王旭陽(yáng)　王力維

【摘 要】本文介紹了民機(jī)座艙對(duì)新鮮空氣的設(shè)計(jì)依據(jù)，給出了通用的設(shè)計(jì)步驟和方法。并基于440座機(jī)的雙通道客機(jī)，進(jìn)行了流量制度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果與同座級(jí)商飛飛機(jī)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文介紹的流量制度設(shè)計(jì)流程和方法是工程可執(zhí)行和可靠的。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；新鮮空氣；流量制度

中圖分類號(hào)： V243.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）23-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.016

【Abstract】Design requirements are introduced for cabin fresh air flow schedule of civil aircraft.Design flow and method are also presented.Fresh air flow schedule for 440 passengers are designed，and result are compared with the similar commercial aircraft in the market.The comparison shows that the introduced design flow and method are engineering executable and reliable.

【Key words】Civil Aircraft；Fresh air；Flow schedule

0 引言

民用飛機(jī)作為高效快捷的載人交通工具，對(duì)載人安全、乘坐舒適都具備較高要求。其中向座艙提供足額新鮮空氣是必備的技術(shù)手段。

民機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的核心功能就是向座艙內(nèi)部提供足額新鮮空氣量。高空飛行時(shí)外界低溫低壓環(huán)境空氣，無法直接抽引進(jìn)入座艙使用。目前傳統(tǒng)民用飛機(jī)抽引來自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)5-9級(jí)的高溫高壓氣體，經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理后送入座艙，確保座艙內(nèi)溫度、壓力以及污染物濃度水平符合載人要求。

但從發(fā)動(dòng)機(jī)抽引的空氣量對(duì)飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響較大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，每增加1lb/s的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，飛機(jī)燃油代償損失將增加1.5%。民用飛機(jī)直接面對(duì)全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須極力避免從發(fā)動(dòng)機(jī)抽引過大的新鮮空氣量。

1 座艙新鮮空氣流量制度的設(shè)計(jì)依據(jù)

民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)需向座艙提供的新鮮空氣量應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)依據(jù)：

a）適航規(guī)章對(duì)最低人均新鮮空氣量的需求。如CCAR25.831a）要求正常工況下人均新鮮空氣量不低于0.55 lb/min[1]，AC25-20建議系統(tǒng)可能的失效工況下人均新鮮空氣量不低于0.4 lb/min[2]；

b）座艙保壓需求。SAE ARP 85建議至少使座艙能夠維持300ft/min的增壓速率[3]；

c）艙內(nèi)二氧化碳濃度限制需求。CCAR25.831b）2）要求艙內(nèi)二氧化碳濃度應(yīng)不高于0.5%[1]；

d）座艙排煙能力要求。AC25-9A建議駕駛艙換氣間隔不大于3min[4]，AC25.795-4建議客艙換氣間隔不大于5min[5]；

e）艙內(nèi)溫度控制性能需求。SAE ARP 85建議艙內(nèi)溫度應(yīng)能穩(wěn)定在18-29℃區(qū)間內(nèi)，巡航時(shí)艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度能夠維持在24℃[3]；

f）地面座艙快速加溫和快速冷卻的性能需求，SAE ARP 85建議30 min內(nèi)將艙內(nèi)空氣溫度冷卻或加熱至目標(biāo)值。

2 座艙新鮮空氣流量制度的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本文推薦的民用飛機(jī)座艙新鮮空氣流量制度的設(shè)計(jì)方法為：

2.1 采用定體積流量

座艙內(nèi)通風(fēng)口的射流風(fēng)速是對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)影響較大的因素，維持定通風(fēng)射流風(fēng)速，有利于維持艙內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定，不會(huì)因通風(fēng)口射流風(fēng)速的突變影響迎風(fēng)面的舒適性。鑒于民用飛機(jī)座艙內(nèi)部環(huán)境壓力是隨著飛行高度而變化的，一般從地面的1個(gè)大氣壓，變化為巡航高度的0.75個(gè)大氣壓。定體積流量的流量制度，可確保在任何飛行階段，艙內(nèi)的通風(fēng)射流風(fēng)速保持不變。

此外，民機(jī)空調(diào)系統(tǒng)采用文丘里管進(jìn)行流量測(cè)量，利用蝶閥進(jìn)行流量控制。采用定體積流量制度，降低了系統(tǒng)流量檢測(cè)和控制的難度。

2.2 設(shè)計(jì)多種流量模式，涵蓋不同設(shè)計(jì)依據(jù)需求

a）高流量模式（HI模式）。覆蓋特殊工況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)高流量的需求：

1）當(dāng)艙內(nèi)出現(xiàn)煙霧時(shí)，啟動(dòng)座艙排煙功能，加快座艙通風(fēng)換氣率；

2）極端冷熱天時(shí)外部熱載荷增大，需增大通風(fēng)量，維持座艙溫度在較舒適或可長(zhǎng)時(shí)間耐受范圍；

3）地面機(jī)體冷、熱浸透后，需增大通風(fēng)量，快速加溫或冷卻座艙溫度。

b）默認(rèn)流量模式（Nominal模式）。覆蓋100%上座率時(shí)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的最大流量需求：

1）適航規(guī)章對(duì)最低人均新鮮空氣量的需求；

2）非極限天氣下，座艙內(nèi)空氣溫度控制在舒適范圍。

c）最低流量模式（Minimum模式）。在失效工況下為確保載人和飛行安全，空調(diào)系統(tǒng)必須保障的最低流量：

1）適航規(guī)章對(duì)最低人均新鮮空氣量的需求；

2）座艙保壓需求；

3）艙內(nèi)二氧化碳濃度限制需求

4）非極限天氣下，艙內(nèi)溫度控制在較舒適或人體可長(zhǎng)時(shí)間耐受的范圍內(nèi)。

d）經(jīng)濟(jì)流量模式（ECO模式）

空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，供氣量可低于Nominal模式，依據(jù)實(shí)際上座率線性插值確定，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量，降低民機(jī)運(yùn)營(yíng)成本。但一般不得低于Minimum模式。

3 民用飛機(jī)座艙新鮮空氣流量制度的設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本文推薦的流量制度設(shè)計(jì)步驟如下圖所示：

基于上圖設(shè)計(jì)完成流量制度后，應(yīng)開展設(shè)計(jì)依據(jù)的確認(rèn)工作，如下圖所示：

4 流量制度設(shè)計(jì)示例

以典型440座級(jí)的寬體客機(jī)為例，設(shè)計(jì)得到的流量制度以及對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)的確認(rèn)結(jié)果如下：

從圖3可以看出，根據(jù)本文開展的民機(jī)流量制度設(shè)計(jì)，完全符合設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)依據(jù)的滿足情況得以確認(rèn)。

將該流量制度與相似座級(jí)的B777飛機(jī)的流量制度進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示：

a）B777無HI模式，但其Nominal模式與本文的設(shè)計(jì)示例的Nominal模式相當(dāng)。因Nominal模式代表正常工況下飛機(jī)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的最大能力需求，故此可以斷言，依據(jù)本文推薦的民用飛機(jī)座艙新鮮空氣流量制度的設(shè)計(jì)方法是工程可執(zhí)行且可靠的。

b）本文的設(shè)計(jì)示例的Minimum模式大大低于B777，這說明嚴(yán)格基于設(shè)計(jì)依據(jù)確定的Minimum模式，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)減低在失效工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)論

本文給出了民機(jī)座艙對(duì)新鮮空氣的設(shè)計(jì)依據(jù)，并基于工程經(jīng)驗(yàn)，介紹了一種通用的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，以及設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)的確認(rèn)路徑。

并基于本文介紹的設(shè)計(jì)方法，對(duì)典型的440座機(jī)寬體客機(jī)進(jìn)行了流量制度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果與同座級(jí)B777飛機(jī)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文介紹的流量制度設(shè)計(jì)流程和方法是工程可執(zhí)行和可靠的。

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