民航飞机空调系统研究

民航飞机空调系统研究

王 野

（吉林空港航空地面服务有限公司，吉林长春 130501）

摘 要 介绍民航飞机压力和温度控制方案，分析各个飞行阶段压力制度；对飞机制冷技术的现状和发展进行研究，通过对空气循环制冷技术分析，研究制冷机各个部件出口温度，阐明制冷系统制冷原理，简要概述了除水和清洁空气方法，讨论制冷技术未来发展方向。

关键词 空调；压力制度；温度控制；空气制冷；除水

中图分类号：V245 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）04-0049-03

1903年莱特兄弟设计制造了人类文明史上第一架小型民用飞机，随着科技进步，飞机飞得越来越快，越来越高。高空缺氧气低压问题自然而然的显现出来。早期飞机飞行高度低，速度小，所在高度层的空气密度，温度完全可以满足机组人员和乘客的生存需要。而现在民航飞机飞行高度一般在9000米到11000米之间，位于对流层顶部和平流层底部，大气稳定，流动很小，温度甚至没有变化。这些稳定的参数多民航飞机的设计非常有利。但是，此区间空气密度小，气温低，氧气不足，气温低至恒温的-56℃，气压也仅仅为20 kPa，根本无法满足人类生存需要。对于机组人员和旅客生存保障而引入空调系统，空调系统的功用主要有：1）保证机组和乘客的正常工作条件和生活条件；2）对电子设备冷却；3）控制货仓温度压力。空调系统具体需要调节的大气参数有：压力、温度、湿度、清洁度。

1 空调系统概述

谈到空调，不得不提空调系统空气来源，现代民航客机引气来源于发动机压气机高压级引气（发动机引气）、地面气源和APU引气。引气进入空调系统之前，通过流量控制和关断活门保证进入管路的空气流量恒定。同时，温度、压力也得到简单的控制，保证高温不超预设温度、高压不超预设压力。

高空巡航状态的飞机引气来源正常选择只有发动机引气，发动机引气进入空调系统之前其参数为，温度400℉（205℃）上下、压力仅仅保证不高于220PSI（15个标准气压）。以波音737NG系列飞机为例，其引气温度在390℉到440℉（199℃到227℃），压力160PSI到180PSI（11到12个大气压）之间。对于压力而言，一是满足人的生活生存需求；二是控制内外压差，防止过压。由于引气量通过引气系统保证足够且恒流量，现代飞机是对座舱压力控制方法是控制排出气量，达到气压在15PSI（一个大气压）左右，且不出现负压，也就是说控制排气活门的开度达到控制所需的气压。

对于温度而言，首先，人类感觉舒适的大气参数为温度华氏75℉（24℃），压力14.7PSI（一个大气压）。而发动机引气特点高温400℉，高压200PSI，相差甚多；其次电子设备自身发热之后也需要低温冷却防止过热损坏。所以温度控制方案是如何把已有的高温空气降至低温，从而与热空气混合，达到我们想要的华氏75℉的空气。换言之温度控制的核心技术是对热空气进行降温的制冷技术。民航飞机采取的制冷技术主要有空气循环制冷和蒸发循环制冷两种方式。

另外，大气含有一定水分，而飞机结构为了防腐，空调系统一般只采取除水，而不采取加湿。至于干燥后造成旅客的不适一般采取饮水补充。除水技术目前已成为制冷机的一部分；空气中同时存在各种杂质，尤其低空，难免有雾霾、沙尘等空气污染物。而旅客机组需要的是清洁可用的空气，电子设备的冷却空气也需要尽量的减少灰尘以防散热不良。所以空调系统送出的空气尽量减少这些污染物。

2 压力控制

空调系统压力控制通过控制排气活门开度控制压力，也就是控制排气量。一般为了防止客舱气压低，我们要保证座舱压力高度（座舱内部气压所对应的标准大气压力高度，高度越高，气压越低）不超过2400米（8000英尺）。并且当座舱压力高度达到3000米（10000英尺）时，应有警告以防气压太低；同时，从舒适度上考虑，座舱高度上升变化率小于500英尺/分（152米/分）。下降变化率小于350英尺/分（107米/分）时；另外，防止飞机结构损坏，还要限制内外压差，尤其避免飞机承受负压差。达到以上的要求就要有一定的增压规则，我们称为压力制度。压力制度是压力随高度变化的规律，早期民航飞机采取三段式压力制度，随着电子式压力控制器替代气动式压力控制器，现代大型客机采取可以提供更为舒适的直线式压力制度。图1为波音B738的压力制度。

图1 B738座舱压力制度

图1中，我们将飞行分为五个阶段：地面预增压、爬升、巡航、下降、地面不增压。

地面预增压控制程序是控制器输出一个使座舱高度低于当地机场高度-189英尺的控制信号。也就是对飞机座舱预先的增压，这个预先的增压可以抑制起飞前大速度滑跑引起的座舱内外压差变化；起飞之后主轮离地转入爬升程序，预定的压力制度控制排气活门，控制座舱高度慢慢上升，也就是慢慢的降低座舱内部气压。当座舱内外压差达到1500ft（内外气压高度差约为0.25psi）时，自动转入飞行段最多运行时间的巡航程序。座舱内外压差值这个0.25psi的提前量是为了避免飞机在巡航中由于气流变化掉高度引起控制系统过多调节，巡航程序时飞机只要掉高度不超过1500ft，座舱内部压力保持恒定值，座舱高度保持不变；下降程序是当座舱的内外压差值再次出现比巡航设定值低0.25psi时，由巡航程序转入下降程序。当飞机主轮接地起落架压缩转换空地信号时，此时控制系统保持座舱高度比设定的着陆场高度低-300英尺，防止过大着陆载荷引气客舱内气压波动引起不适。着陆后重新执行地面预增压程序，保持座舱高度低于着陆场地-189英尺。直到飞行员停场时选择地面自由通风模式后直接转入不增压模式。

3 温度控制

飞机的引气是热空气，所以为了控制温度，首先要制冷。制冷方式一般采取两种，一种是早期飞机采用的蒸发循环制冷；一种是当下主流飞机使用的蒸发循环制冷。前者采取闭环控制，制冷剂通过相变带走热量；后者采取开环控制，制冷剂是空气本身，通过对外做功降低热量。

3.1 制冷方式

蒸发循环制冷早期使用氨作为制冷工质，到了近现代采用氟里昂代替。其原理如图2所示，通过一系列机械机构在蒸发器之内得到低温液态制冷剂，与被降温的引气进行热交换。其缺点是需要使用消耗性的制冷剂，从而需要更多地维护，制冷剂又对环境有较大破坏，所以这种制冷方式仅用于早期飞机。

图2 蒸发循环制冷

空气循环制冷系统的工质是空气，理论基础是逆布雷顿循环，通过高压引气对外做功降低内能制冷。理论上由四个热力学过程组成：一是绝热压缩，此过程理论上没有能量交换，实际过程中熵的增加也不是很多，所以我们也称为等熵压缩；二是等压冷却，此过程顾名思义，维持压力不变，温度降低；三是绝热膨胀；四是等压吸热。由图3中我们可以看出功和热的传递方向。

图3 空气循环制冷原理

空气循环制冷相比蒸发循环制冷系统有明显的优势：1）空气循环制冷利用空气为冷却介质无毒无害，容易获取。且制空气在作为工质时始终是气态，不产生相变，同时，空气又是取之不尽用之不竭经济实惠；2）空气循环机工作温度限制小，可达到-50℃甚至更低；3）空气循环机运动部件少可靠性高，空气作为制冷剂，无毒无害无需任何处理。封严要求并不苛刻，所以空气循环制冷系统在实际工作中维护工作量低；4）由于现代民航飞机可以提供的气压具有高温高压的特性，冲压空气通过冲击涡轮对外做功降温，对空气循环机的使用提供了有利的条件。

3.2 空气循环制冷机

民航飞机的空调系统由高温高压的发动机压缩引气源、热交换器、空气循环机（ACM机）组成。首先引气和冲压的冷空气在热交换器内完成热交换，随后进入ACM机，ACM机就是一个把热能转化为机械能的装置，核心部件是涡轮，一种空气流过之后对外做功降温的部件。引气通过ACM机后本身的温度和压力在ACM机结构的涡轮出口得到大大降低，获得温度低于0℃的引气，再与不经过ACM机的热路引气按一定的比例混合，之后就可以通向客舱提供舒适环境并增压。同时一部分冷路引气可以直接混合热路引气对电子设备舱冷却。民航ACM机的工作原理相同，都是气体通过涡轮对外做功内能减小，温度降低。仅仅配置不同而已，一般采取以下几种形式：简单式、升压式、三轮式。

3.2.1 简单式ACM机

简单式ACM机是最早期的应用，其组成也非常简单：风扇、涡轮、热交换器。如图4所示：其原理是引气最终通过涡轮降温，同时对外做功。既然对外做功，做的功怎么应用？简单式的ACM机的功耗方式是带动同轴风扇。而风扇运转时抽动外界的冷空气，这部分冷空气又可以初始冷却热引气。该系统缺点是引气做功量不多，降温效果不明显，效率低；再者使用高度受限，飞机飞行高度增加时，风扇负荷减小，最终导致同轴的涡轮转速迅速增加，甚致超转。该系统结构简单，早期飞机广泛应用这种形式。

图4 简单循环系统

3.2.2 升压式ACM机

升压式ACM机是对简单ACM机进行了改进，其组成和简单式ACM机也大体相同，就是把简单式的风扇换成了压缩气体的压气机。涡轮输出的功带动的部件也就换成了压气机，升压式ACM机通过压气机对高压引气再一次增加压力，使进入涡轮引气压力进一步增加，解决了简单式ACM机问题。但同时其缺点也迅速显现，着陆停场后无冲压空气时热交换器无法工作，制冷能力下降非常严重，只能另设电动风扇进行抽吸外界空气冷却，此系统是三轮式ACM机的雏形。升压式ACM机应用民航客气有波音727、737CL、747、757、767等。

3.2.3 三轮式ACM机

升压式ACM机问题是着陆后性能不好，其解决办法又是增加电动风扇，那我们为什么不能在升压式ACM机基础上再增加一级同轴风扇？三轮式ACM机整合了简单ACM机和升压式ACM机两者的优点，如图5所示。其组成是两级散热器、风扇、压气机、涡轮。涡轮输出功由两部分消耗，分别是风扇、压气机。二者之间能耗比气动配平。三轮式ACM机由于存在同轴风扇、涡轮前压气机，即使在飞机停场期间，性能也得到了保障，所以得到广泛应用。如欧洲空中客车的A330和A340飞机，波音737NG飞机。

三轮式ACM机通过涡轮内空气膨胀降温，搭配两级散热器能够很好的降温，图6以空中客车A330飞机为例，阐述飞机三轮式循环机各个位置温度变化。首先200℃的发动机高温引气经初级散热器温度降至120℃后进入压气机压缩，压缩后的空气静压气机温度升至180℃，再流经主散热器之后温度降至70℃进入涡轮进口。最后经涡轮膨胀降温温度降至接近-50℃。由图中不难看出，散热器降温效果明显。甚至可以对引气降温50﹪。所以民航飞机由于散热器被大气灰尘长期累积的堵塞引起很多过热故障。

图6 三轮空气循环机温度变化曲线

由三轮式循环系统不难想到四轮ACM机，也就是在三轮式ACM机基础上，增加一级涡轮，并且控制增加的涡轮出口温温度。原理同三级ACM机。四级ACM机应用于波音B777系统上。作为空调系统三级ACM机其可靠性高、故障率低，已基本满足大多数民航要求。四级升ACM机增加涡轮的同时，也增加了运动部件涡轮，传感器也随之增加，同时又增加了一级热交换器。而热交换器过热故障（多数为散热器太脏引起散热不良）是民航飞机空调故障最高的故障源。所以四级ACM机可靠性不及三级ACM机。随着技术的更新，涡轮冷却器可靠性最薄弱的环节轴承可以使用最新的空气轴承代替机械轴承，运动部件的可靠性大大提高。但是散热器大气灰尘堵塞问题依旧很难解决。

4 空调系统除水和空气清洁

空调除水系统是空调系统很重要的一个组成部分，水的存在最重要的隐患就是当空气循环机冷却之后，气温降至0℃以下，容易结冰堵塞管路；其二就是微生物腐蚀；其三是对重要电子设备的腐蚀。空调除水系统一般分为低压除水系统和高压除水系统，低压除水就是在引气离开涡轮后除水；高压除水系统是引气进入涡轮之前除水。低压除水系统一般要求涡轮出口温度要高于0℃，以防止除水前结冰。现在民航飞机已经淘汰这种技术，仅仅应用于早期研制的飞机上，如波音B737-600、737CL、747，空客A300、A310等。

高压除水方式是引气进入涡轮前除水，好处是此时的引气温度高，速度低，空气露点低，水分相对容易凝结析出；最重要是涡轮出口温度不受限制，不必担心涡轮后结冰。高压除水方式保证了之前所讨论的三轮式ACM机出口温度降至-50℃。采用这种除水方式的飞机有波音B737-700/800/900、B757、B767、空中客车A320、A330、A340、麦克唐纳-道格拉斯D12等。

空气清洁主要采取两种方式，这两种方式也是并存的：一是采取气滤，利用空气中污染颗粒通过多层狭小缝隙后，空气可以通过，污染物不能通过达到清洁的目的；二是利用空气流动方向的急速改变，使杂质与空气分离，有百叶窗式和螺旋式。

5 不足与展望

飞机空调系统的核心问题是制冷，制冷技术的不断探索和优化推动飞机空调技术的发展，进入21世纪后，空气循环制冷技术已经十分成熟，与高压除水系统的结合使飞机空调系统进入崭新的一页。由于空气循环机制冷效率不能完全满足需求，三级ACM机还不能摆脱散热器的帮助。散热器直接与外界接触，当今中国人倍受PM2.5考验的同时。航空器空气循环机散热器也因为存积大量PM2.5而成为主要的故障源。另外，涡轮的运转和冲压冷却空气的流入流出产生很大的噪音。即使使用空气轴承后，降噪效果明显，但空调系统噪音依然是飞机停场后最大的噪音源。

对于散热器清洁技术，我们可以大胆的尝试，不应该仅限于清洁剂清洗，更应该尝试其他技术，如超声清洗，甚至更多其他办法。随着PM2.5治理力度加大，散热器污染会进一步减小；由于科学技术的进一步发展，我们可以考虑混合制冷方式，采取闭环的蒸发循环机、开环的空气循环制冷方式和冲压冷空气相结合的方式，进一步提高制冷效率；新材料的应用也必将引领新技术的革新，空调系统的可靠性提高毋庸置疑，噪音污染也会大大降低。相信有一天，航空器空调系统可以低噪音、高可靠性静静的为人民服务。

参考文献

[1]任仁良/张铁纯涡轮发动机飞机结构与系统[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[2]Amm，SDS，737-678_BEJ_SDS_D633A101-BEJ_，Feb 10/2004，rev23.

[3]Amm，SDS，777_BEJ_SDS_D633W101-BEJ_，May 05/2004，rev41.

作者简介

王野（1983-），男，本科，毕业于中国民航大学，飞行器动力工程专业。