段春　李德慶

【摘 要】空氣管理系統(tǒng)是為民用飛機(jī)艙內(nèi)乘客提供生命保障和舒適環(huán)境的關(guān)鍵系統(tǒng)，有必要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)中通過(guò)監(jiān)測(cè)各個(gè)物理參數(shù)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，諸多的物理參數(shù)需要通過(guò)不同類型的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)原始感測(cè)，以滿足試驗(yàn)的測(cè)試需求，本文重點(diǎn)對(duì)空氣管理系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)用傳感器的布局和選型進(jìn)行了論述，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；空氣管理系統(tǒng)；臺(tái)架試驗(yàn)；傳感器

0 前言

空氣管理系統(tǒng)是民用飛機(jī)重要的機(jī)載系統(tǒng)之一。以飛機(jī)在大氣平流層內(nèi)巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環(huán)境，很快便會(huì)死亡。因此空氣管理系統(tǒng)首先要為艙內(nèi)乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機(jī)用于商載用途必須面對(duì)市場(chǎng)同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，其空氣管理系統(tǒng)必須為乘客提供舒適的艙內(nèi)大氣環(huán)境。對(duì)于150～200座級(jí)的民用飛機(jī)，空氣管理系統(tǒng)的普遍方案均是從發(fā)動(dòng)機(jī)引出空氣，通過(guò)制冷、壓力調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，為飛機(jī)各用氣區(qū)域供給合適的空氣。

空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，是驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能的重要手段之一。臺(tái)架試驗(yàn)作為研發(fā)試驗(yàn)，可以在試驗(yàn)室試驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求；臺(tái)架試驗(yàn)的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)，可以將在機(jī)上地面試驗(yàn)或試飛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以幫助查找問(wèn)題的根源所在。

為保證臺(tái)架試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測(cè)不同物理參數(shù)的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學(xué)合理的原則，需要經(jīng)過(guò)多方面充分的分析和考慮，以確保臺(tái)架試驗(yàn)的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、空氣分配系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)架包括從氣源系統(tǒng)到空氣輸送末端的所有管路和設(shè)備，不模擬飛機(jī)增壓艙段，傳感器分布在各管路設(shè)備上。

傳感器的布局需遵循科學(xué)合理、具有可實(shí)現(xiàn)性的原則。臺(tái)架試驗(yàn)是通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論設(shè)計(jì)值對(duì)比，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能驗(yàn)證。理想狀態(tài)下，希望布置盡可能多的傳感器來(lái)獲得實(shí)測(cè)值；但實(shí)際情況是，空氣管理系統(tǒng)設(shè)備作為機(jī)載設(shè)備，受限于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設(shè)計(jì)，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統(tǒng)（圖1）為例，在綜合考慮測(cè)試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗(yàn)臺(tái)架上選擇傳感器加裝位置時(shí)，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測(cè)試數(shù)據(jù)不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會(huì)使測(cè)得值遠(yuǎn)離真實(shí)需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因?yàn)榛铋T的作動(dòng)會(huì)影響下游的流場(chǎng)；

4）布置流量傳感器時(shí)需考慮流量計(jì)對(duì)前后直管段的要求；

5）在測(cè)試點(diǎn)布置傳感器，應(yīng)避免加裝的傳感器對(duì)測(cè)試目標(biāo)造成影響，如無(wú)法避免，應(yīng)將影響降至最低。

如果沒(méi)有在正確的位置加裝傳感器，試驗(yàn)中諸多問(wèn)題便會(huì)接踵而至，輕則導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)失效，進(jìn)而試驗(yàn)無(wú)效、影響試驗(yàn)進(jìn)度；重則，由于錯(cuò)誤的傳感器布局造成設(shè)備原有的強(qiáng)度降低，在試驗(yàn)中發(fā)生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據(jù)圖1所示原理圖，試驗(yàn)中需要測(cè)試的物理參數(shù)主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對(duì)這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)架上，而非飛機(jī)上，減少了對(duì)設(shè)備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對(duì)選型影響較??；而精度、響應(yīng)時(shí)間、量程和適用環(huán)境直接影響傳感器是否滿足測(cè)試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點(diǎn)是所選擇的傳感器加裝到試驗(yàn)臺(tái)架上不能影響系統(tǒng)原有的構(gòu)型，當(dāng)影響無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)選擇合適的類型使其對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強(qiáng)度需求。熱電偶反應(yīng)快、量程范圍寬，主要用于氣源系統(tǒng)；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場(chǎng)合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應(yīng)高（達(dá)5kHz），適用于壓力變化快、需要測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的場(chǎng)合；另一種體積大、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、精度高，適用于壓力相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)安裝空間無(wú)限制的場(chǎng)合。

2.4 流量傳感器的選型

臺(tái)架試驗(yàn)的流量測(cè)量需要的是質(zhì)量流量值而非體積流量值。因?yàn)椋谡Ｇ闆r下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內(nèi)，大氣化學(xué)成分的比例基本穩(wěn)定不變。所以在判斷系統(tǒng)流量控制和分配是否滿足要求時(shí)，需要測(cè)量的是空氣的質(zhì)量流量，而非體積流量。

目前市場(chǎng)上可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測(cè)量法的流量計(jì)，如科氏力質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)；有采用間接測(cè)量法的流量計(jì)，如孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、皮托管及均速管流量計(jì)等。試驗(yàn)臺(tái)本身有許多限制條件，不是所有流量計(jì)都適用于空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計(jì)引入的壓力損失應(yīng)盡量小、對(duì)流速、流場(chǎng)的影響盡量少，否則會(huì)影響原有的流量分配；流量計(jì)對(duì)直管段的要求應(yīng)盡量低，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)上管路的直管段并不理想；流量計(jì)不能對(duì)振動(dòng)和游離水敏感，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)本身可能存在振動(dòng)和游離水；流量計(jì)需安裝拆卸方便、易于維護(hù)，需要替換掉原有管路的流量計(jì)不適合用于本試驗(yàn)臺(tái)。

在綜合考慮各類流量計(jì)的特點(diǎn)、適用范圍和試驗(yàn)臺(tái)的限制之后，選擇均速管來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時(shí)滿足測(cè)量范圍和精度要求。

選定流量計(jì)類型后，在具體的安裝使用地點(diǎn)，仍然有許多需要注意的地方。每個(gè)流量計(jì)都必須根據(jù)使用點(diǎn)的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，然后對(duì)流量計(jì)進(jìn)行正確的選型，否則測(cè)量仍然會(huì)出現(xiàn)額外誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

民用飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，試驗(yàn)臺(tái)傳感系統(tǒng)的合理布局和正確選擇是臺(tái)架試驗(yàn)有效性的基本保障。本文針對(duì)空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的特點(diǎn)，在充分了解試驗(yàn)測(cè)試需求和市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的布局和選型考慮進(jìn)行了的論述，整個(gè)傳感系統(tǒng)滿足試驗(yàn)測(cè)試需求，具有很強(qiáng)的實(shí)踐操作指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

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

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

[3]黃德先，王京春，金以慧.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機(jī)空氣管理系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2008（3）：7-8.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】空氣管理系統(tǒng)是為民用飛機(jī)艙內(nèi)乘客提供生命保障和舒適環(huán)境的關(guān)鍵系統(tǒng)，有必要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)中通過(guò)監(jiān)測(cè)各個(gè)物理參數(shù)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，諸多的物理參數(shù)需要通過(guò)不同類型的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)原始感測(cè)，以滿足試驗(yàn)的測(cè)試需求，本文重點(diǎn)對(duì)空氣管理系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)用傳感器的布局和選型進(jìn)行了論述，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；空氣管理系統(tǒng)；臺(tái)架試驗(yàn)；傳感器

0 前言

空氣管理系統(tǒng)是民用飛機(jī)重要的機(jī)載系統(tǒng)之一。以飛機(jī)在大氣平流層內(nèi)巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環(huán)境，很快便會(huì)死亡。因此空氣管理系統(tǒng)首先要為艙內(nèi)乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機(jī)用于商載用途必須面對(duì)市場(chǎng)同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，其空氣管理系統(tǒng)必須為乘客提供舒適的艙內(nèi)大氣環(huán)境。對(duì)于150～200座級(jí)的民用飛機(jī)，空氣管理系統(tǒng)的普遍方案均是從發(fā)動(dòng)機(jī)引出空氣，通過(guò)制冷、壓力調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，為飛機(jī)各用氣區(qū)域供給合適的空氣。

空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，是驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能的重要手段之一。臺(tái)架試驗(yàn)作為研發(fā)試驗(yàn)，可以在試驗(yàn)室試驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求；臺(tái)架試驗(yàn)的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)，可以將在機(jī)上地面試驗(yàn)或試飛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以幫助查找問(wèn)題的根源所在。

為保證臺(tái)架試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測(cè)不同物理參數(shù)的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學(xué)合理的原則，需要經(jīng)過(guò)多方面充分的分析和考慮，以確保臺(tái)架試驗(yàn)的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、空氣分配系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)架包括從氣源系統(tǒng)到空氣輸送末端的所有管路和設(shè)備，不模擬飛機(jī)增壓艙段，傳感器分布在各管路設(shè)備上。

傳感器的布局需遵循科學(xué)合理、具有可實(shí)現(xiàn)性的原則。臺(tái)架試驗(yàn)是通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論設(shè)計(jì)值對(duì)比，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能驗(yàn)證。理想狀態(tài)下，希望布置盡可能多的傳感器來(lái)獲得實(shí)測(cè)值；但實(shí)際情況是，空氣管理系統(tǒng)設(shè)備作為機(jī)載設(shè)備，受限于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設(shè)計(jì)，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統(tǒng)（圖1）為例，在綜合考慮測(cè)試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗(yàn)臺(tái)架上選擇傳感器加裝位置時(shí)，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測(cè)試數(shù)據(jù)不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會(huì)使測(cè)得值遠(yuǎn)離真實(shí)需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因?yàn)榛铋T的作動(dòng)會(huì)影響下游的流場(chǎng)；

4）布置流量傳感器時(shí)需考慮流量計(jì)對(duì)前后直管段的要求；

5）在測(cè)試點(diǎn)布置傳感器，應(yīng)避免加裝的傳感器對(duì)測(cè)試目標(biāo)造成影響，如無(wú)法避免，應(yīng)將影響降至最低。

如果沒(méi)有在正確的位置加裝傳感器，試驗(yàn)中諸多問(wèn)題便會(huì)接踵而至，輕則導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)失效，進(jìn)而試驗(yàn)無(wú)效、影響試驗(yàn)進(jìn)度；重則，由于錯(cuò)誤的傳感器布局造成設(shè)備原有的強(qiáng)度降低，在試驗(yàn)中發(fā)生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據(jù)圖1所示原理圖，試驗(yàn)中需要測(cè)試的物理參數(shù)主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對(duì)這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)架上，而非飛機(jī)上，減少了對(duì)設(shè)備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對(duì)選型影響較??；而精度、響應(yīng)時(shí)間、量程和適用環(huán)境直接影響傳感器是否滿足測(cè)試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點(diǎn)是所選擇的傳感器加裝到試驗(yàn)臺(tái)架上不能影響系統(tǒng)原有的構(gòu)型，當(dāng)影響無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)選擇合適的類型使其對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強(qiáng)度需求。熱電偶反應(yīng)快、量程范圍寬，主要用于氣源系統(tǒng)；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場(chǎng)合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應(yīng)高（達(dá)5kHz），適用于壓力變化快、需要測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的場(chǎng)合；另一種體積大、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、精度高，適用于壓力相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)安裝空間無(wú)限制的場(chǎng)合。

2.4 流量傳感器的選型

臺(tái)架試驗(yàn)的流量測(cè)量需要的是質(zhì)量流量值而非體積流量值。因?yàn)?，在正常情況下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內(nèi)，大氣化學(xué)成分的比例基本穩(wěn)定不變。所以在判斷系統(tǒng)流量控制和分配是否滿足要求時(shí)，需要測(cè)量的是空氣的質(zhì)量流量，而非體積流量。

目前市場(chǎng)上可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測(cè)量法的流量計(jì)，如科氏力質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)；有采用間接測(cè)量法的流量計(jì)，如孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、皮托管及均速管流量計(jì)等。試驗(yàn)臺(tái)本身有許多限制條件，不是所有流量計(jì)都適用于空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計(jì)引入的壓力損失應(yīng)盡量小、對(duì)流速、流場(chǎng)的影響盡量少，否則會(huì)影響原有的流量分配；流量計(jì)對(duì)直管段的要求應(yīng)盡量低，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)上管路的直管段并不理想；流量計(jì)不能對(duì)振動(dòng)和游離水敏感，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)本身可能存在振動(dòng)和游離水；流量計(jì)需安裝拆卸方便、易于維護(hù)，需要替換掉原有管路的流量計(jì)不適合用于本試驗(yàn)臺(tái)。

在綜合考慮各類流量計(jì)的特點(diǎn)、適用范圍和試驗(yàn)臺(tái)的限制之后，選擇均速管來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時(shí)滿足測(cè)量范圍和精度要求。

選定流量計(jì)類型后，在具體的安裝使用地點(diǎn)，仍然有許多需要注意的地方。每個(gè)流量計(jì)都必須根據(jù)使用點(diǎn)的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，然后對(duì)流量計(jì)進(jìn)行正確的選型，否則測(cè)量仍然會(huì)出現(xiàn)額外誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

民用飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，試驗(yàn)臺(tái)傳感系統(tǒng)的合理布局和正確選擇是臺(tái)架試驗(yàn)有效性的基本保障。本文針對(duì)空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的特點(diǎn)，在充分了解試驗(yàn)測(cè)試需求和市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的布局和選型考慮進(jìn)行了的論述，整個(gè)傳感系統(tǒng)滿足試驗(yàn)測(cè)試需求，具有很強(qiáng)的實(shí)踐操作指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

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

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

[3]黃德先，王京春，金以慧.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機(jī)空氣管理系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2008（3）：7-8.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】空氣管理系統(tǒng)是為民用飛機(jī)艙內(nèi)乘客提供生命保障和舒適環(huán)境的關(guān)鍵系統(tǒng)，有必要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)中通過(guò)監(jiān)測(cè)各個(gè)物理參數(shù)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，諸多的物理參數(shù)需要通過(guò)不同類型的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)原始感測(cè)，以滿足試驗(yàn)的測(cè)試需求，本文重點(diǎn)對(duì)空氣管理系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)用傳感器的布局和選型進(jìn)行了論述，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；空氣管理系統(tǒng)；臺(tái)架試驗(yàn)；傳感器

0 前言

空氣管理系統(tǒng)是民用飛機(jī)重要的機(jī)載系統(tǒng)之一。以飛機(jī)在大氣平流層內(nèi)巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環(huán)境，很快便會(huì)死亡。因此空氣管理系統(tǒng)首先要為艙內(nèi)乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機(jī)用于商載用途必須面對(duì)市場(chǎng)同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，其空氣管理系統(tǒng)必須為乘客提供舒適的艙內(nèi)大氣環(huán)境。對(duì)于150～200座級(jí)的民用飛機(jī)，空氣管理系統(tǒng)的普遍方案均是從發(fā)動(dòng)機(jī)引出空氣，通過(guò)制冷、壓力調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，為飛機(jī)各用氣區(qū)域供給合適的空氣。

空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，是驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能的重要手段之一。臺(tái)架試驗(yàn)作為研發(fā)試驗(yàn)，可以在試驗(yàn)室試驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求；臺(tái)架試驗(yàn)的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)，可以將在機(jī)上地面試驗(yàn)或試飛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以幫助查找問(wèn)題的根源所在。

為保證臺(tái)架試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測(cè)不同物理參數(shù)的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學(xué)合理的原則，需要經(jīng)過(guò)多方面充分的分析和考慮，以確保臺(tái)架試驗(yàn)的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統(tǒng)包括氣源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、空氣分配系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)架包括從氣源系統(tǒng)到空氣輸送末端的所有管路和設(shè)備，不模擬飛機(jī)增壓艙段，傳感器分布在各管路設(shè)備上。

傳感器的布局需遵循科學(xué)合理、具有可實(shí)現(xiàn)性的原則。臺(tái)架試驗(yàn)是通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論設(shè)計(jì)值對(duì)比，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能驗(yàn)證。理想狀態(tài)下，希望布置盡可能多的傳感器來(lái)獲得實(shí)測(cè)值；但實(shí)際情況是，空氣管理系統(tǒng)設(shè)備作為機(jī)載設(shè)備，受限于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設(shè)計(jì)，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統(tǒng)（圖1）為例，在綜合考慮測(cè)試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗(yàn)臺(tái)架上選擇傳感器加裝位置時(shí)，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測(cè)試數(shù)據(jù)不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會(huì)使測(cè)得值遠(yuǎn)離真實(shí)需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因?yàn)榛铋T的作動(dòng)會(huì)影響下游的流場(chǎng)；

4）布置流量傳感器時(shí)需考慮流量計(jì)對(duì)前后直管段的要求；

5）在測(cè)試點(diǎn)布置傳感器，應(yīng)避免加裝的傳感器對(duì)測(cè)試目標(biāo)造成影響，如無(wú)法避免，應(yīng)將影響降至最低。

如果沒(méi)有在正確的位置加裝傳感器，試驗(yàn)中諸多問(wèn)題便會(huì)接踵而至，輕則導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)失效，進(jìn)而試驗(yàn)無(wú)效、影響試驗(yàn)進(jìn)度；重則，由于錯(cuò)誤的傳感器布局造成設(shè)備原有的強(qiáng)度降低，在試驗(yàn)中發(fā)生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據(jù)圖1所示原理圖，試驗(yàn)中需要測(cè)試的物理參數(shù)主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對(duì)這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)架上，而非飛機(jī)上，減少了對(duì)設(shè)備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對(duì)選型影響較??；而精度、響應(yīng)時(shí)間、量程和適用環(huán)境直接影響傳感器是否滿足測(cè)試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點(diǎn)是所選擇的傳感器加裝到試驗(yàn)臺(tái)架上不能影響系統(tǒng)原有的構(gòu)型，當(dāng)影響無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)選擇合適的類型使其對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強(qiáng)度需求。熱電偶反應(yīng)快、量程范圍寬，主要用于氣源系統(tǒng)；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場(chǎng)合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應(yīng)高（達(dá)5kHz），適用于壓力變化快、需要測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的場(chǎng)合；另一種體積大、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、精度高，適用于壓力相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)安裝空間無(wú)限制的場(chǎng)合。

2.4 流量傳感器的選型

臺(tái)架試驗(yàn)的流量測(cè)量需要的是質(zhì)量流量值而非體積流量值。因?yàn)?，在正常情況下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內(nèi)，大氣化學(xué)成分的比例基本穩(wěn)定不變。所以在判斷系統(tǒng)流量控制和分配是否滿足要求時(shí)，需要測(cè)量的是空氣的質(zhì)量流量，而非體積流量。

目前市場(chǎng)上可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測(cè)量法的流量計(jì)，如科氏力質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)；有采用間接測(cè)量法的流量計(jì)，如孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、皮托管及均速管流量計(jì)等。試驗(yàn)臺(tái)本身有許多限制條件，不是所有流量計(jì)都適用于空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計(jì)引入的壓力損失應(yīng)盡量小、對(duì)流速、流場(chǎng)的影響盡量少，否則會(huì)影響原有的流量分配；流量計(jì)對(duì)直管段的要求應(yīng)盡量低，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)上管路的直管段并不理想；流量計(jì)不能對(duì)振動(dòng)和游離水敏感，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)本身可能存在振動(dòng)和游離水；流量計(jì)需安裝拆卸方便、易于維護(hù)，需要替換掉原有管路的流量計(jì)不適合用于本試驗(yàn)臺(tái)。

在綜合考慮各類流量計(jì)的特點(diǎn)、適用范圍和試驗(yàn)臺(tái)的限制之后，選擇均速管來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時(shí)滿足測(cè)量范圍和精度要求。

選定流量計(jì)類型后，在具體的安裝使用地點(diǎn)，仍然有許多需要注意的地方。每個(gè)流量計(jì)都必須根據(jù)使用點(diǎn)的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，然后對(duì)流量計(jì)進(jìn)行正確的選型，否則測(cè)量仍然會(huì)出現(xiàn)額外誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

民用飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)必不可少，試驗(yàn)臺(tái)傳感系統(tǒng)的合理布局和正確選擇是臺(tái)架試驗(yàn)有效性的基本保障。本文針對(duì)空氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的特點(diǎn)，在充分了解試驗(yàn)測(cè)試需求和市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的布局和選型考慮進(jìn)行了的論述，整個(gè)傳感系統(tǒng)滿足試驗(yàn)測(cè)試需求，具有很強(qiáng)的實(shí)踐操作指導(dǎo)意義。

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[責(zé)任編輯：曹明明]