輕型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)方案評(píng)估

沈鳳村 藍(lán)渝康

（貴州貴飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 安順 561000）

有效評(píng)估是方案選擇、設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。輕型飛機(jī)常用的環(huán)境控制系統(tǒng)有空氣循環(huán)系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，隨著電動(dòng)飛機(jī)的研究應(yīng)用，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)成為今后環(huán)境控制系統(tǒng)的重要分類之一。這三種環(huán)境控制系統(tǒng)，運(yùn)行原理差異大，很難通過(guò)單一途徑進(jìn)行比較。在飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)評(píng)估方法中，起飛總質(zhì)量法和當(dāng)量阻力法得到廣泛應(yīng)用。這兩種評(píng)估方法將系統(tǒng)多項(xiàng)因素納入分析，從質(zhì)量及力的角度對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，適合輕 型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)方案評(píng)估。

現(xiàn)有飛機(jī)代償損失評(píng)估方法在應(yīng)用時(shí)存在前提條件，對(duì)超出條件范圍的評(píng)估，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。根據(jù)輕型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)現(xiàn)有起飛總質(zhì)量法及當(dāng)量阻力法進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，并在某輕型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)方案評(píng)估中驗(yàn)證，并探索輕型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的選擇方向。

1 評(píng)估方法研究

影響評(píng)估的因素主要有系統(tǒng)質(zhì)量、性能、功率、對(duì)飛機(jī)性能影響等，其中重點(diǎn)關(guān)注對(duì)飛機(jī)性能影響，即系統(tǒng)所引起的飛機(jī)性能代償損失。在系統(tǒng)評(píng)估過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)引氣量占比、系統(tǒng)耗能等差異較大時(shí)，動(dòng)力裝置功率損失差異明顯，導(dǎo)致飛機(jī)動(dòng)力裝置及其他系統(tǒng)在各方案中出現(xiàn)差異，現(xiàn)有評(píng)估方法未體現(xiàn)，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)偏差。對(duì)此，該文進(jìn)行了起飛總質(zhì)量法及當(dāng)量阻力法的研究和優(yōu)化。

1.1 起飛總質(zhì)量法研究及優(yōu)化

起飛總質(zhì)量法以燃油消耗量為表征基礎(chǔ)，燃油的消耗直接影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及性能，更符合當(dāng)今提倡能源優(yōu)化的理念。起飛總質(zhì)量法評(píng)估項(xiàng)目包括以下幾項(xiàng)：1）系統(tǒng)固定裝置的質(zhì)量為mE，系統(tǒng)質(zhì)量引起的燃油代償損失mf,E；2）利用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功引起的燃油代償損失mf，p；3）克服氣動(dòng)阻力引起的燃油代償損失mf,D；4）利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣引起的燃油代償損失mf,bl。系統(tǒng)起飛總質(zhì)量為各部分損失之和[1]。

公式（1）使用的條件為各因素引起的發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失可通過(guò)燃油消耗進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，壓氣機(jī)引氣量占比大于某值后（發(fā)動(dòng)機(jī)不同，該值不同），發(fā)動(dòng)機(jī)的性能下降幅度大于某值以內(nèi)的影響，此時(shí)通過(guò)增加燃油消耗的方式無(wú)法消除該影響。若要使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到同等級(jí)別性能，需更換大功率發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)附件、電氣系統(tǒng)改進(jìn)，其帶來(lái)飛機(jī)起飛質(zhì)量增加。若不考慮此變化，則方案之間的評(píng)估出現(xiàn)偏差，影響最終方案的選擇，對(duì)需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的空氣循環(huán)系統(tǒng)及蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)比較尤為重要。

為此，將相關(guān)可能變化項(xiàng)目納入評(píng)估中，公式（1）調(diào)整為公式（2）。

式中增加的∑m，表示因發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降而通過(guò)增加燃油消耗無(wú)法補(bǔ)償損失時(shí)，飛機(jī)總質(zhì)量必須增加及增加質(zhì)量引起的燃油消耗量之和，該值的計(jì)算方式與mE和mf,E算法相同。

1.2 當(dāng)量阻力法研究及優(yōu)化

當(dāng)量阻力法以系統(tǒng)引起的阻力損失作為基礎(chǔ)，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)布局、系統(tǒng)在機(jī)上的布局設(shè)計(jì)及優(yōu)化有較大的參考意義。

當(dāng)量阻力法相關(guān)項(xiàng)目包括：1）系統(tǒng)進(jìn)氣口的當(dāng)量阻力D；2）系統(tǒng)質(zhì)量的當(dāng)量阻力Dm,eq；3）發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣的當(dāng)量阻力Dbl,eq；4）發(fā)動(dòng)機(jī)軸輸出功率的當(dāng)量阻力DP,eq。系統(tǒng)總的當(dāng)量阻力D∑eq為

同上節(jié)所述，對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，由于系統(tǒng)方案帶來(lái)的某些因素影響一旦無(wú)法消除或降低，為真實(shí)反映方案的情況，應(yīng)在公式中增加由此引起的相關(guān)變化。

為此，將相關(guān)變化納入評(píng)估中，公式（3）調(diào)整為公式（4）。

式中增加的∑D，表示，因發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降而通過(guò)改變進(jìn)氣口等無(wú)法消除影響時(shí)，飛機(jī)必要相關(guān)變化導(dǎo)致的當(dāng)量阻力增加，該值的計(jì)算方式與Dm,eq算法相同。

2 待評(píng)估方案簡(jiǎn)介

某輕型飛機(jī)主要執(zhí)行低空、超低空任務(wù)，任務(wù)時(shí)間適中且機(jī)動(dòng)性能要求高，需系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易操作且維護(hù)快速。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能限制等因素，系統(tǒng)方案在空氣循環(huán)系統(tǒng)、蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)及電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)中作選擇。各系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1所示。

2.1 空氣循環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)應(yīng)用于各型飛機(jī)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、重量輕、成熟可靠。系統(tǒng)原理為從發(fā)動(dòng)機(jī)引進(jìn)的高溫高壓空氣經(jīng)散熱器散熱、渦輪冷卻器制冷減壓及相關(guān)除水、空氣分配部件的除水分配后進(jìn)入座艙，調(diào)節(jié)座艙空氣溫度和壓力。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1（a）。

圖1 三種系統(tǒng)方案原理圖

2.2 蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)多在通用飛機(jī)上應(yīng)用，性能系數(shù)高、性能穩(wěn)定，制冷量可調(diào)性好，座艙增壓和加溫需引入高壓熱空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)方案原理：制冷部分由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器及節(jié)流閥等組成系統(tǒng)的閉式制冷循環(huán)部分，冷卻座艙內(nèi)空氣；加溫和增壓由引氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣并送入座艙維持座艙壓力及加溫。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1（b）。

2.3 電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)

電環(huán)控系統(tǒng)已從概念階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用[2]，其無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的形式是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的解放，是飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)發(fā)展重要方向。電環(huán)控系統(tǒng)的原理為沖壓空氣由電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓成高壓熱空氣，經(jīng)散熱器散熱和渦輪冷卻器絕熱降溫減壓，與另一部分空氣混合經(jīng)除水處理，輸送到座艙及電子設(shè)備用于調(diào)溫。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1（c）。

3 評(píng)估方法應(yīng)用

該節(jié)將優(yōu)化前后的起飛總質(zhì)量法及當(dāng)量阻力法，應(yīng)用于某輕型飛機(jī)三種環(huán)境控制系統(tǒng)的評(píng)估比較中，結(jié)合工程實(shí)踐，驗(yàn)證和討論前述提出研究方法的可行性和準(zhǔn)確性。

3.1 評(píng)估條件

典型剖面的飛行速度、飛行航時(shí)，其他涉及的參數(shù)如下。1）發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓比及進(jìn)口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度及軸功率的輸出、燃油比耗、燃?xì)赓|(zhì)量定壓熱容、燃油單位燃燒熱值等；2）各環(huán)控系統(tǒng)：系統(tǒng)質(zhì)量、引氣量、沖壓端氣動(dòng)阻力、熱交換器冷邊氣動(dòng)阻力、冷凝器端氣動(dòng)阻力、功率需求。

3.2 起飛總質(zhì)量法評(píng)估分析

結(jié)合相關(guān)參數(shù)，得出公式優(yōu)化前、后各系統(tǒng)引起的代償損見(jiàn)圖2。

觀察圖2（a），蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)引起的代償損失是空氣循環(huán)系統(tǒng)的約1.2倍，主要在系統(tǒng)質(zhì)量及克服氣動(dòng)阻力方面；在利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣方面，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)是空氣循環(huán)系統(tǒng)的約20%；電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的損失集中在系統(tǒng)質(zhì)量和克服氣動(dòng)阻力損失方面，而發(fā)動(dòng)機(jī)引氣無(wú)損失。

根據(jù)某輕型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的選型研究表明，為達(dá)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，空氣循環(huán)系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣已超出引氣占比的0.5%，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能大幅下降，需更換更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而引起全機(jī)變化。電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)行資源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池組，高電耗也是其系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題[3]，在相同性能指標(biāo)的情況下，為支持系統(tǒng)運(yùn)行也使發(fā)動(dòng)機(jī)或相關(guān)發(fā)電附件選型變化。使用優(yōu)化后公式分析，結(jié)果見(jiàn)圖2（b），此時(shí)空氣循環(huán)系統(tǒng)引氣的代償損失增加（∑m）約85kg，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)電能消耗的代償損失增加約（∑m）50kg，此時(shí)在引氣量及制冷性能不變的情況下，空氣循環(huán)系統(tǒng)的代償損失略高于蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的代償損失更大。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)在輕型飛機(jī)上應(yīng)用更加優(yōu)越，特別對(duì)機(jī)動(dòng)性能要求高的輕型飛機(jī)，引氣量小且性能穩(wěn)定的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)正逐步成為主流。同時(shí)，對(duì)引氣量占比較小（≤0.5%）的飛機(jī)，空氣循環(huán)系統(tǒng)與蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果與圖2（a）相同。由此說(shuō)明優(yōu)化的評(píng)估方法能涵蓋不同飛機(jī)的各種環(huán)控系統(tǒng)的評(píng)估。

圖2 優(yōu)化前、后代償損失評(píng)估圖

3.3 當(dāng)量阻力法評(píng)估分析

結(jié)合相關(guān)參數(shù)，得出公式優(yōu)化前、后系統(tǒng)引起的代償損失見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化前、后當(dāng)量阻力評(píng)估圖

圖3（a）可知，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的當(dāng)量阻力略高，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的當(dāng)量阻力仍是最大[4]。在利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣引起的當(dāng)量阻力方面，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)約為空氣循環(huán)系統(tǒng)的18%。

與前節(jié)分析相同，空氣循環(huán)系統(tǒng)引起的飛機(jī)整體性能的下降，已無(wú)法從優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面消除；而電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)大量的電能消耗也無(wú)法從燃油得到補(bǔ)償。系統(tǒng)評(píng)估時(shí)，必須重新考慮空氣循環(huán)系統(tǒng)因引氣大及電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)因用電量大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能損失無(wú)法恢復(fù)情況，應(yīng)該考慮增加其他相關(guān)項(xiàng)目。應(yīng)用優(yōu)化后公式分析，見(jiàn)圖3（b），此時(shí)空氣循環(huán)系統(tǒng)引氣的代償損失增加（∑D）約45N，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)電能消耗的代償損失增加約（∑D）50N，此時(shí)在引氣量及制冷性能不變的情況下，空氣循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)量阻力略高于蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的當(dāng)量阻力仍是最大。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)在輕型飛機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)于空氣循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)引氣量占比較?。ā?.5%）的飛機(jī)，空氣循環(huán)系統(tǒng)與蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果與圖3（a）相同。由此說(shuō)明優(yōu)化的評(píng)估方法能涵蓋不同飛機(jī)的各種環(huán)控系統(tǒng)的評(píng)估。

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的代償損失評(píng)估方法使用限制條件的分析，優(yōu)化了起飛總質(zhì)量法及當(dāng)量阻力法，將優(yōu)化的評(píng)估方法應(yīng)用到某輕型飛機(jī)的三種不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案評(píng)估研究中，得出以下結(jié)論：1）改進(jìn)的評(píng)估方法，涵蓋原方法應(yīng)用范圍并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，在原方法應(yīng)用范圍內(nèi)評(píng)估結(jié)果相同；同時(shí)，拓展應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)類的飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)方案評(píng)估。2）蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)質(zhì)量大于空氣循環(huán)系統(tǒng)，但在引氣損失方面優(yōu)于空氣循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響小，制冷性能穩(wěn)定、效率高，符合現(xiàn)代輕型飛機(jī)的飛行性能需求，是輕型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)方案的首選。3）空氣循環(huán)系統(tǒng)的引氣雖然對(duì)飛機(jī)性能的損失較大，但在其他方面引起的損失都最小且技術(shù)成熟度高，仍適用于部分輕型飛機(jī)。4）電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)雖然不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能解放有很大貢獻(xiàn)，但就目前技術(shù)而言，其系統(tǒng)重量大、運(yùn)行電功率大，很多輕型飛機(jī)無(wú)法滿足且國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，目前不適用于輕型飛機(jī)。