民用飞机空调系统设计需求分析

肖晓劲 林石泉 袁建新 吴成云

上海飞机设计研究院

民用飞机空调系统为民用飞机提供健康、安全和舒适的舱室环境，本文介绍了机载系统设计需求分析方法，对民用飞机空调系统的设计和需求分析过程进行了初步研究。

空调系统是民用飞机的一个重要机载系统，其主要作用是为机上成员提供健康、安全和舒适的环境，并满足机载设备对工作环境温度的要求。空调系统的设计方案，由飞机对空调系统的需求决定。在民用飞机概念设计和规划论证阶段，只有正确实施空调系统设计需求分析，才能将飞机的需求完整传递给空调系统，从而为空调系统方案的确定、研发和验证打下坚实基础。

设计需求分析概述

设计需求分析的概念起源于系统工程。随着对其关键地位与作用的认识日趋深入，设计需求分析的概念目前已经在科技创新、产品型号设计、行业发展规划、体系建设等领域得到越来越广泛的应用。民用飞机机载系统的复杂性要求采用系统工程的概念来确保获得可生产、可使用和有保障的机载系统，并满足功能的要求。

目前，设计需求分析过程无权威和统一的方法，较为常见的方法有：预测分析法、运筹分析法、技术经济法、评价分析法、逻辑分析法、层次分析法、费用独立变量法、灰色关联分析法、质量功能配置法和系统分析法等。综合各种方法在适用性、直观性、受主观影响程度、对早期信息的依赖性、对先前经验的依赖性、时间成本、经济型、可靠性和运用难度等方面的优劣，民用飞机空调系统技术需求分析宜采用系统分析法。

按照系统分析方法，系统设计需求分析的基本步骤如下：

（1）需求的捕获。需求捕获是收集、获取、发掘客户需求的过程，是需求工程的核心，也是民用飞机型号研制过程中最困难、最关键、最容易出错的环节。

（2）需求的识别。需求识别是理解和正确表达客户需求的过程。将捕获的需求加以仔细甄别，忽略与型号研制无直接关系的需求，提取出客户关于型号研制的真实要求，并完成客户确认过程。

（3）需求的定义与归类。需求定义是将识别出与型号研制直接相关的需求以书面、工程化的语言固定下来的过程。需求有多种类别，将需求划定为不同的类别，以便型号研制的不同阶段、不同专业使用。

（4）功能分解。功能是指由某项系统组成要素完成的某项特性活动。功能分解就是要从明确顶层功能（飞机级功能）开始，最终把这些功能分配到系统组成要素上去。系统组成要素则是指硬件、软件、设施、人员、程序性资料或其任意组合。在考虑通用化、系列化、模块化的基础上，民用飞机空调系统功能分解工作的重要内容是在给定的任务目标（需求和功能要求）和约束条件（标准限值）下，确定空调系统技术要求，构造空调系统方案，并以可承受的费用满足进度要求。

民用飞机与系统功能的分解与传递

功能分解与传递以一种自上而下的方法进行，把飞机分解成一个个功能区，每个区实现飞机基本功能分配给它的那部分功能，确定功能区之间的界面和接口，这些功能区和接口集中起来构成该层次系统的完整描述。一个层次上的各个功能区可以再分解为更低层次功能区，功能分解一直进行到最低层次。功能分解产生的各级技术要求随之传递给下一层次。

空调系统的设计应满足飞机对空气环境的需求和功能要求。基于系统分析的理念，通过民用飞机设计需求分析，可将飞机级功能逐步分解，例如可分为基础功能、功能和子功能等3 个层级。功能分解没有统一的方法，但应满足如下原则（这些原则也同样适用于系统级功能的进一步分解）：

（1）确保功能完整性；

（2）尽量减少功能层级；

（3）尽量减少功能的重叠和交叉。

通常，空调系统直接服务于“控制飞机座舱内部环境”的飞机级功能，由此派生出实现座舱压力调节、座舱温度控制、座舱通风和空气品质控制等4 项飞机级子功能。这些飞机级功能要求传递给空调系统，使空调系统应该具备以下主要的系统级功能：

（1）座舱增压及压力控制：为座舱增压区域提供充足的增压空气，保持合理的座舱压力，在最大使用高度范围内可手动或自动调节座舱压力及座舱压力变化率；

③对于那些建成在年以下的建筑区域，其负荷在短时间内不会发生太大的变化，也可以参照5年以上的建筑区域进行电力负荷的预测。对工业负荷的预测需要注意的是，工业负荷的预测应根据该城市截止到预测年份的工业规划来进行，要充分结合城市中的工业规划分布。如果在未来几年城市的工业没有明显的增加，那么，就可以采用工业用电用户上报的装容量数据对工业电力负荷进行预测。

（2）提供新鲜空气，控制污染物浓度：为乘员提供充足的、无污染的新鲜空气；

（3）座舱通风：为乘员提供舒适的温度环境，为机载设备提供合适的工作温度；

（4）座舱空气再循环：利用循环空气，最大限度减少发动机引气代偿损失；

（5）座舱温度控制：保证正常运行时的座舱环境空气温度的设定和实现，在冷天或热天环境下快速实现座舱升温或冷却；

（6）应急操作：具有在应急状态（例如座舱产生烟雾）下保护乘员安全的应急工作方法；

（7）提供系统工作信息：通过信号指示、控制面板及告警灯等，向机组人员提供系统的工作状态和告警信息等。

空调系统主要设计需求的类别

安全性要求

由于涉及飞行和旅客安全，因此空调系统的安全性需求是由飞机强制决定的，主要包括：维持座舱增压、座舱温度控制和座舱通风。适航规章及相关文件对安全性要求进行了明确规定，详见运输类飞机适航标准CCAR-25.831、25.832、25.841 和25.843 条 款 及 咨 询 通 告AC25-20。但由于适航规章仅规定了航空产品的最低安全标准，若要使民用飞机产品具有较强的综合市场竞争力，满足更高的安全性要求是途径之一。例如，Boeing 公司针对200～250 座的客机市场推出了全新理念的“梦幻飞机”Boeing-787 将座舱压力高度限制在6000ft 以下，从而可以营造比大多数客机更为舒适的座舱压力环境，这也成为其主要卖点之一。

客户需求

客户通常要求系统采用高度成熟的产品，尽量提高经济性和维护性，降低使用成本。另外，客户基于商业运营的特定需要，往往对飞机功能和空调系统设计会提出一些定制需求，例如货舱运载活物、飞机满足高原起降要求等。

运行需求

空调系统应满足飞行机组在各种使用和操控要求，其控制面板和监视器应与系统的各项功能相适应，满足系统功能关断、调节、协同或独立工作等要求。另外，空调系统应具有机上自检、显示和监控功能，用以检查系统运转是否正常、表明其功能实现程度和系统状态、判断可能的故障原因。此外，系统设计时还应考虑未来可能发生故障的情况，在设计允许的条件下增设防错或故障隔离装置，并为运行和维护人员提供方法判别其故障并进行维修。

性能需求

根据上文所述飞机传递给空调系统的4 项子功能要求，空调系统的主要性能需求可按3 个层级划分，如图1 所示。

物理安装需求

物理和安装需求将空调系统物理属性与飞机环境联系起来，包括：尺寸、安装规定、动力、冷却、环境约束、可视程度、可达性、判断、处理和储存等多种要素。

可维护性需求

图1 空调系统性能需求示意

民用飞机空调系统及其设备必须具有良好的可维护性。系统设备尽量设计成航线可更换单元（LRU）形式，以便于维修更换，提高航班的签派率。同时，空调系统应具有良好的自检和信息反馈措施，以方便维护人员对系统进行日常维护和排故。

接口需求

空调系统的正常工作需要与之相交联系统的配合。系统之间应有完整可靠的接口定义，以划分出设计界面，同时有利于飞机级功能的分配。这些接口信息应能被飞行机组监控。

附加审定需求

适航规章和AC 除对空调系统设计的强制要求之外，还规定了一些空调系统表明适航符合性的程序、方法和工具，主要文件包括AP-21-03《航空器型号合格审定程序》、AP-21-05《民用航空产品和零部件适航证件的颁发和管理程序》、AP-21-06《民用航空材料、零部件和机载设备的合格审定程序》、AC25-20《Pressurization，Ventilation and Oxygen Systems Assessment for Subsonic Flight including High Altitude Operation》、AC25-22《Certification of Transport Airplane Mechanical Systems》和AC25.1309-1A《系统设计和分析》等。

衍生需求

为了满足空调系统需求，设计研发活动进行的一些决策和产生的结果会成为下一阶段设计研发工作的需求，即衍生需求。由于衍生需求来自于设计研发活动本身，因此空调系统衍生需求与特定型号的研制过程有关，并无统一模式。

结语

本文对民用飞机空调系统的设计和需求分析过程进行了研究，初步梳理出空调系统的设计需求。