基于小容積飛機(jī)座艙不可控漏氣量估算方法的研究

沈鳳村

摘 要 中高空飛行的飛機(jī)大多采用氣密座艙（即增壓艙），在座艙增壓時(shí)，存在不可控漏氣，對發(fā)動(dòng)機(jī)及飛行均有影響。本文研究了一種基于小容積飛機(jī)在設(shè)計(jì)階段對座艙不可控漏氣量進(jìn)行估算的方法，并以某小型飛機(jī)的座艙作為算例，驗(yàn)證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞 不可控漏氣;估算;驗(yàn)證

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，小型飛機(jī)中高空飛行能力大幅提高，在中高空飛行時(shí)，高空減壓對人體的危害性大幅增加，為保證機(jī)上人員安全高效的工作，設(shè)置了氣密座艙。氣密座艙主要由結(jié)構(gòu)件、透明件及各種設(shè)備組成。各連接部位、通道等都采取密封措施，但由于生產(chǎn)制造技術(shù)等因素，在座艙增壓時(shí)，座艙內(nèi)空氣仍會(huì)泄漏。座艙漏氣主要產(chǎn)生以下危害：①對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。現(xiàn)大多數(shù)飛機(jī)的座艙增壓氣源均引自發(fā)動(dòng)機(jī)或增壓壓氣機(jī)，引氣方式是以降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為代價(jià)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的代償損失會(huì)影響飛機(jī)飛行性能。②對人員的影響。當(dāng)增壓源發(fā)生故障不再向座艙供氣或供氣急劇減少的情況下，座艙內(nèi)存在的空氣量必須保證飛行員有足夠的時(shí)間使飛機(jī)下降到安全高度以下，此時(shí)，座艙不可控量較大漏氣會(huì)使緊急情況下飛機(jī)操縱的難度增加，影響飛行和人員生理健康。

因此，座艙不可控漏氣量應(yīng)是環(huán)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段考慮的重要因素之一。然而在設(shè)計(jì)階段的方案權(quán)衡中，極少評估座艙漏氣量，原因有幾方面：一是因?yàn)槁饬繉ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)的影響有限;二是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初，座艙內(nèi)涉及的專業(yè)較多，暫無有效的手段對其進(jìn)行定量的評估。

鑒于此，本文將研究針對小容積飛機(jī)座艙不可控漏氣量在設(shè)計(jì)階段定量評估的估算方法，該方法利用近似機(jī)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合座艙數(shù)值特征模型，估算出座艙不可控漏氣的量值，最后以某小型飛機(jī)的座艙為算例，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證該方法的可行性。

1座艙漏氣量估算方法研究

1.1 估算方法簡述

估算方法具體實(shí)施流程為：確定估算目標(biāo)，針對目標(biāo)的漏氣特征建立數(shù)學(xué)模型，選擇近似目標(biāo)機(jī)型的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出漏氣部位的物理特征值，估算目標(biāo)的各模型單元漏氣量，進(jìn)一步得出總漏氣量，為驗(yàn)證估算值，選擇與目標(biāo)相關(guān)的漏氣標(biāo)準(zhǔn)，并確定標(biāo)準(zhǔn)要求的漏氣極值，最后比對估算值與標(biāo)準(zhǔn)值，如估算值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，則認(rèn)為該估算值可行，反之則重新建立模型，再次按流程評估漏氣量。

1.2 確定估算目標(biāo)

本文提出的估算方法針對小容積飛機(jī)座艙不可控漏氣量。該類型飛機(jī)座艙有以下特征：①小容積飛機(jī)座艙，常以艙蓋作為進(jìn)出通道，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮該處的漏氣影響;②小容積飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)緊湊，外形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)連接部位和拉桿等通道部位安裝制造復(fù)雜，存在較大的不可控漏氣。

1.3 建立數(shù)學(xué)模型

目標(biāo)漏氣部位分為三大塊：①結(jié)構(gòu)鉚接、螺接部位漏氣;②與外界接通的設(shè)備本身漏氣;③各通道氣密連接部位（如艙蓋與結(jié)構(gòu)貼合處、各操縱桿、管線等通過氣密結(jié)構(gòu)的部位）漏氣。針對漏氣部位，建立座艙漏氣的數(shù)學(xué)模型為：

其中，C=為漏氣單元的物理特征系數(shù)，同一漏氣單元漏氣特征系數(shù)在各高度均相同。結(jié)合公式（1）可得出座艙漏氣量與漏氣單元物理特性、座艙內(nèi)余壓及空氣參數(shù)的關(guān)系：

1.4 估算漏氣量簡述

根據(jù)估算目標(biāo)的座艙特性，查找近似機(jī)型的氣密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合公式（6）找出座艙內(nèi)各漏氣單元的物理特征系數(shù)C值，本次估算認(rèn)為系數(shù)C在各高度上相同。利用C值，估漏氣量，單元漏氣量的總和既是座艙總的不可控漏氣量[1]。

1.5 驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

本節(jié)將對座艙漏氣量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，從中找出針對低升限小容積飛機(jī)座艙漏氣量最嚴(yán)苛的要求作為檢驗(yàn)依據(jù)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)要求

摘自標(biāo)準(zhǔn)《飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)通用規(guī)范》（GJB1193-91）內(nèi)容如下：

①標(biāo)準(zhǔn)要求：“對于所有飛行狀態(tài)，增壓氣源向氣密座艙提供的最小流量應(yīng)比出廠驗(yàn)收時(shí)座艙允許的最大泄漏量至少大1.8倍?！?，該條內(nèi)容闡述了增壓源與座艙不可控漏氣量之間的關(guān)系。

根據(jù)解讀，得出增壓源最小供氣量與座艙不可控漏氣量之間的關(guān)系：

式中，qgmin為這增壓源最小供氣量，qLmax為座艙最大不可控漏氣量。

（2）其他要求

文獻(xiàn)《飛行器環(huán)境控制》中的要求如下：

①“在正常飛行條件下，從各種不嚴(yán)密處泄漏的空氣量，不應(yīng)超過最小的可用增壓供氣量，這是為了保證座艙壓力制度必需的?！痹摋l內(nèi)容闡述了座艙供氣量與座艙不可控漏氣量之間的關(guān)系。

通過解讀，得出增壓源最小供氣量與座艙不可控漏氣量之間的另一關(guān)系：

式中，qgmin為這增壓源最小供氣量，qLmax為座艙最大不可控漏氣量。

②“增壓座艙通過不氣密處不可控制的泄漏量與通過壓力調(diào)節(jié)器排氣活門可控制的排氣量之和應(yīng)小于部分增壓源失效后的供氣量，以保證座艙的余壓值。同時(shí)座艙供氣量qm.p、座艙泄漏量qm.s、座艙壓力調(diào)節(jié)器穩(wěn)定控制所需的流量qm.r之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：qgmin為增壓源最小供氣量、qLmax為座艙最大不可控漏氣量、qymin為座艙壓力調(diào)節(jié)器穩(wěn)定控制所需的流量。

（3） 驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的選擇

根據(jù)上述篩選出的小容積飛機(jī)座艙漏氣量的標(biāo)準(zhǔn)要求，從中選擇最為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。采用類比的方法，根據(jù)其他某小容積座艙的氣密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出各標(biāo)準(zhǔn)要求的漏氣量極值曲線。

通過曲線可看出，公式（6）對應(yīng)的曲線在漏氣量極值的要求上更為嚴(yán)苛，該要求使飛行員在應(yīng)急情況下處置時(shí)間更充足。

1.6 驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)學(xué)模型推算出座艙不可控漏氣量估算值，與標(biāo)準(zhǔn)漏氣量極值作比較，若比對結(jié)果滿足要求（要求為：估算值必須小于極值，不能等于;估算曲線可無限接近極值曲線，但不能重合。）則該方法可行，反之則重新建立數(shù)學(xué)模型，按流程重新評估。

2實(shí)例應(yīng)用

本文選取某在研的小容積飛機(jī)座艙為實(shí)例，利用本文提出的評估方法，按照評估流程，估算該飛機(jī)座艙的不可控漏氣量值，若估算值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則本文提出的估算方法可行，可作為設(shè)計(jì)階段預(yù)估小容積飛機(jī)座艙不可控漏氣量的有效方法之一。

執(zhí)行估算流程，估算該機(jī)型飛機(jī)座艙各高度上不可控漏氣量值及極值，最后通過曲線的形式比較估算值與極值，比較結(jié)果詳見圖3所示。

注：①由于漏氣原因?yàn)樽撛鰤簳r(shí)，在0～2km時(shí)，座艙余壓幾乎為0kpa，因此不估算0～2km的漏氣量，本輪估算從3km開始;②在高空，當(dāng)余壓值趨于相等時(shí)，漏氣量估算值也趨于相等，僅由于密度的微小變化產(chǎn)生微弱差異;③根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣特性，越往高空，系統(tǒng)引氣量越小。而漏氣極值只與引氣量有關(guān)，因此呈下降趨勢。

通過曲線可看出：兩曲線呈無限接近趨勢，漏氣量估算值小于極值，由于余壓值的限定，兩曲線不可能重合;比對結(jié)果滿足要求，本文研究的方法可行[3]。

3結(jié)束語

通過分析，可得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的基于小容積飛機(jī)座艙不可控漏氣量的估算方法，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證可行;

（2）該方法從理論上解決在設(shè)計(jì)階段無法有效評估座艙不可控漏氣量的問題，并為后續(xù)的座艙氣密性驗(yàn)收試驗(yàn)提供定量參考依據(jù);

（3）該方法彌補(bǔ)了小容積飛機(jī)座艙在設(shè)計(jì)階段的評估漏洞，有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 壽榮中，何慧珊.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：7.

[2] Franzini， Joseph B. Fluid mechanics， with engineering applications[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：11.

[3] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊.第15冊，生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999：9.