飛機上的座艙調節壓力系統仍會采用氣動式，因為數字式的座艙壓力調節系統在作戰中很可能受到電磁干擾。引入綜合熱管理系統技術，優化整個飛機的熱管理，利用燃油和沖壓空氣作為熱沉，把發動機系統、航空電子系統、液壓系統、防冰除霧系統、環境控制系統產生的熱載荷納入綜合熱管理系統，通過計算機實時監控重要部件的工作溫度，合理分配冷卻介質流量。

3結語

飛機環控系統的任務就是維持艙內良好的環境，保證艙內人員和電子設備正常工作，同時盡可能降低系統代償損失。未來環境控制系統將從飛機能量綜合和優化角度來設計，并且建立引氣、制冷、防冰、燃油、壓力調節、液壓、配電等系統集成控制的一體化管理系統，全機能源與信息共享?控制最優，代償損失最小。

參考文獻

[1]包涵，王新閣.減少引氣式環境控制系統引氣量措施分析[J].科技創新導報， 2017（21）：16-17.

[2]鄭新華. 氣動式座艙壓力調節系統關鍵技術研究與優化設計[D]. 西安：西北工業大學， 2016.

[3]付龍飛， 田廣來， 梁波，等. 飛機座艙壓力控制系統實時建模與仿真[J]. 計算機仿真， 2016， 33（2）：61-64.

[4]盛健，張華，吳兆林，等.飛機環境控制系統制冷空調技術現狀[J].制冷學報， 2020（2）：22-33.

[5]徐李云.民用飛機環境控制系統研究[J].航空科學技術，2015，26（7）：42-45.

[6]LIPING PANG，PEI LI，LIZHAN BAI，et ai. Optimization of air distribution mode coupled interior design for civil aircraft cabin[J]. Building and Environment，2018，134-145.

[7]周瓊瑤. 飛機座艙非均勻環境人體熱舒適研究[D].南京：南京航空航天大學，2019.

[8]殷超，羅志會.美國遠程轟炸機環境控制系統的設計要求分析[J].航空科學技術，2019，30（8）：1-6.