浅谈大型客机辅助冷却系统

彭莹

【摘 要】大型客机辅助冷却系统采用蒸发循环制冷系统和液体冷却系统相结合，可以为客机舱室环境、客机大功率电子设备和厨房餐车提供制冷，并维持适宜的温度，以保障飞机电子设备正常工作和旅客舒适性。本文详细阐述了大型客机的辅助冷却系统国内外发展现状及其关键技术，以期为相关工作的发展提供参考。

【关键字】大型客机;辅助冷却;蒸发循环制冷;液体冷却

中图分类号： V245.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0029-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.012

【Abstract】Supplement cooling system for large commercial aircraft includes vapor cycle refrigeration system and liquid cooling system， provides cooling capacity for aircraft cabin environment， high power electronic equipment and galley carts to keep in appropriate temperature， to make sure electronic equipment normal operation and passenger comfort. The analysis of supplement cooling system and key technology shall provide reference for the development of the supplement cooling system in China.

【Key words】Large commercial aircraft; Supplemental cooling system; Vapor cycle refrigeration; Liquid cooling

辅助冷却系统可用于冷却客机舱室环境、客机大功率电子设备和厨房餐车等用冷用户，是商用客机航线运行的关键。随着现代先进民用客机性能和舒适性要求的提高，以及电子元器件高度集成化的发展趋势，机载电子设备不断增多、功率也越来越大，导致热载荷成倍增长，同时厨房餐车用冷用户需求日益增多，全机冷却需求日益增长，使得辅助冷却系统的作用愈来愈重要。

1 技术背景

在新型大型客机A380、B787、A350上，由于飞机朝着多电化方向发展，机载发热设备多、功率大，若仍使用传统空气循环系统冷却厨房和电子设备，则存在送风管路大、噪声大等问题，且大功率电子设备热流密度激增，冷却需求大幅增加，传统空气循环冷却已经无法满足要求。辅助冷却系统由于其制冷量大、制冷效率高等众多优点逐渐得到广大研究者的青睐。国外先进的机载辅助冷却系统多采用液体冷却系统和蒸发循环制冷系统相结合的方式进行冷却降温。F-22战斗机、AH-64“阿帕奇”直升机、E-2C“鹰眼”预警机等机型都采用了蒸发循环制冷系统，其中，美国的 F-22 采用机载蒸发循环和液体冷却系统相结合的飞机综合热能管理系统TMS（Thermal Management System）[1]，该环境控制系统采用蒸发循环制冷方式与燃油液体循环系统有机结合，满足了先进飞机中电子设备环境控制要求。国外专家为了在下一代飞机上更广泛地应用蒸发循环制冷系统进行液冷，美国空军研究试验室、Dayton大学研究院和Fairchild 公司共同研发了一台室内蒸发循环系统试验台，旨在开发和验证蒸发循环系统的最优控制方案和运行机理，为蒸发循环系统冷却航空电子设备的动态控制规律进行了研究[3]。随后有学者[2]采用空气循环系统与蒸发循环制冷系统相结合的方式，提出了一种飞机综合热能管理系统的方案，包括燃油循环系统、高温防冻液循环系统、低温防冻液循环系统、空气循环系统、蒸发循环制冷系统、滑油循环系统、液压油循环系统等，空气循环系统主要用于飞机座舱环境控制和小功率电子设备舱的冷却，而蒸发循环制冷系统主要与液冷系统配合用于大功率电子设备的冷却。B787电动环境控制系统中应用蒸发循环制冷技术和辅助液体冷却技术，是未来民用飞机发展的重要方向[4]。

典型飞机辅助冷却系统采用蒸发循环制冷、液体冷却循环相结合[5]原理图如图1所示。

辅助冷却系统由蒸发循环制冷和液体冷却（液冷）循环两个重要组成部分。蒸发循环制冷的功能是产生冷量，由压缩机、蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀及连接管路组成，制冷工质为R134a。液冷循环的功能是冷量传输，由泵、储液罐、换热器及管路附件组成，供冷工质一般为热容较高的液体，其从蒸发器中获取冷量，在泵的推动下将冷量传输至终端换热器冷却热源。相比于空气制冷系统，蒸发循环制冷具有更高的系统效率，经济性好;且由于液冷循环工质热容较高，液冷系统管路尺寸及重量相对较小，终端换热器为气-液换热器，比气-气换热器具有更高的换热效率。由于现代飞机需要的冷量不断增加，蒸发循环制冷系统在某些大型旅客机上的应用更加广泛。同时，蒸发循环制冷/液体冷却系统结构紧凑、重量轻、具有较强的扩展适应性，能用于客机厨房设备冷却、客机电子设备舱通风冷却、空调组件舱通风冷却、再循环空气冷却和大功率电子设备冷却等。

2 B787飞机辅助冷却技术

B787飞机辅助冷却系统包括蒸发循环制冷系统和液体冷却系统。液体冷却系统主要为高压直流电子设备提供冷却，采用冲压空气作为热沉，通过冲压空气换热器直接制冷，并将冷量转移至液体载冷剂，利用电动液压泵驱动载冷剂液体流经各个需液体冷却的电子设备，载冷剂吸熱后再回到冲压空气换热器进行降温;B787飞机厨房取消了传统的冷气机，取而代之是一套集中的蒸发循环制冷系统，蒸发循环制冷系统利用电动制冷压缩机驱动制冷剂相变换热，为厨房餐车制冷、座舱快速降温、大功率电子设备冷却提供冷量;提高了整个系统的可靠性，同时降低了厨房冷却系统的重量，避免了各个冷气机产生的热空气在飞机内的传播[6]。

3 A380辅助冷却系统技术

A380辅助冷却系统的其架构特点主要与其液体冷却用户相关，辅助冷却系统架构采用冲压空气作为蒸发循环制冷模块的热沉，蒸发循环制冷模块产生的冷量通过液体冷却回路依次流经各个厨房冷却用户，带走厨房热量，最后进入再循环空气换热器，吸收再循环空气热量后回到蒸发循环制冷模块中的换热器进行降温循环。

4 国内现状

辅助冷却系统在国外民机上已逐步成熟应用，但由于机载蒸发循环制冷技术是国外重点保密技术，实际可以查找并且运用的资料比较少;我国与国外的先进技术相比，在适航规章、标准、系统可靠性、系统试验验证等方面仍有很大差距，我国大型客机正处于研制阶段，在该领域缺乏相关研制经验，目前国内对于民用大型客机辅助冷却系统的研究还处于起步阶段，停留在部件模型理论研究。国内机电系统供应商基于宽体客机辅助冷却系统需求，开展了部分辅助冷却系统研究工作，具有部分部件的技术积累，但尚无民用飞机辅助冷却系统独立研制研制经验。

5 关键技术研究

大型客机辅助冷却系统关键技术研究方向主要包括大型客机能量综合热管理、辅助冷却系统关键部件研制、辅助冷却系统仿真平台的开发。

5.1 大型客机综合能量热管理研究

12345由于无论是发动机引气的空气循环制冷系统还是采用蒸发循环制冷的辅助冷却系统，其制冷能力取决于所需要的座舱热载荷或大功率电子设备热载荷。因此，需要通过综合能量热管理分析，将空气循环制冷和蒸发循环制冷有机结合，优化全机热载荷分布及制冷系统的设计，完善辅助冷却系统设计，降低全机能耗。

5.2 辅助冷却系统关键部件研制

国内正在研发蒸发循环制冷系统的关键部件和技术包括高性能双级膨胀制冷技术、高效组合型线涡旋压缩技术、微通道高效热交换技术以及高可靠长寿命流体密封技术等。在跟踪国外相关研究基础上，应尽快立项开展相关研究，为实现我国自主研发的大型飞机制冷系统的装机服役提供货架产品，逐步实现大型客机产品国产化、系统国产化。

5.3 辅助冷却系统仿真平台的开发

在整个飞行包线内，飞机运行状态及机载设备外界环境不断变化，为适应机载设备运行状况，保障系统及设备外部运行环境，优化系统运行工况，提高系统经济性指标，要求对辅助冷却控制系统进行优化设计。辅助冷却系统热负荷包括电子设备散热、厨房餐车、再循环空气等，在不同飞行状态及运行工况下，系统热载荷不断变化，同时，蒸发循环热沉温度也随高度不断变化，为保证系统制冷量动态管理，满足系统运行需求，要求通过控制蒸发冷却循环制冷剂过热度、过冷度控制热力膨胀阀开度以及冲压空气活门开度，通过液冷循环温度及制冷量变化，控制泵转速以及压缩机转速，实现制冷能力动态变化。因此，应搭建辅助冷却系统仿真平台开发，开展系统仿真实验，找到一种使蒸发循环系统始终能高效、稳定、可靠运转的控制率，使之能够适应机载蒸发循环系统热负荷多变的情况，满足机载环境要求。

6 结论

结合国外大型客机对辅助冷却系统的应用现状，以及大型客机系统多电化发展趋势，可预测未来机载系统发热量将持续增长，飞机制冷需求也将不断增加，对于辅助冷却系统的制冷能力要求不断提高，辅助冷却系统应用趋势将更为广泛，作用也将更加重要。本文对国外主流飞机辅助冷却系统应用进行了详细阐述，并分析了其关键技术发展方向，以期为国内大型客机辅助冷却系统的研制提供指导，早日实现系统国产化。

【参考文献】

[1]刘铭.国外飞机综合环境控制系统[J].航空科学技术，2004，2：28-31.

[2]李楠，江卓远.某飞机综合热能管理系统初步研究[J].民用飞机设计与研究，2013，2（109）：13-17.

[3]罗志会，李胜全，黄纯洲.下一代飞机热管理技术的研究热点[J].航空科学技术，2015，26（08）：06-12.

[4]孟繁星，王瑞琪，高赞军，郑文遠，胡文超.多电飞机电动环境控制系统关键技术研究[J].航空科学技术，2018，29（02）：01-08.

[5]梁相文，李金梅，姚丽瑞.未来试飞新技术挑战[M].航空工业出版社，2014：331-332.

[6]严利华，姬宪法，李青峰，李金梅.大型军用运输机航空电子[M].航空工业出版社，2013：143-144.