民航飞机空调系统研究

唐君

摘 要：现代化的飞行器要求座舱及设备舱必须能够对空气进行调节，以保证旅客和空勤人员在飞机上正常生活和工作，并且保证设备的正常运行，同时飞行器日益向高空高速方向发展，对飞机的空调制冷要求就显得更加迫切。

关键词：空调；压力制度；温度控制；空气制冷；除水

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℃），壓力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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.