飞机空调解析

王勇

(吉林省民航机场集团公司机务工程部，吉林 长春 130000)

当莱特兄弟第一次飞上天空，人类也开始了蓝天之旅。初期，民航飞机飞行高度不高，速度也很小，可以保证所飞行高度的空气压力、温度、湿度、密度，完全可以保证飞行机组和乘客的安全和舒适。可是当民航飞机飞到了万米高空，民航飞机可以自由翱翔在气流平稳的高度层，这里没有对流，温度恒定在-56℃，我们叫这里同温层。飞机设计者可以更容易设计飞机外形，更安全、更经济，一切都那么美好。但是，这里氧气稀薄，气压仅为20kPa，气温极低，随之而来，这里不适合人类生存。所以，我们需要改变大气参数，在飞机座舱里保证一定的温度、湿度、压力、氧含量。

1 空调是做什么用的

空调，顾名思义调节空气的机器。用户是机舱里的人、机组、旅客。民航飞机的空调，被调节的空气并不是同温层的低温低压空气，而是飞机发动机里的热空气，我们叫作引气。这里我们要知道，飞机的动力装置，也就是引擎、发动机，其能量转换原理是把外界空气压缩然后去点燃燃油。被压缩的空气温度高、压力高，优点是这些参数基本恒定。空调的作用是怎么把这些高温高压空气降温、降压、恒温、恒压。

同温层的民航客机我们可以利用的压缩热空气一般200℃，压力也是可怕的14 个大气压，显然，人类不能直接使用。我们想要20℃一个大气压的空气，压力温度可以低一点、高一点，但是不能让我们身体受不了，我们需要舒适、安全。同时，飞机的结构承压也需要考虑。我们引入的空气恒流量，那么，我们可以通过改变排气来改变飞机里面压力，一个排气活门，通过计算机连续控制活门开度，保证所需压力。如同计算机编程，很复杂又那么简单。

现在来调节温度，前文已讲明，200℃肯定不能用，那我们要多少度呢，这里我们不用将就飞机结构，我们想要的结果是，想要多少度就调节到多少度。引擎引气高温，高压，肯定用不了；飞机的航电都是电子产品，无时不在发热，要降温。基于以上这两点，我们需要点冷空气。只有冷空气和热空气混合了，才能降温；只有冷空气，才能给航电降温。显然高空中外界的冷空气中氧气含量低，并且压力太低也无法与高压高温热空气混合，我们需要制造冷空气。热力学里制冷的方式是做功和热传递，民航飞机也如此，我们用空气循环机(ACM)完成做功、散热器完成热传递。

此外，空气中含有水蒸气，为了整个机体结构的防腐考虑，我们需要去除一定水分，就是干燥除水；当然空气中各种灰尘，我们需要清洁，清洁空气的办法和汽车一样，加个空气滤，本文不赘述。

2 压力制度是什么

前文说过民航飞机通过控制排气活门开度控制机舱内部压力，控制压力的的原则我们叫作压力制度。理想情况是我们的机舱内相当于在地面上最好，实际上只要不超过2400m的高度我们都可以接受。飞机机舱内部压力对应的高度层我们叫座舱高度，机舱压力随外界高度改变的规律我们叫压力制度。下图就是现在民航客机的直线式压力制度，如图1。

图1 机舱压力制度

（1）预增压程序。对飞机机舱内部增压，达到防颠簸的目的。

（2）爬升程序。飞机起飞了，我们允许压力缓慢下降。当达到比预设数值低0.25PSI 进入巡航程序。这个数叫余压，余压的设计是防止频繁的压力控制。

（3）巡航程序。此时，飞机飞行在万米高空，只要没有掉太多高度，压力不变，恒压阶段。

（4）下降程序。当飞机下降太多，太多指的是超过1500 英尺，这时候转入下降程序。下降程序，也要设定余压，同样是为了防止颠簸。

3 温度怎么控制

卡罗循环，也就是热传递的方式，如同冰箱一样，也就是蒸发循环制冷，但是由于氟利昂对大气层有害，现在很少用；逆布雷顿循环，空气对外做功的方式，这种方式是现在大型飞机常用的制冷方式。

3.1 如何应用卡罗循环和逆布雷顿循环

1877 年，德国人在慕尼黑第一次发明了蒸发循环制冷，介质是氨气，百年之后氨变成了氟里昂。蒸发循环制冷蒸发、压缩、冷凝三个过程，经压缩机的高温高压的氟利昂以气态来到冷凝器散热降低温度、然后液化、变成高压液体，通过蒸发器内吸收热量，在变成低压蒸汽，再次来到压缩机，反反复复的循环，蒸发器吸收热量完成热交换。很显然，由于工艺和不可避免的泄露，制冷剂需要不断地补充，维护成本颇高，环境破坏不可避免。原理如图2。

空气循环制冷机是则不需要氨气和氟利昂等制冷剂，逆布雷顿循环为理论指导，通过热空气的膨胀对外做功来吸收热量，其原理如图3。

图2 蒸发循环制冷

图3 空气循环制冷原理

空气循环制冷优越性有：第一，制冷剂就是空气，容易获取，无毒；第二，制冷效率高，可以把温度降到更低；第三，很少有故障，甚至免维护。空气是制冷介质，没有毒害也不需要任何处理，也就不需要封苛刻的封严，尤其加入空气轴承和高温除水之后，其维护量极少；第四，更合适现代民航飞机的高温高压的热空气源。

3.2 ACM（空气循环制冷机）怎么工作

飞机空调系统由三部分组成，一是热交换器、二是压缩、三是涡轮。飞机发动机引出的高温高压热空气首先进入热交换器，将热传递到给冷却介质高空外部空气，之后进入涡轮膨胀做功使涡轮旋转，驱动压缩机、风扇，内能变成了机械能，达到降温、降压目的，这些冷空气再与热空气按指定的比例混合后就可以供机舱人员使用了。冷空气也可以冷却航电系统。ACM 有简单、升压和三轮式三种：

（1）简单式系统如何工作。简单式系统转动部分分为主轴、风扇和涡轮，高温高压的热空气进入散热器直接进入涡轮，由于负载是风扇，可以保证低速时候可以工作，但是效率低下且负载小易超转。优点是结构简单，低速性能好，早期飞机大多应用，原理如图4。

图4 简单循环系统

（2）三轮式循环如何工作。为了解决简单式循环制冷的弊端，引入了升压式循环制冷系统。也就是涡轮轴带动压气机取代风扇，从而保证了不超转。但是，在飞机发动机不运转时候，也就无法和外界大气完成热交换。也许这就是科学进步的过程，思维的转换似乎来都慢一些，这种升压式的循环方式应用了一代飞机之后，研究者似乎想到了什么。为何不能用涡轮带动压缩机和风扇呢？既解决了超转问题，又解决了地面热交换问题。三轮式循环应运而生。

简单来说，三轮循环就是比简单式循环制冷系统加了一个压缩机。复杂来讲，是简单是循环制冷系统和升压式循环制冷的组合。ACM 机是由一根轴上的涡轮、压缩机、风扇组成。涡轮是能量输出端，压缩机和风扇消耗着能量。带动的风扇吸入冷空气供给热交换器。带动的压缩机又压缩空气，升高压力提高了涡轮的效率。一条轴上的三个主要元件又能很好的分配各自的能量。自然而然，这是新一代飞机最完美的选择，其原理如图5。

三轮式循环制冷系中空气通过涡轮对外做功膨胀降温，又通过散热器再次降温，从而获得低温气体。高温气体的温度变化曲线如图6 所示，当经过散热器时降温；通过压气机升温但是得到了升压；通过涡轮降温，200℃的热空气经过做功和热传递两种方式降至零下50℃。低温的气体在通过和高温气体一定比例的混合，带给每位乘客。超过250℃的降温，可见这种系统效率之高。

图5 三轮式循环系统

三轮循环制冷系统的出现很好的解决了空气制冷问题，而在更新的飞机设计上，出现了四轮循环，增加涡轮、减少散热片。可是也会带来随之而来的问题。比如，转速匹配的问题、传感器过多的问题。这就是成长的烦恼，我们想见到的是更高的效率，更经济的匹配方式。当然我们更需要的是可靠、安全。而当下，散热器污染，散热效果变差才是亟需解决第一难题，我们可否在材料和工艺上更加下一些功夫，散热同时保证散热片减少污染。

图6 三轮空气循环机温度变化曲线

4 ACM 怎么除水

除水是飞机空调的重要任务，水结冰会造成轴承跑偏，损坏ACM,也会堵塞管路；水是万物之源，滋生微生物，造成腐蚀；飞机的航电系统也最怕水的腐蚀。除水系统也经历过两个阶段：第一阶段是在低压区除水，我们叫低压除水，低压出水的缺点是除水不够彻底；第二阶段是高压除水，也就是涡轮后除水，这种除水方式能更好地去除水分，从而提高ACM 的可靠性，尤其空气轴承的磨损大大减少。高压除水的通过水的相变从而使水蒸气分离出来，由于此时水滴较大，更容易收集，同时露点低，能分离更多的水分，能更好的干燥ACM 出口空气。

5 结语

民航大型客机的空调系统核心元件是ACM 机，其制冷效率高，但是也存在一些问题，比如散热片污染问题，比如噪音问题。对于散热器清洁技术，我们可以大胆的尝试，不应该仅限于清洁剂清洗，更应该尝试其他技术，如超声清洗，甚至更多其他办法；对于噪音问题，我们可以继续提高涡轮和压缩机效率，从而降低ACM 转速，低转速必然可以低噪音，更安静的为人民服务。随着科学的进步，随着新材料新技术的应用，终有一天我们可以看到一个闭环的循环方式，安静地保障飞机的安全。