直升机环境控制系统应用现状分析

彭孝天，王苏明，王晨臣，冯诗愚

（南京航空航天大学，南京210016）

近年来，直升机在执法、救护、农业、军事、运输等方面的应用越来越广泛[1]。伴随着直升机技术的革新，机载大功率电子设备逐渐增多，且司乘人员对机舱的舒适性要求日益提高，直升机环控系统的重要性越来越突出。国外高性能的民用及军用直升机均装备了性能较完善的环控系统，而国内起步较晚，因此发展配套的直升机环控系统具有重要意义。

与固定翼飞机相比，直升机飞行高度较低，飞行速度较慢，且不需要座舱增压。另外，直升机环控系统一般加装在已经设计完成并已经生产的机型上。而在设计之初，多数直升机并没有考虑环控系统的代偿损失，因而在设计直升机环控系统时，应尽可能在降低系统重量的同时提高系统效率[2]。本文对直升机环控系统的各类制冷系统、制热系统进行了总结与分析，为给国内直升机加装环控系统提供借鉴。

1 直升机加热系统

常见的直升机加热系统除了发动机引气直接供热外，还有内部燃烧加热、废气加热、电加热等方式[3]。

1.1 内部燃烧加热

加温器由内外2个室组成，燃料与空气的混合物进入燃烧室燃烧。来自大气或座舱的空气进入外室与炉壁换热，被加热后送入座舱。图1为这种加热方式的原理图。

1.2 废气加热

空气经过带有纵向肋片的内管，被发动机排出的废气加热升温后送入座舱，原理图如图2所示。

图1 内部燃烧加热原理图Fig.1 Schematic diagram of internal combustion heating

图2 废气加热原理图Fig.2 Schematic diagram of exhaust heating

1.3 电加热

电加温器主要由电阻元件组成，电阻元件对通过加温器的冲压空气进行加热。原理图如图3所示。

图3 电加热原理图Fig.3 Schematic diagram of electric heating

1.4 加热系统的比较

常见加热系统的性能比较见表1。

表1 常见加热系统的性能比较Tab.1 Comparison of performances of common heating systems

由于发动机引气加热技术简单可靠，且在固定翼飞机中应用较成熟。故目前直升机加热系统大多选用发动机引气直接加热的方式。

2 直升机制冷系统

飞行器环境制冷系统主要有空气循环系统和蒸发循环系统2大类[4]。

2.1 空气循环制冷系统

空气循环系统由于对温度、压力控制高效、设备质量轻，目前被广泛应用于固定翼飞机中。它主要是由发动机带动的座舱增压器或者由主发动机引出的空气作为供给空气。高压空气经过热交换器初步冷却后再经过冷却涡轮进行膨胀降温，由此获得所需的冷空气，冷却涡轮带动压气机、风扇、泵或其他装置，将热能转换为可用功。直升机空气循环制冷系统主要借鉴固定翼飞机上制冷系统的成功经验，其主要包括简单式、升压式及三轮式3种形式[5-6]。

2.1.1 简单式空气循环制冷系统

图4为简单式空气循环的原理图，发动机引气首先经过热交换器，利用冲压空气对其进行初步降温。然后进入涡轮，膨胀降温后送入座舱。这种系统的缺点是需要的引气压力较高。

图4 简单式空气循环原理图Fig.4 Schematic diagram of simple air cycle diagram

2.1.2 升压式空气循环制冷系统

升压式空气循环系统如图5所示。

图5 升压式空气循环原理图Fig.5 Schematic diagram of boosting air circulation

与简单式不同的是，这种系统增加一个由涡轮带动的压气机，可以用在供气压力受限情况下，使涡轮前的供气压力进一步提高，从而获得更大的涡轮降温。发动机引气先经过初级热交换器预冷，后被压气机压缩后经过第二级热交换器，然后进入冷却涡轮。在冷却涡轮中膨胀到所需的座舱空气压力，同时，涡轮将热能转换为轴功并用来带动压气机。

2.1.3 三轮式空气循环制冷系统

三轮式是简单式与升压式组合的空气循环制冷系统，因为其冷却装置中的同一根轴上有涡轮、压气机和风扇三个轮子，由涡轮膨胀冷却时的轴功带动压气机和风扇，所以称作三轮式。三轮式系统提高了直升机地面停机和低速飞行时的制冷效率，提高了能量的利用率[7]。原理图如图6所示。

图6 三轮式空气循环原理图Fig.6 Schematic diagram of three wheeled air circulation

2.2 蒸发循环制冷系统

蒸发循环制冷系统在作用原理上为热泵，即把热从低温取出并把它排到较高的温度中去。它具有性能系数高、噪声低、组件小等优点[8]。缺点是制冷剂泄露会污染大气、系统质量较大等。根据制冷剂的压缩级数，蒸发循环系统可分为单级压缩和两级压缩[9-12]。

2.2.1 单级压缩蒸发循环系统

单级压缩蒸发循环的原理图如图7所示。

图7 单级压缩蒸发循环原理图Fig.7 Schematic diagram of single-stage compression evaporation cycle

工作时，压缩机抽吸蒸发器出口的制冷剂蒸汽，并将其压缩升压至冷凝压力，并送至冷凝器；该高压制冷剂在冷凝器中冷凝成液体；然后，进入节流机构节流膨胀，变为一种气液混合物；该混合物流入蒸发器中吸热蒸发；最后，重新回到压缩机完成一个循环。

2.2.2 两级压缩蒸发循环系统

当冷凝温度较高时，对应的压缩机增压比较大，此时需要采用两级压缩，以改善压缩机工作条件，提高压缩机的效率，进而提高整个系统的性能。原理图如图8所示。

图8 双级压缩蒸发循环原理图Fig.8 Schematic diagram of two-stage compression evaporation cycle

2.3 直升机制冷系统的发展趋势

表2分析比较了2种制冷系统的优缺点。可以看出，蒸发循环系统与空气循环相比，有性能系数高、代偿损失小、无发动机引气等优点，且近年来蒸发循环制冷系统可靠性差和制冷剂泄漏等弊端得到了解决，故现代直升机广泛采用蒸发循环制冷系统，且有取代空气循环系统的趋势[13-14]。表3统计了国外现役直升机加装环控系统的现状[15]，从中也可以看出，人们在选择直升机环控系统时，越来越青睐于蒸发循环系统。

从整个环控系统性能角度出发，随着直升机机载电子设备的增多，热流密度的增大以及附件制造工艺、系统优化和控制技术的进步，要保证电子设备的正常工作，必须及时将这些热量散发出去。同时，乘员对直升机座舱舒适性的期望越来越高。所以传统的开式空气循环制冷由于发动机引气量的限制而不能满足冷却需求，而蒸发循环制冷系统的高效能制冷能力能够满足这一冷却需求。另外，发动机引气会造成燃料燃烧增多，排出的废气也会造成一定的大气污染。因此，我国今后在研发的新型直升机冷却方案设计中，应以蒸发循环制冷为首选方案。

表2 常见直升机制冷系统比较Tab.2 Comparison of common helicopter refrigeration systems

表3 国外现役直升机环控系统形式统计Tab.3 Form statistics of active helicopter control system in foreign countries

表4统计了典型直升机制冷系统的制冷量和重量，在初步设计直升机蒸发循环系统时可用做参考。

表4 典型直升机制冷系统主要参数一览表Tab.4 List of main parameters of refrigeration system for typical helicopters

3 VCS主要部件介绍及选型

3.1 制冷压缩机的选择

直升机独特飞行条件，决定机载制冷压缩机应具有以下特性[16-17]：

①效率高；②功重比高；③工作范围广；④对飞行高度敏感性低；⑤对突发情况适应性好；⑥可靠性高。

常见机载制冷压缩机的分类见表5。

表5 常见制冷压缩机分类表Tab.5 Classification tables of common refrigerating compressors

表6对常见机载压缩的性能进行了对比分析，发现并没有哪类压缩机可以满足以上所有要求。但是表6表明螺杆式压缩机的综合性能最好，最适合机载循环，但是国内小制冷量的螺杆机并不成熟。

目前，国内具有配套能力的压缩机的类型主要有活塞式（斜盘、滚动转子）、涡旋式、旋叶式。表7总结了这3种压缩机的性能对比，可以看出，涡旋式是国内目前最合适应用于直升机蒸发循环制冷系统的压缩机类型。

表6 常见机载压缩机性能比较表Tab.6 Comparison of performance of common airborne compressors

表7 可用压缩机性能比较表Tab.7 Compressor performance comparison table

3.2 换热器形式的选择

蒸发循环制冷系统中换热器主要指蒸发器、冷凝器，对其性能要求为：①质量轻、尺寸小；②换热效率高；③对液体、气态制冷剂均适用。

通过分析现有换热器类型，仅紧凑型换热器可以满足上述几点要求，未来应探索微通道换热器用于直升机蒸发循环制冷系统中。

3.3 节流装置的选择

节流机构作为制冷系统的工质流量调节元件，对装置的运行特性有重要影响。常用的节流装置主要有毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等，其主要特点比较如表8所示[18]。

表8 常用节流装置特点比较Tab.8 Comparison of commonly used throttling device

由表8可以看出，采用电子膨胀阀的过热度调节系统，其时间滞后比热力膨胀阀小。控制电子膨胀阀动作的调节规律由程序给出，因而具有很大的灵活性，可以考虑各种影响因素按具体要求制定调节规律，获得良好的调节品质。除了能够精确地控制蒸发器出口过热度外，还可以通过指定的调节程序将电子膨胀阀的控制功能扩展。故电子膨胀阀更适用于直升机蒸发制冷系统。

4 结论

目前，国外直升机环控系统的应用已很普遍，技术也相当成熟，而国内起步较晚。但随着直升机特别是武装直升机的发展，对环控系统要求增加。故发展直升机环控系统，应引起足够的重视。

1）随着电子设备的增加以及司乘人员对舒适性要求的提高，直升机加装环境控制系统显得越来越紧迫；

2）蒸发循环制冷系统联合发动机引气加热系统是未来机载环控系统的发展趋势；

3）今后在选装机载蒸发循环制冷系统部件时，应优先考虑选用涡旋式压缩机、平行流换热器、电子膨胀阀。

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