【摘要】
本文在介绍常规与多电式环控系统因其的基础上，说明了多电式飞机环境控制系统的优点和研制的技术关键;根据环控系统的设计要求，通过对这两种引气方式的优、缺点提出了当前需要克服的技术障碍。
【关键词】
多电飞机；环境控制系统；方案设计；循环制冷
1前言
飞机环控系统(ECS)的任务就是在为客舱和驾驶舱增压、调温、调湿、保证充足的新鲜空气、为厨房卫生间通风换气、控制噪音、给电子设备通风冷却。保证驾驶员、旅客和空勤人员正常生活和设备可靠工作。该系统主要由以下功能子系统组成:引气系统、制冷系统、座舱压力调节系统、温度调节系统、电子设备冷却系统。环境控制系统主要用于机上人员的生命保障(如飞机在结冰环境的防护、电子设备过热状态的降温保护等。)，并在此基础上提高乘坐舒适度。当前采用的从发动机引气作为介质的空气循环系统极大的损耗了发动机输出功率，其所引起的能耗约占飞机发动机轴功率的2－5%，随着机载用电设备的不断增加，用于给各电子设备降温的环控系统引气量也会逐渐增大，导致发动机推重比提高致使发动机能量的利用率愈来愈低，所以在设计上考虑改变引气方式可有效缓解上述问题。
2常规环控系统引气
一般民用客机的环控系统采用的是四轮升压式空气循环制冷方式，包括了四级风扇(涡轮冷却器、空气压缩机、抽风风扇、次级涡轮)。它是将两侧发动机引来的空气通过初级热交换器后进入压气机进行压缩，然后进入到次级热交换器。再通过回热器，预冷器，水分离器之后进入到涡轮中进行冷却，冷却后的气体通过冷凝器，并用来帮助后面的气体进行预冷;最后通过二级涡轮，进入到座舱中。这种制冷方式的气源是来自于发动机引气。该引气方式对发动机热力性能是有很大影响的。而正研制的脉冲爆震发动机，使高度依赖于发动机引气的环控系统无法工作。因此一种能适应现代飞机制冷需要的环控系统被推到了研究前沿。
3多电式环控系统引气
某民用客机的环控系统开创性的使用了电驱动压气机作为气源，在多电飞机的领域又增加了一个新的“成员”。颠覆了近七十年民用飞机环控引气增压方式。电驱动压气机供气具有传统的从发动机引气无法比拟的性能代偿损失，所以其更适合用于座舱增压。通过分析研究得出结论:重量、阻力和功率对产品性能影响起主要作用。所以，在系统设计之初计算上述因素对发动机性能的影响是非常必要的。当前估算这些因素的方法是代偿损失法，该方法有不同的折算法，而起飞重量法对民用飞机较适用。固定系统的设备和运输该系统设备的燃油代偿损失等同于在飞机的总的起飞载荷中占的比例，但是从发动机轴输出功率所引起的燃油代偿损失比前两者略高，而专用引气道的引气(包括客舱供气及压缩后的冲压空气)产生的燃油代偿损失在总的起飞质量增加中所占比例相对较小。民用飞机环境控制系统工作的实质是能量的转移，引气系统将来自发动机所带有的高温高压气体能量经散热器散热和转化，消除多余的能量到外界大气中，使气体温度达到人体接受的正常值，其后传入客舱，混合客舱中温度较高空气的能量，最终达到了温度控制的目的。气体流通管路是介于发动机与客舱的一个桥梁。常规环控系统与多电或全电式环控系统的区别为这一桥梁是电缆或电缆与低能级管路的组合。多电式系统室并不从发动机引气，是由270V高压直流电机驱动的高速离心式压气机直接抽吸外界环境冲压空气，使压力达到正常值，再进入水分离器进行除水及降温、调压，通过混合室温度调节后供应客舱。其技术特点主要包括以下几方面:(1)引气系统的取消相应减少了探测器和管路及用于固定的支撑部件，大大减少了飞机重量，节省了制造和运营成本。(2)电动环境控制系统。采用电动环境控制系统，包括制冷组件、低压引气、电动压气机。(3)以电缆为动力传输要素，在全电飞机领域需建立其与航电相关的特种标准。(4)使用了变频电机来驱动压气机。变频电机的使用可以根据机内空气量的需求来调整电动机的功率，这样可以充分的利用电能。采用全电式环控系统是未来飞机客舱调压的首选方式，全电式环控系统彻底改变了传统引气对发动机造成的热力性能影响，对于高涵道比发动机，其推力损失的减小更为显著。全电式环控系统的动力来自电能，供入座舱的气体依据热载荷传感器传输信号即时控制气压及气温。全电式的自动执行机构控制执行，使得该系统的代偿损失降为最低，输出稳定。
4两种引气的比较
多电飞机环控系统与传统环控系统相比的优势:(1)不需要从发动机引气，能够避免发动机引气对发动机热力性能的影响;(2)发动机消除了引气机构，全电环境控制系统提高了灵活性和使用效率，可根据系统热载荷的变化及时调整供入气体的压力和温度;(3)随着技术的发展，可以逐渐摆脱对发动机的依赖。比如可以考虑通过APU等辅助设备对压气机的电机进行供电。全电环境控制系统因其改变了引气方式，更多的使用了电能作为动力，所以在未来发展中还需考虑以下因素的影响:(1)因全电环境控制系统需要消耗大量电力来维持平稳运行，所以对发电机的输出能效要求更高。载客量大的飞机需要大量电力来进行制冷。如果这些电力都来源于发动机，那么势必会对发动机性能产生影响。所以需要找到一种更加可靠的电力供应。(2)因从发动引气被取消，由其执行的除冰系统需使用电防冰技术，这样就需要消耗相应的电能，最终结果会影响到全电环控系统的使用性能。(3)由于增加了全电式环控系统，就需要优化关联的其它系统，如液压、航电、通讯、燃油、灭火等。电气化ECS是全机最大的用电系统，因此必须良好分配组合。(4)由于电动环控系统所需要的电力较大并且系统比较复杂，不一定适合中小型的飞机。传统的环控系统经过几十年来的修正与提高，技术已经相对比较成熟。所以在未来的一段时间内，多电飞机的环控系统将是各航空公司研究的方向，但还不能大规模的应用。而传统飞机的环控系统会在这一段时间内占据主要地位。
5结语
无论是采用常规方式还是选用更为先进的多电方式，优化飞机环控系统设计始终是设计者追求的目标。在过去几十年来飞机环控系统在选材等方面有了许多改进，节约了运行成本，优化了控制技术，改善了控制的灵活性，提高了故障的分析率，而其并未改变制冷过程。在设计上优化飞机环控系统，使各子系统充的数据得到充分利用，可有效地减少与环控系统相关的代偿损失和节省运行费用。在环控系统中，使用多输入多输出技术和数字动态模拟，可以预判环控系统在整个运行过程的性能，对控制系统的设计更加有力。
作者：陈勇哲 单位：沈阳飞机工业(集团)有限公司
参考文献:
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［2］王黎静，王昭鑫，何雪丽．大型客机驾驶舱气流热仿真及舒适性评价［J］．北京航空航天大学学报，2010(12)．
［3］苏向辉，许锋，昂海松．飞机环境控制系统的现状与未来［J］．航空制造技术，2002(10)
