基于機電綜合的民用飛機水廢水系統(tǒng)構(gòu)架建模初步分析

孫鑒非　孫歡慶　喻文韜　李慶南　柴焱

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機機電綜合技術(shù)以及水廢水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，然后以某型號民用飛機為例，依據(jù)該型號飛機水廢水系統(tǒng)的系統(tǒng)功能需求，進一步提取出一種基于機電綜合的水廢水系統(tǒng)電氣架構(gòu)，最后在MATLAB仿真軟件中，建立了基于機電綜合構(gòu)架的水廢水系統(tǒng)的初級電氣仿真模型，并初步論證了所搭建仿真模型的可行性。

【關鍵詞】水廢水；機電綜合；電氣架構(gòu)分析

0 引言

水廢水系統(tǒng)是民用飛機機電綜合構(gòu)架中的重要組成部分之一，其承擔著為數(shù)不多的，直接面相乘客的民用飛機級功能之一。整個水廢水系統(tǒng)構(gòu)架由水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成。其中，水系統(tǒng)的功能主要為利用氣源壓力或者電空氣壓縮機產(chǎn)生的壓力，將機內(nèi)儲藏的引用水，通過壓力供水的方式，由相關管道分配至盥洗室以及前后廚房，從而完成民用飛機飲用水儲藏、檢測、供給分配的功能。廢水系統(tǒng)的功能主要為利用機內(nèi)外壓差或者真空發(fā)生器產(chǎn)生的壓力差，對機內(nèi)灰水包括廚房盥洗室灰水、馬桶廢水進行機上再處理，并在航線運營完畢后，在地面進行廢水排放，從而完成民用飛機廢水處理、排放的功能，滿足航線運營時，乘客與機組人員的生理需求[1]。

1 民用飛機水廢水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著民用飛機技術(shù)的飛速發(fā)展，乘客對民用飛機舒適性的需求也與日俱增，水廢水系統(tǒng)的重要性也在不斷增加。水廢水系統(tǒng)構(gòu)架發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：人工機械操作構(gòu)架、分布操作分布控制構(gòu)架、機電綜合控制構(gòu)架[2]。

人工機械操作構(gòu)架的主要代表機型為空客A320和A319。主要工作模式為，通過人工拉動系統(tǒng)機械手柄，從而控制開水、閉水閥門開斷，最終實現(xiàn)機上飲用水與廢水的分配和排放。該系統(tǒng)構(gòu)架相對較為落后，隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐漸被更先進的系統(tǒng)構(gòu)架所取代[3]。分布操作分布控制構(gòu)架是在人工機械操作架構(gòu)的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)設備在機上的分布狀況[4]，就近設置相關水廢水閥門的電子電氣控制單元。該種控制架構(gòu)下，系統(tǒng)控制單元就近分散于所需控制設備，不僅控制單元數(shù)量多，而且各控制子系統(tǒng)之間綜合關系較弱，不利于對系統(tǒng)進行整體狀態(tài)反饋與監(jiān)控。

從20世紀80年代開始，國外學者開始基于機電綜合的民用飛機控制構(gòu)架，并且在A380、B787機型中已經(jīng)得到了成功的應用[5]。基于機電綜合控制的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架，其是一種基于ARINC429、A825等數(shù)據(jù)總線構(gòu)架，對分布式設備進行集中式狀態(tài)反饋、系統(tǒng)控制的構(gòu)架，是目前最為先進、高效的系統(tǒng)構(gòu)架。目前國內(nèi)在軍機領域，已經(jīng)有初步機電綜合系統(tǒng)設計的經(jīng)驗。本文以某民用飛機水廢水系統(tǒng)具體功能需求為基礎，以機電綜合技術(shù)為系統(tǒng)構(gòu)架方向，構(gòu)架出某型號民用飛機水廢水系統(tǒng)機電綜合仿真模型。

2 基于機電綜合構(gòu)架水廢水系統(tǒng)電氣建模初步分析

以150座級民用飛機為例，其對于水廢水系統(tǒng)的基本功能需求為：客艙前后各設置一個盥洗室和廚房，并在廚房和盥洗室中設置相應的電子閥門、加熱器，從而進行配合輸水管道飲用水、灰水廢水的分配、管理。水、廢水子系統(tǒng)共享VFMD變頻器，配合水系統(tǒng)的增壓發(fā)生器、廢水系統(tǒng)的壓差發(fā)生器和相關電子閥門，調(diào)節(jié)監(jiān)控輸水、配水管道的水壓。

根據(jù)該型號民用飛機的基本功能需求，本文提出的一種基于機電綜合控制的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示?；谒崛〉南到y(tǒng)構(gòu)架，在MATLAB仿真軟件中搭建的水廢水電氣仿真系統(tǒng)模型如圖2所示。

對于系統(tǒng)內(nèi)部控制器與設備之間的控制邏輯與軟硬件接口規(guī)劃如下。整個水廢水系統(tǒng)共用一套機電綜合控制硬件、軟件模塊，該模塊可以根據(jù)飛機系統(tǒng)集成度，單獨在電子設備艙規(guī)劃LRU實現(xiàn)，也可以嵌套在航電核心控制器內(nèi)部。根據(jù)水廢水系統(tǒng)設備在機艙內(nèi)部分散分布的特點，控制模塊與系統(tǒng)設備之間，采用ARINC429總線，利用民用飛機航電系統(tǒng)分布在客艙各處的遠程數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，完成控制信號傳輸，以及設備運行狀態(tài)對控制器的反饋。由于水廢水系統(tǒng)的設備均為電子閥門，加熱器等簡單電子硬件設備，對控制精度要求低，對系統(tǒng)控制信號的實時度也沒有太多限制，并且控制系統(tǒng)的時間常數(shù)大，因此數(shù)字總線數(shù)據(jù)傳輸相對于硬線數(shù)據(jù)傳輸帶來的信號延遲、數(shù)據(jù)實時性等問題對水廢水系統(tǒng)不存在影響。相應的，由于數(shù)據(jù)總線信號傳輸技術(shù)的特點，單個條數(shù)據(jù)總線中可以分時傳輸多路數(shù)據(jù)，以ARINC429總線為例，單條A429總線可以高頻分時傳輸高達255條不同類別的信號內(nèi)容，因此，采用數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)進行信號傳輸，可以大大減少由于硬線信號傳輸帶來的系統(tǒng)線纜敷設數(shù)量，簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)數(shù)量和復雜度，從根本上提高了系統(tǒng)硬件架構(gòu)集成度，優(yōu)化系統(tǒng)運行可靠性。

另一方面，對于系統(tǒng)與民用飛機其他系統(tǒng)的交聯(lián)接口規(guī)劃構(gòu)架如下。因主流飛機航電系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架以及由A825進化為更為先進高效的A664總線技術(shù)。因此，在設計水廢水系統(tǒng)與中央維護系統(tǒng)，客艙顯示系統(tǒng)等民用飛機航電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口時，直接采用A664總線規(guī)范，從而完成水廢水設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)在客艙顯示系統(tǒng)的顯示，便于機組乘務員對系統(tǒng)運行的監(jiān)控與故障反饋，同時系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)通過A664總線傳輸至OMS中央維護系統(tǒng)，為線下地面排故、飛機維護提供數(shù)據(jù)支持。直接采用A664進行水廢水系統(tǒng)與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，規(guī)避了各自信號規(guī)范數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時造成數(shù)據(jù)有效性和可用性的轉(zhuǎn)換錯誤，避免了各自信號規(guī)范兼容性差異，進一步提升了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交聯(lián)運行的穩(wěn)定性，對整個民用飛機電氣系統(tǒng)的可靠性也有進一步提升。

3 結(jié)語

飛機性能指標以及運營經(jīng)濟效率，是未來民用飛機研究的兩大重點。其中，機電綜合技術(shù)正是優(yōu)化上述兩大目標的關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。由于我國民用飛機研究發(fā)展較晚，研究基礎也較為薄弱，在民用飛機機電綜合設計領域目前處于相對落后的位置，因此研究基于機電綜合技術(shù)的民用飛機系統(tǒng)，對于我國科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型目標的實現(xiàn)均具有非常重要的戰(zhàn)略意義。本文在綜合國內(nèi)外機電綜合技術(shù)以及水廢水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎上，初步提出了一種基于機電綜合技術(shù)的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架，并初步建立了MATLAB仿真模型，后續(xù)可以針對仿真模型進一步優(yōu)化參數(shù)、進行系統(tǒng)仿真試驗交叉驗證。

【參考文獻】

[1]張維方，肖世旭，雷美玲.民用飛機廚房廢水處理技術(shù)研究[J].民用飛機設計與研究，2009（3）：44-47.

[2]周建斌.機電綜合控制對民機水系統(tǒng)設計的影響[J].航空工程進展，2011（2）： 216-219.

[3]周傳記.MD_90飛機真空廢水系統(tǒng)設計[J].民用飛機設計與研究，2000（2）：27- 30.

[4]肖世旭.民用飛機真空式馬桶污水處理系統(tǒng)介紹[J].科技信息，2013（16）：405- 406.

[5]段金明.真空排污系統(tǒng)輸送機理及系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[責任編輯：王偉平]