民机座舱新鲜空气流量制度的设计方法

王旭阳　王力维

【摘 要】本文介绍了民机座舱对新鲜空气的设计依据，给出了通用的设计步骤和方法。并基于440座机的双通道客机，进行了流量制度设计，设计结果与同座级商飞飞机进行了比较。结果表明，本文介绍的流量制度设计流程和方法是工程可执行和可靠的。

【关键词】民用飞机；新鲜空气；流量制度

中图分类号： V243.6 文献标识码： A 文章编号： 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

民用飛机作为高效快捷的载人交通工具，对载人安全、乘坐舒适都具备较高要求。其中向座舱提供足额新鲜空气是必备的技术手段。

民机空调系统的核心功能就是向座舱内部提供足额新鲜空气量。高空飞行时外界低温低压环境空气，无法直接抽引进入座舱使用。目前传统民用飞机抽引来自发动机压气机5-9级的高温高压气体，经空调系统处理后送入座舱，确保座舱内温度、压力以及污染物浓度水平符合载人要求。

但从发动机抽引的空气量对飞机经济性的影响较大。根据工程经验，每增加1lb/s的发动机引气，飞机燃油代偿损失将增加1.5%。民用飞机直接面对全球市场竞争，在进行空调系统设计时必须极力避免从发动机抽引过大的新鲜空气量。

1 座舱新鲜空气流量制度的设计依据

民用飞机空调系统需向座舱提供的新鲜空气量应满足如下设计依据：

a）适航规章对最低人均新鲜空气量的需求。如CCAR25.831a）要求正常工况下人均新鲜空气量不低于0.55 lb/min[1]，AC25-20建议系统可能的失效工况下人均新鲜空气量不低于0.4 lb/min[2]；

b）座舱保压需求。SAE ARP 85建议至少使座舱能够维持300ft/min的增压速率[3]；

c）舱内二氧化碳浓度限制需求。CCAR25.831b）2）要求舱内二氧化碳浓度应不高于0.5%[1]；

d）座舱排烟能力要求。AC25-9A建议驾驶舱换气间隔不大于3min[4]，AC25.795-4建议客舱换气间隔不大于5min[5]；

e）舱内温度控制性能需求。SAE ARP 85建议舱内温度应能稳定在18-29℃区间内，巡航时舱内稳态温度能够维持在24℃[3]；

f）地面座舱快速加温和快速冷却的性能需求，SAE ARP 85建议30 min内将舱内空气温度冷却或加热至目标值。

2 座舱新鲜空气流量制度的设计方法

根据工程经验，本文推荐的民用飞机座舱新鲜空气流量制度的设计方法为：

2.1 采用定体积流量

座舱内通风口的射流风速是对内部流场影响较大的因素，维持定通风射流风速，有利于维持舱内流场的稳定，不会因通风口射流风速的突变影响迎风面的舒适性。鉴于民用飞机座舱内部环境压力是随着飞行高度而变化的，一般从地面的1个大气压，变化为巡航高度的0.75个大气压。定体积流量的流量制度，可确保在任何飞行阶段，舱内的通风射流风速保持不变。

此外，民机空调系统采用文丘里管进行流量测量，利用蝶阀进行流量控制。采用定体积流量制度，降低了系统流量检测和控制的难度。

2.2 设计多种流量模式，涵盖不同设计依据需求

a）高流量模式（HI模式）。覆盖特殊工况对空调系统高流量的需求：

1）当舱内出现烟雾时，启动座舱排烟功能，加快座舱通风换气率；

2）极端冷热天时外部热载荷增大，需增大通风量，维持座舱温度在较舒适或可长时间耐受范围；

3）地面机体冷、热浸透后，需增大通风量，快速加温或冷却座舱温度。

b）默认流量模式（Nominal模式）。覆盖100%上座率时对空调系统的最大流量需求：

1）适航规章对最低人均新鲜空气量的需求；

2）非极限天气下，座舱内空气温度控制在舒适范围。

c）最低流量模式（Minimum模式）。在失效工况下为确保载人和飞行安全，空调系统必须保障的最低流量：

1）适航规章对最低人均新鲜空气量的需求；

2）座舱保压需求；

3）舱内二氧化碳浓度限制需求

4）非极限天气下，舱内温度控制在较舒适或人体可长时间耐受的范围内。

d）经济流量模式（ECO模式）

空调系统实际运行时，供气量可低于Nominal模式，依据实际上座率线性插值确定，从而减少发动机引气量，降低民机运营成本。但一般不得低于Minimum模式。

3 民用飞机座舱新鲜空气流量制度的设计步骤

根据工程经验，本文推荐的流量制度设计步骤如下图所示：

基于上图设计完成流量制度后，应开展设计依据的确认工作，如下图所示：

4 流量制度设计示例

以典型440座级的宽体客機为例，设计得到的流量制度以及对设计依据的确认结果如下：

从图3可以看出，根据本文开展的民机流量制度设计，完全符合设计依据，设计依据的满足情况得以确认。

将该流量制度与相似座级的B777飞机的流量制度进行对比分析，如图4所示：

a）B777无HI模式，但其Nominal模式与本文的设计示例的Nominal模式相当。因Nominal模式代表正常工况下飞机对空调系统的最大能力需求，故此可以断言，依据本文推荐的民用飞机座舱新鲜空气流量制度的设计方法是工程可执行且可靠的。

b）本文的设计示例的Minimum模式大大低于B777，这说明严格基于设计依据确定的Minimum模式，将远远减低在失效工况下的发动机引气负担。

5 结论

本文给出了民机座舱对新鲜空气的设计依据，并基于工程经验，介绍了一种通用的设计步骤和设计方法，以及设计结果对设计依据的确认路径。

并基于本文介绍的设计方法，对典型的440座机宽体客机进行了流量制度设计，设计结果与同座级B777飞机进行了比较。结果表明，本文介绍的流量制度设计流程和方法是工程可执行和可靠的。

【参考文献】

[1]中国民用航空规章第25部-运输类飞机适航标准.民航局令第209号.2011.

[2]Pressurization， Ventilation and oxygen systems assessment for subsonic flight.

[3]Including high altitude operation. Advisory Circular AC25-20.1996.

[4]Air Conditioning Systems for Subsonic Airplanes.SAE ARP85F.2012.

[5]Smoke detection，penetration， and evacuation tests and related flight manual.emergency procedures.Advisory Circular AC25-9A.1994.

[6]Passenger cabin smoke protection. Advisory Circular AC25.795-4.2008.