民用飛機(jī)泄壓載荷影響因素研究

劉華源　屠毅

【摘 要】為了比較不同因素對民用飛機(jī)泄壓載荷的影響，本文利用Simulink仿真軟件建立了民用飛機(jī)全機(jī)增壓艙的一維動態(tài)仿真模型；對發(fā)生突然泄壓情況下各個(gè)增壓艙的瞬態(tài)壓力分布進(jìn)行了仿真；重點(diǎn)研究了艙室體積和艙室間流通面積等參數(shù)對泄壓載荷的影響。該仿真結(jié)果為后續(xù)飛機(jī)泄壓載荷優(yōu)化方案提供了參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)增壓艙；壓力調(diào)節(jié)；泄壓載荷

【Abstract】A decompression model applied with formula method is developed for solving decompression problem in pressurized cabin of civil aircraft in cruise. We use Simulink built the one-dimensional model. Our results are compared by different conditions such as cabin volume and circulation area. The simulation model provide a reference for optimal design of aircraft structure.

【Key words】Aircraft pressurized cabin； Pressure regulation； Decompression

0 引言

1）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)介紹及其重要性

為了在飛行時(shí)保證機(jī)組人員和乘客生存以及各種設(shè)備可靠的工作，環(huán)境控制系統(tǒng)已成為先進(jìn)飛行器必不可少的組成部分。對民用飛機(jī)來說，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，座艙內(nèi)適宜的溫度環(huán)境、合理的座艙壓力、人耳無感覺的壓力變化率、清新的空氣和適宜的風(fēng)速，都已成為吸引乘客的重要條件[1]。

民用飛機(jī)飛行中的增壓艙環(huán)境壓力與地面有較大差異。研究表明，當(dāng)座艙內(nèi)部壓力過低時(shí)，會對人體健康造成損害，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)乘員傷亡。民用飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于調(diào)整座艙內(nèi)部壓力，使其始終保持在人體舒適的范圍內(nèi)[2]。

飛機(jī)增壓艙在使用中，一旦出現(xiàn)意外破口，艙內(nèi)氣體突然外泄，由于各艙間氣體流泄而造成各艙間壓力的不均衡，會在隔艙壁上產(chǎn)生一個(gè)附加的泄壓載荷，泄壓載荷表示的是兩個(gè)艙室之間壓力的差值。這個(gè)載荷可能造成結(jié)構(gòu)局部失效，進(jìn)而可能危及機(jī)體的承載能力，也可能因機(jī)體變形而造成飛機(jī)操縱或操作失靈，最終導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生災(zāi)難性事故[3]。

在這些情況下，設(shè)計(jì)出擁有連續(xù)安全持續(xù)飛行和降落能力的飛機(jī)就很有必要。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要有強(qiáng)度足夠的結(jié)構(gòu)以承受逐漸增加的壓差載荷或引入適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施限制或防止壓差載荷的增大。針對近年來頻發(fā)的飛機(jī)座艙環(huán)控系統(tǒng)飛行事故/事件，分析了國內(nèi)外發(fā)生的飛機(jī)座艙環(huán)境相關(guān)的飛行事故/事件[4]。

2）本文研究的內(nèi)容

本文研究的飛機(jī)由多個(gè)艙室組成。一方面，各個(gè)艙室的體積、艙室間的流通關(guān)系不同，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的增壓艙區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)體破損時(shí)，各個(gè)艙室之間會相互影響；另一方面，艙室間的流通通道形狀不規(guī)則，不同的流通通道所對應(yīng)的流量系數(shù)不同。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)的過程中需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這就會涉及到對艙室體積和流通關(guān)系的更改，這些更改需要考慮泄壓載荷對結(jié)構(gòu)的影響。有時(shí)還需要通過泄壓載荷仿真給與結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)參考。

本文通過對飛機(jī)增壓艙進(jìn)行適當(dāng)簡化，利用Simulink對飛機(jī)增壓艙泄壓進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，得到各個(gè)艙室之間的壓力分布和目標(biāo)艙室的泄壓載荷，為后續(xù)的優(yōu)化方案提供支持。

1 泄壓載荷計(jì)算方法及模型

1.1 飛機(jī)艙室結(jié)構(gòu)劃分

飛機(jī)的艙室分為增壓艙與非增壓艙。在高空飛行時(shí)，增壓艙內(nèi)的壓力要大于外界環(huán)境的壓力，飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要能夠承受正常飛行時(shí)艙內(nèi)與外界的壓差。當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損時(shí)，內(nèi)外壓力會趨于平衡，在這個(gè)過程中不同的增壓艙之間會有泄壓載荷，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要能夠滿足此情況下的強(qiáng)度要求。

本文中將增壓艙分為駕駛艙、座艙、座艙內(nèi)飾、行李箱、衣帽間、登機(jī)門內(nèi)飾、貨艙、電子設(shè)備艙、三角區(qū)和盥洗室等。

1.2 計(jì)算模擬方法

在飛機(jī)增壓艙的泄壓載荷計(jì)算中，由于泄壓載荷達(dá)到極值的時(shí)間非常短，通常在1s之內(nèi)就會達(dá)到極值，通常對于這種問題需要進(jìn)行動態(tài)仿真，本文使用Simulink軟件對泄壓載荷問題進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。將不同艙室設(shè)置為獨(dú)立的模塊，不同模塊之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

1.3 描寫艙間流動的方程

1.4 初始條件

計(jì)算飛行高度為18000ft情況下的泄壓載荷。

2 泄壓載荷計(jì)算結(jié)果及不同因素對其影響的對比

不同的位置的結(jié)構(gòu)破損產(chǎn)生的泄壓載荷不同，本文針對駕駛艙破損進(jìn)行仿真。將駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷作為檢測值。

2.1 艙室體積

在泄壓載荷的計(jì)算中，不同的艙室體積所包含的空氣質(zhì)量不同，艙室體積的大小會對泄壓速度的快慢產(chǎn)生影響。本文中研究座艙體積對泄壓載荷的影響，選擇座艙是因?yàn)橛行┰囷w科目會將座艙中的座椅拆除，在實(shí)際運(yùn)營中，乘客的上座率是不一定的，其所對應(yīng)的座艙體積也會不同。

取座艙體積分別為152.11m3、161.78m3和173.25m3的情況進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖1。

圖1中泄壓載荷的值是駕駛艙的實(shí)時(shí)壓力與電子設(shè)備艙的實(shí)時(shí)壓力的差值，負(fù)值表示駕駛艙的壓力要小與電子設(shè)備艙的壓力（圖2中相同）。由圖1可以看出，不同的座艙體積對駕駛艙與電子設(shè)備艙之間泄壓載荷的影響很小，這是由于座艙體積足夠大，體積的變化量與原體積相比相差較??；對貨艙卸壓板打開的時(shí)間有影響，座艙體積越小，卸壓板打開的越快。

2.2 艙室間流通面積

在增壓艙之間會有空氣流通，不同的流通面積對快速泄壓時(shí)的流通速度會有影響，本文研究在駕駛艙出現(xiàn)破損時(shí)駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷，假設(shè)流通面積分別為0.2m2、0.35m2和0.5m2，得到的結(jié)果如圖2。

圖2為駕駛艙破損時(shí)不同艙間流通面積對應(yīng)的泄壓載荷情況。從結(jié)算結(jié)果可以看出，流通面積越小，艙室間的泄壓載荷越大，這是因?yàn)榕撌议g的流通面積越小，單位時(shí)間內(nèi)通過流通通道的空氣就越少，隔艙壓力變化率與進(jìn)氣量有關(guān)，而進(jìn)氣量有與流通面積成正比，在極小的時(shí)間內(nèi)（如圖2中的0.1s以內(nèi)）電子設(shè)備艙內(nèi)的大部分空氣無法由流通通道進(jìn)入駕駛艙，造成了電子設(shè)備艙中空氣的堆積，而駕駛艙由于破損包含的空氣在急劇減少，這樣就會導(dǎo)致兩邊的壓差越來越大，最終達(dá)到圖2中所示的極值。

3 結(jié)論

對于艙室劃分復(fù)雜的飛機(jī)增壓艙泄壓載荷計(jì)算問題，本文通過對艙室劃分的適當(dāng)簡化采用Simulink進(jìn)行了仿真。研究表明：座艙體積的變化對駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷影響較小，兩艙室之間的流通面積對駕駛艙和電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷影響很大，在設(shè)計(jì)中可以調(diào)節(jié)兩艙室之間的流通面積來達(dá)到減小艙間泄壓載荷的目的。

本文的數(shù)值仿真結(jié)果可以作為飛機(jī)泄壓載荷問題優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真依據(jù)，為解決實(shí)際中遇到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]郁成德.增壓艙突然泄壓載荷計(jì)算[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，1997，2：008.

[4]白杰，陳希遠(yuǎn)，楊建忠，等.飛機(jī)座艙失壓模擬仿真研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014，32（6）：1-6.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]