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飞机环控系统

飞机环境控制系统(ECS-Environment Control System)是保障飞机乘员和旅客安全舒适、为机上电子设备提供正常工作环境条件的设备。飞机环境控制系统主要由引气系统、空调制冷循环机构、空气分配系统以及座舱压力调节系统组成,通过这些系统的运行实现座舱供气和空气分配、座舱压力控制 、温度以及湿度的控制,进而保证飞机的“舒适性”。此外,飞机环控系统还包括除冰系统以及惰化系统等,在飞机飞行过程中及时除去翼面结冰,向油箱不断充入惰性气体降低含氧量,进而提高飞机飞行的“安全性”。随着当代民用客机技术的不断发展进步,客机内微生物及微量污染物的控制、噪声的消减与控制也被纳入到环境控制的研究中来,进而使得人机环境学科成为涵盖换热学、流体力学、环境科学、声学、人体生理学、心理学及自动控制的交叉综合学科。


Ø  引气系统

引气系统为座舱增压和空气调节提供气源,主要功用是使舱内气压高于大气环境气压并持续向舱内供给清洁空气。增压气源的主要型式有两种。一种是以发动机压气机出口引出的增压空气作为供气源,其优点是简单、可靠,已得到广泛应用。另一种是采用专门的座舱增压器,从周围大气中直接吸入空气,经增压后供气,可用飞机动力装置机械传动、空气涡轮传动和液压传动等型式。座舱增压器在现代飞机上已很少使用。为确保座舱供气可靠,在多发动机飞机上一般从两台或两台以上发动机引气,以构成两个以上的独立增压气源。此外,还可以通过辅助动力装置(APU-Auxiliary Power United)及地面气源进行引气。


Ø  空调制冷循环机构

从发动机压气机引来部分经过加温、加压的高温气体,通过一定的管路输送到飞机空调系统,这部分气体除小部分通过热通道进入混合室外,其余的空气首先经过第一级热交换器,通过与周围环境中的大气进行热量交换,经冷却后的到达涡轮冷却器(简称涡冷)的压气机端,压气机对气体做功,气体减速增压,温度和压力小幅升高。从压气机出来的气体到达第二级热交换器,热量交换后,气体温度再次降低。从第二级热交换器出来后的气体到达冷凝器,冷凝器有两个通道,一个冷空气通道和一个热空气通道,这两个通道以十字交叉的形式盘旋在一起,使冷热空气得到充分的热量交换,将热空气中的水蒸气由不饱和状态变成饱和甚至过饱和状态,也称湿空气。湿空气离开冷凝器的热空气通道,进入高压水分离器进行汽水分离。干燥的空气离开水分离器到达涡轮冷却器的涡轮端,气体驱动涡轮旋转,热能转化为机械能。从涡轮端出来的冷空气进入冷凝器的冷空气通道,通过热量交换,一方面温度少许升高,另一方面将空气中的饱和水蒸气变成不饱和的水蒸气,避免机件腐蚀,管道结冰,影响电子设备正常工作。从冷凝器冷空气通道出来的冷空气到达最终目的地混合室。冷热空气在混合室充分混合后,输送到各处,创造出舒适的座舱环境。

Ø  空气分配系统

将气流从混合室引出并使其进入飞机客舱,在舱内造成合适的温度、湿度以及速度分布,以保证舱内的舒适环境条件。通风空气由空气分配系统的供气喷嘴流入座舱,在舱内流动和通风换气,最后从排气口流出座舱。旅客机座舱空气分配系统要求气流噪声小、舱内温度和速度场均匀。客舱内气流速度一般不超过0.2/秒。为每个乘客备有个人通风喷嘴,旅客可随意开、闭,调节通风量和气流方向。

 


Ø  座舱压力调节系统

实现座舱压力控制的主要装置是座舱压力调节器,它由控制器和排气活门(执行机构)等组成。它的功用是使座舱的绝对压力按预定的规律随飞行高度而变化,这种变化规律也称座舱压力制度。这种制度通常因飞机类型而异。压力调节器的另一功用是使座舱压力变化速度保持在适当的范围内。此外,飞机还有一些应急装置,用于在压力调节器失效或其他必要情况下控制座舱压力,保证飞行安全。现代飞机的气密座舱并非绝对气密。座舱由供气装置供气,由排气活门和座舱结构缝隙排气,当供气量与排气量相等时座舱压力维持不变。座舱压力调节器分为气动式、电子气动式和电子电动式等几种型式。战斗机上多采用气动式,运输机则广泛使用电子气动式或电子电动式。更先进的是微处理机控制的数字电动式座舱压力自动控制系统。

Ø  除冰系统

对机翼结冰的处理分为两大类:防冰(防止结冰)和除冰(结冰后除去)。而后者是现在飞机上采用的主流技术,采用除冰系统在冰层没有达到有害厚度时除去。绝大多数除冰技术采用特殊物质(起飞前喷洒的化学物质)或机上携带的机械装置松动冰层,让流经机翼表面的气流将冰带走,从而达到除冰的目的。在机械系统方面,现代商业飞机通常采用一系列管道从发动机内部引入加热的空气,通过加热空气在结冰机翼表面内侧的流动加热附近的机翼表面,从而达到除冰的目的。但是这不仅会使设计变得复杂,同时还会降低发动机的有效推力。在多电技术化的驱使下,研究人员一直在开发一种替代技术,即向机翼前缘表层里面置入导电元件来直接加热机翼表面,使冰层不会聚集变厚。设计这样一个系统的关键是能够开发一个加热盘、片或者加热元件来提供连续均匀的加热,而且能够在苛刻的环境中正常工作,同时要求该集成的加热系统在损坏或者出现故障时可以方便更换。

Ø  惰化系统

飞机燃油系统起火或爆炸是引气飞机失事的主要原因之一。飞机燃油系统的防火防爆能力,直接关系到飞机生存力和易损性,也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。随着飞行技术的发展,飞机上将普遍采用燃油管理技术,使燃油温度提高,这将导致飞机燃油箱的温度提高,相应地增加了飞机燃油箱起火爆炸的几率。因此,使燃油箱始终处于安全状态是非常必要的。飞机燃油箱惰化技术在国外得到迅速发展,它的应用能有效地提高飞机的生存力、利用率和可靠性。飞机燃油箱在一定条件下可分为四个不同的层面:最下面为液态燃油层,紧靠液态燃油层为富油气体层,再上面为含氧最丰富的燃烧层,最上面为贫油分子层。必须控制燃烧层和富油层的氧气浓度,保证氧气浓度低于9%,使燃油箱始终处于惰化状态。常用的惰化技术包括:液氮惰化技术、Halon1301惰化技术、燃油催化技术、分子筛技术、膜分离技术等。