蒸發制冷系統在直升機上的應用現狀及前景

張馨弘

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333000）

0. 引言

隨著現代直升機性能的不斷提高，利用直升機上的機載傳統制冷方式進行空氣循環，已經不能應對日益增加的機載電子設備和環境控制的負荷，使用傳統的空氣循環制冷系統，發動機難以承受其帶來的大量引氣量的增加。而蒸發循環制冷系統不僅能改善上述情況，還能夠解決制冷機易泄露、可靠性差等問題。現如今，蒸發循環制冷技術憑借其高效的制冷能力迅速航空器制冷領域，廣泛應用于直升機和戰斗機等機型[1]。

由于直升機的艙室由非氣密且透明的物體組成，在外界環境溫度較高時飛行具有較大的不穩定性，而制冷系統則是解決這一問題的關鍵技術，其主要解決的問題有幾點：（1）保證機載電子設備的冷卻進而維持其正常運行，提高可靠性和穩定性。自20世紀70年代以來，電子信息技術取得了極大進步，機載電子設備也逐步走向小型化、輕量化和集成化導致機載電子設備單位能量密度過高、熱負荷急劇增大，需要更加高效的制冷方式來冷卻機載電子設備，而蒸發循環制冷技術則是解決這一問題非常有效且關鍵的技術。（2）直升機艙室需要一個穩定的環境溫度來保證飛行員的安全和舒適。由于高溫因素會增加事故發生的概率，所以制冷系統控制艙溫具有非常重要的意義，是保證飛行員高效工作和避免錯誤不可缺少的必要環節[2]。

1. 國內外研究現狀

1.1 國外發展現狀

國際上最初的直升機設備艙以及飛行員駕駛艙都會將加熱、通風和除塵等功能考慮進去，但沒有考慮其冷卻要求[3]。自20世紀60年代以來，隨著直升機各項性能的快速提升，其應用環境也越來越廣泛。比如直升機經常需要在濕熱的條件下飛行，而功耗較高的機電設備的普遍應用會產生高熱量，導致艙內溫度升高。此時，一個良好的制冷系統可以為設備艙以及飛行員駕駛艙提供低溫環境[4-5]。在20世紀60年代，直升機主要使用2種制冷方式：蒸發循環系統和空氣循環制冷系統[6]。20世紀中后期我國的相關技術水平較為落后，沒有形成一個成熟的蒸發循環制冷系統，直升機（通常用于固定翼飛機）更多使用空氣循環系統來滿足機載設備冷卻需要[7]。20世紀70年代中期，直升機上陸續裝載單獨的電子設備艙以提升電子戰能力。為了滿足機場的低溫環境需求，美國率先開展蒸發循環制冷技術的研究[8]，其研發的低溫制冷系統的制冷能力約為3kW～5kW，盡管大多數電子設備艙對低溫環境要求很高，且具有高性能系數、快速冷卻性能、較小的空氣阻力以及壓降較低等優點，但與此同時也存在不少缺點。比如難以維護、體積質量方面沒有做到輕量化、系統結構復雜等，給這種制冷技術的應用帶來了很大的挑戰。20世紀70年代末，由于我國相關技術能力的提升，開展了空氣循環系統以及蒸發循環混合封閉循環系統的研發。在20世紀80年代初期，蒸發循環系統開始采用高速電動機作為動力源投入研發。與空氣/蒸發循環混合循環系統以及空氣循環系統相比，蒸發循環系統具有方便控制、能耗低等優點[9]，但是受限于當時高速電機驅動的工藝技術，而沒能將此項技術推廣下去。直到20世紀80年代末，蒸發制冷循環技術的技術取得重大突破，便開始開發綜合環境控制系統。當時，直升機整個低溫制冷系統主要以閉式循環蒸發系統為主[10-11]，隨后，這一子系統逐漸被俄羅斯、歐盟及美國的直升機采用[12-15]。

1.2 國內發展現狀

直升機用的蒸發循環系統在我國的發展時間較晚、進展緩慢、缺乏自主成熟技術。國內目前軍用直升機的機艙環控系統大多基于蘇聯的技術[16]，主要是以空氣循環制冷系統為主，即從機載發動機中引進來高壓高溫的氣體然后經由渦輪冷卻器冷卻對外做功后再進行降溫[17]。此系統具有輕量化、邊緣結構相對簡單的優點，各種運行環境都能滿足。然而，電子設備的激增導致了電子機艙的熱負荷大大上升，已成為超過座艙熱負荷的主要熱源。但是，由于我國氣候條件與蘇聯差異巨大，這種系統不能很好地適用國內的各種氣候環境，因此在夏季，該系統在低海拔的降溫能力更差。目前，中國逐漸開始想美英等國學習其在蒸發循環制冷的優秀理念，并正從測繪、模仿英美系統逐漸步入自主創新開發階段[18]。其次，國外不僅擁有良好蒸發循環制冷系統的設計研發基礎，還有著完整的相關系統仿真建模技術，從建模、求解以及相關的算法都在研究，對促進直升機載蒸發循環系統有著極大地作用，我國也需要加強這方面的研究。同時，對制冷系統的性能評估以及改進都在逐漸走向成熟，最終形成直升機蒸發循環子系統的閉環設計流程。然而，國內對直升機用蒸發循環系統的發展卻遠遠落后于國外的相關先進技術，主要表現在技術上采用重復的設計方案。這種原始的研發方法存在以下缺點：限于經驗以及研發時間的影響，往往找不到完美的設計方案；其次系統結構設計創新性低，制冷效率低下。

2. 直升機制冷系統

蒸發循環系統以及空氣循環制冷系統時較為基礎的2種機載低溫系統。空氣循環系統引氣會對發動機產生一定的影響且能耗較大，與之相比，蒸發循環系統性能系數（COP）高且成本較低，逐漸有取代空氣循環系統的趨勢。

2.1 空氣循環制冷系統

眾所周知，空氣循環制冷系統一般有以下3種形式：簡單空氣循環系統、三輪式空氣循環系統及升壓式空氣循環制冷系統。空氣循環系統主要由發動機引氣作為主要的循環氣體，其主要部件有風機、渦輪、換熱器、水分離器等。由發動機引氣經換熱器降溫冷卻后在渦輪機中膨脹，膨脹過程會產生溫度較低的冷空氣。在此過程中，冷卻渦輪驅動壓縮機、風扇和其他設備將來自高溫空氣的熱能轉化為其他設備的可用功。但是，由于引入了外部空氣，如果不采取其他保護措施，系統的使用速度和飛行高度將受到極大限制[19-20]。

3種系統的制冷原理圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 簡單式空氣循環系統原理圖

圖2 三輪式空氣循環制冷系統原理圖

圖3 升壓式空氣循環制冷系統原理圖

2.2 蒸發循環制冷系統

在20世紀70年代時，蒸發循環系統在直升機機載上的應用取得了極大地進展：美國率先研發了專門用于電子吊艙制冷的蒸發循環系統，并且在吊艙上展開了一系列實際應用。隨后，美國以及歐洲的直升機都逐漸開始裝配蒸發循環制冷系統。其中，如歐洲的“虎式”、蘇聯的米-17、美國的AH-64、VH-60N、EH-60、VH-3D等型號的直升機也都將此蒸發制冷系統作為首選制冷系統配置在直升機上。依據制冷工質經過壓縮機的壓縮次數可以將蒸發循環制冷系統劃分為單級壓縮系統以及雙級壓縮系統，下面針對2種壓縮方式系統進行詳細介紹。

2.2.1 單級壓縮蒸發循環制冷系統

在單級壓縮蒸發的循環過程中，工質被一級壓縮后由蒸發壓力轉變為冷凝壓力。單級壓縮蒸發循環系統通常由4個基本組件構成，即產生壓力波的壓縮機、冷卻壓縮機出來的高溫工質的冷凝器、具有節流制冷效應的節流閥以及具有冷量輸出功能的蒸發器，有時也會增加一個過冷器設備用來提高循環系統的制冷性能和工作環境。單級壓縮制冷系統的示意圖如圖4所示。從圖中可以看到，在此循環運行過程中，制冷工質以蒸氣的狀態通過蒸發器后被壓縮機吸入，工質在壓縮機中經過壓縮吸熱變為高溫高壓的狀態以冷凝壓力進入冷凝器中，高溫高壓的制冷工質進入冷凝器中和外界大氣換熱后冷凝變為液態。此后進入節流閥中進行節流膨脹，產生制冷效應，節流后成為氣液混合物狀態，且此混合物流入蒸發器吸收熱量最后蒸發，然后再返回壓縮機，至此，完成一個完整的循環。

圖4 單級壓縮蒸發制冷循環系統原理圖

其中，壓縮機是整個制冷系統的“心臟”，是循環系統中最核心的部件，負責產生壓力波。壓縮機通常包含渦旋式、螺桿式、閥板式等形式，可以通過電動驅動器（使用直升機中交流或直流電源）和主減速器（通過電磁離合器連接）來驅動壓縮機運行。在冷凝器中，制冷工質會將自身的大部分潛熱釋放出來，此時由來自外部的冷空氣或者燃油來進行冷卻工質。蒸發器中由于制冷工質的蒸發吸熱會有大部分的冷量產出，通常這部分冷量用于冷卻空氣或載冷劑。

2.2.2 兩級壓縮蒸發循環系統

當冷凝器中的冷凝溫度比較高時，相應的壓縮機壓力上升迅速，此時單級壓縮應景不足以滿足當前的工作條件，則兩級壓縮被采用，用來提高壓縮機壓縮效率，從而提升了整個循環系統的制冷性能。兩級壓縮蒸發制冷循環是指制冷工質經過高低壓壓縮機壓縮后從蒸發壓力壓縮到冷凝壓力的一種工質循環方式。

圖5展示的是一個兩級節流中間不完全冷卻的壓縮循環制冷流程圖，此系統包含2臺壓縮機、一個蒸發器、一個冷凝器、2個節流閥和一個閃蒸發箱。系統運行時，從蒸發器出口通過的制冷工質蒸氣進入低級壓縮機進行壓縮，從低級壓縮機拍出的氣體和閃蒸箱蒸發出來的氣體進行混合，混合后的氣體工質進入高壓壓縮機經過壓縮后工質以冷凝壓力進入冷凝器，高溫高壓的工質蒸氣被冷卻為液體。此液體工質經過第一個節流閥節流之后進入到閃蒸箱進行部分蒸發變為氣液混合物，混合物中的氣體與低壓壓縮機的排氣混合之后又一次流入高壓壓縮機被壓縮，閃蒸箱中剩余的液體工質則經過節流閥節流后流入蒸發器中，工質在蒸發機中吸收熱量變為氣體產生冷量后再次經過低壓壓縮機壓縮，完成了一個兩級壓縮制冷循環。和單級制冷循環系統比較，雙級壓縮循環雖結構復雜，但具有壓縮比比較小，排氣溫度較低，壓縮效率較高，性能系數較高，單位質量流量的制冷量相對較大等各種優勢。

圖5 兩級壓縮蒸發制冷循環系統原理圖

2.3 空氣循環系統與蒸發循環系統的比較

這2種非常常用且經典的機載制冷循環系統都有各自的優缺點，且適用的場合、應用的背景有所不同，下面給出一些具體的對比，如表1和表2所示。

表1 常見直升機制冷系統比較

表2 直升機采用空氣循環和蒸氣循環系統時系統性能對比

3. 總結和展望

本文從直升機機載制冷方式及其發展現狀的角度出發，首先對現有機載制冷循環的2種冷卻方式（空氣循環制冷和蒸發循環制冷方式）在國內外的發展和應用進行了剖析和總結，隨后介紹和展示了這2種制冷方式的基本運行原理，并對2種循環方式的優缺點以及性能進行了比較。通過對比二者的性能參數和指標可以發現，蒸發循環制冷系統相較于空氣循環制冷系統有運行成本低、性能系數高等明顯優勢。

據悉，當前國際上已經采用蒸發循環系統作為直升機主要的機載制冷系統，我國對于機載蒸發循環系統的研究較為淺薄，缺乏自主創新技術，但當前大力發展蒸發循環制冷系統是必要趨勢，應該將蒸發循環制冷系統作為機載制冷系統的主推方案。對于今后我國機載循環制冷系統的發展，作者認為應該著力于以下幾個方向和關鍵技術：

（1）主推蒸氣循環制冷系統在直升機上的應用；（2）高效的熱交換器技術研究；（3）高效且輕量化機載壓縮機關鍵技術研究；（4）直升機蒸氣循環高度仿真平臺系統的發展和建設。