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        民用飛機空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需求分析

        2014-12-31 08:22:54肖曉勁林石泉袁建新吳成云
        中國科技信息 2014年16期
        關(guān)鍵詞:民用飛機座艙分析法

        肖曉勁 林石泉 袁建新 吳成云

        上海飛機設(shè)計研究院

        民用飛機空調(diào)系統(tǒng)為民用飛機提供健康、安全和舒適的艙室環(huán)境,本文介紹了機載系統(tǒng)設(shè)計需求分析方法,對民用飛機空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和需求分析過程進(jìn)行了初步研究。

        空調(diào)系統(tǒng)是民用飛機的一個重要機載系統(tǒng),其主要作用是為機上成員提供健康、安全和舒適的環(huán)境,并滿足機載設(shè)備對工作環(huán)境溫度的要求。空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案,由飛機對空調(diào)系統(tǒng)的需求決定。在民用飛機概念設(shè)計和規(guī)劃論證階段,只有正確實施空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需求分析,才能將飛機的需求完整傳遞給空調(diào)系統(tǒng),從而為空調(diào)系統(tǒng)方案的確定、研發(fā)和驗證打下堅實基礎(chǔ)。

        設(shè)計需求分析概述

        設(shè)計需求分析的概念起源于系統(tǒng)工程。隨著對其關(guān)鍵地位與作用的認(rèn)識日趨深入,設(shè)計需求分析的概念目前已經(jīng)在科技創(chuàng)新、產(chǎn)品型號設(shè)計、行業(yè)發(fā)展規(guī)劃、體系建設(shè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。民用飛機機載系統(tǒng)的復(fù)雜性要求采用系統(tǒng)工程的概念來確保獲得可生產(chǎn)、可使用和有保障的機載系統(tǒng),并滿足功能的要求。

        目前,設(shè)計需求分析過程無權(quán)威和統(tǒng)一的方法,較為常見的方法有:預(yù)測分析法、運籌分析法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)法、評價分析法、邏輯分析法、層次分析法、費用獨立變量法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、質(zhì)量功能配置法和系統(tǒng)分析法等。綜合各種方法在適用性、直觀性、受主觀影響程度、對早期信息的依賴性、對先前經(jīng)驗的依賴性、時間成本、經(jīng)濟(jì)型、可靠性和運用難度等方面的優(yōu)劣,民用飛機空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)需求分析宜采用系統(tǒng)分析法。

        按照系統(tǒng)分析方法,系統(tǒng)設(shè)計需求分析的基本步驟如下:

        (1)需求的捕獲。需求捕獲是收集、獲取、發(fā)掘客戶需求的過程,是需求工程的核心,也是民用飛機型號研制過程中最困難、最關(guān)鍵、最容易出錯的環(huán)節(jié)。

        (2)需求的識別。需求識別是理解和正確表達(dá)客戶需求的過程。將捕獲的需求加以仔細(xì)甄別,忽略與型號研制無直接關(guān)系的需求,提取出客戶關(guān)于型號研制的真實要求,并完成客戶確認(rèn)過程。

        (3)需求的定義與歸類。需求定義是將識別出與型號研制直接相關(guān)的需求以書面、工程化的語言固定下來的過程。需求有多種類別,將需求劃定為不同的類別,以便型號研制的不同階段、不同專業(yè)使用。

        (4)功能分解。功能是指由某項系統(tǒng)組成要素完成的某項特性活動。功能分解就是要從明確頂層功能(飛機級功能)開始,最終把這些功能分配到系統(tǒng)組成要素上去。系統(tǒng)組成要素則是指硬件、軟件、設(shè)施、人員、程序性資料或其任意組合。在考慮通用化、系列化、模塊化的基礎(chǔ)上,民用飛機空調(diào)系統(tǒng)功能分解工作的重要內(nèi)容是在給定的任務(wù)目標(biāo)(需求和功能要求)和約束條件(標(biāo)準(zhǔn)限值)下,確定空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)要求,構(gòu)造空調(diào)系統(tǒng)方案,并以可承受的費用滿足進(jìn)度要求。

        民用飛機與系統(tǒng)功能的分解與傳遞

        功能分解與傳遞以一種自上而下的方法進(jìn)行,把飛機分解成一個個功能區(qū),每個區(qū)實現(xiàn)飛機基本功能分配給它的那部分功能,確定功能區(qū)之間的界面和接口,這些功能區(qū)和接口集中起來構(gòu)成該層次系統(tǒng)的完整描述。一個層次上的各個功能區(qū)可以再分解為更低層次功能區(qū),功能分解一直進(jìn)行到最低層次。功能分解產(chǎn)生的各級技術(shù)要求隨之傳遞給下一層次。

        空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足飛機對空氣環(huán)境的需求和功能要求。基于系統(tǒng)分析的理念,通過民用飛機設(shè)計需求分析,可將飛機級功能逐步分解,例如可分為基礎(chǔ)功能、功能和子功能等3 個層級。功能分解沒有統(tǒng)一的方法,但應(yīng)滿足如下原則(這些原則也同樣適用于系統(tǒng)級功能的進(jìn)一步分解):

        (1)確保功能完整性;

        (2)盡量減少功能層級;

        (3)盡量減少功能的重疊和交叉。

        通常,空調(diào)系統(tǒng)直接服務(wù)于“控制飛機座艙內(nèi)部環(huán)境”的飛機級功能,由此派生出實現(xiàn)座艙壓力調(diào)節(jié)、座艙溫度控制、座艙通風(fēng)和空氣品質(zhì)控制等4 項飛機級子功能。這些飛機級功能要求傳遞給空調(diào)系統(tǒng),使空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下主要的系統(tǒng)級功能:

        (1)座艙增壓及壓力控制:為座艙增壓區(qū)域提供充足的增壓空氣,保持合理的座艙壓力,在最大使用高度范圍內(nèi)可手動或自動調(diào)節(jié)座艙壓力及座艙壓力變化率;

        ③對于那些建成在年以下的建筑區(qū)域,其負(fù)荷在短時間內(nèi)不會發(fā)生太大的變化,也可以參照5年以上的建筑區(qū)域進(jìn)行電力負(fù)荷的預(yù)測。對工業(yè)負(fù)荷的預(yù)測需要注意的是,工業(yè)負(fù)荷的預(yù)測應(yīng)根據(jù)該城市截止到預(yù)測年份的工業(yè)規(guī)劃來進(jìn)行,要充分結(jié)合城市中的工業(yè)規(guī)劃分布。如果在未來幾年城市的工業(yè)沒有明顯的增加,那么,就可以采用工業(yè)用電用戶上報的裝容量數(shù)據(jù)對工業(yè)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。

        (2)提供新鮮空氣,控制污染物濃度:為乘員提供充足的、無污染的新鮮空氣;

        (3)座艙通風(fēng):為乘員提供舒適的溫度環(huán)境,為機載設(shè)備提供合適的工作溫度;

        (4)座艙空氣再循環(huán):利用循環(huán)空氣,最大限度減少發(fā)動機引氣代償損失;

        (5)座艙溫度控制:保證正常運行時的座艙環(huán)境空氣溫度的設(shè)定和實現(xiàn),在冷天或熱天環(huán)境下快速實現(xiàn)座艙升溫或冷卻;

        (6)應(yīng)急操作:具有在應(yīng)急狀態(tài)(例如座艙產(chǎn)生煙霧)下保護(hù)乘員安全的應(yīng)急工作方法;

        (7)提供系統(tǒng)工作信息:通過信號指示、控制面板及告警燈等,向機組人員提供系統(tǒng)的工作狀態(tài)和告警信息等。

        空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)計需求的類別

        安全性要求

        由于涉及飛行和旅客安全,因此空調(diào)系統(tǒng)的安全性需求是由飛機強制決定的,主要包括:維持座艙增壓、座艙溫度控制和座艙通風(fēng)。適航規(guī)章及相關(guān)文件對安全性要求進(jìn)行了明確規(guī)定,詳見運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25.831、25.832、25.841 和25.843 條 款 及 咨 詢 通 告AC25-20。但由于適航規(guī)章僅規(guī)定了航空產(chǎn)品的最低安全標(biāo)準(zhǔn),若要使民用飛機產(chǎn)品具有較強的綜合市場競爭力,滿足更高的安全性要求是途徑之一。例如,Boeing 公司針對200~250 座的客機市場推出了全新理念的“夢幻飛機”Boeing-787 將座艙壓力高度限制在6000ft 以下,從而可以營造比大多數(shù)客機更為舒適的座艙壓力環(huán)境,這也成為其主要賣點之一。

        客戶需求

        客戶通常要求系統(tǒng)采用高度成熟的產(chǎn)品,盡量提高經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性,降低使用成本。另外,客戶基于商業(yè)運營的特定需要,往往對飛機功能和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計會提出一些定制需求,例如貨艙運載活物、飛機滿足高原起降要求等。

        運行需求

        空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)滿足飛行機組在各種使用和操控要求,其控制面板和監(jiān)視器應(yīng)與系統(tǒng)的各項功能相適應(yīng),滿足系統(tǒng)功能關(guān)斷、調(diào)節(jié)、協(xié)同或獨立工作等要求。另外,空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有機上自檢、顯示和監(jiān)控功能,用以檢查系統(tǒng)運轉(zhuǎn)是否正常、表明其功能實現(xiàn)程度和系統(tǒng)狀態(tài)、判斷可能的故障原因。此外,系統(tǒng)設(shè)計時還應(yīng)考慮未來可能發(fā)生故障的情況,在設(shè)計允許的條件下增設(shè)防錯或故障隔離裝置,并為運行和維護(hù)人員提供方法判別其故障并進(jìn)行維修。

        性能需求

        根據(jù)上文所述飛機傳遞給空調(diào)系統(tǒng)的4 項子功能要求,空調(diào)系統(tǒng)的主要性能需求可按3 個層級劃分,如圖1 所示。

        物理安裝需求

        物理和安裝需求將空調(diào)系統(tǒng)物理屬性與飛機環(huán)境聯(lián)系起來,包括:尺寸、安裝規(guī)定、動力、冷卻、環(huán)境約束、可視程度、可達(dá)性、判斷、處理和儲存等多種要素。

        可維護(hù)性需求

        圖1 空調(diào)系統(tǒng)性能需求示意

        民用飛機空調(diào)系統(tǒng)及其設(shè)備必須具有良好的可維護(hù)性。系統(tǒng)設(shè)備盡量設(shè)計成航線可更換單元(LRU)形式,以便于維修更換,提高航班的簽派率。同時,空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的自檢和信息反饋措施,以方便維護(hù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)和排故。

        接口需求

        空調(diào)系統(tǒng)的正常工作需要與之相交聯(lián)系統(tǒng)的配合。系統(tǒng)之間應(yīng)有完整可靠的接口定義,以劃分出設(shè)計界面,同時有利于飛機級功能的分配。這些接口信息應(yīng)能被飛行機組監(jiān)控。

        附加審定需求

        適航規(guī)章和AC 除對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的強制要求之外,還規(guī)定了一些空調(diào)系統(tǒng)表明適航符合性的程序、方法和工具,主要文件包括AP-21-03《航空器型號合格審定程序》、AP-21-05《民用航空產(chǎn)品和零部件適航證件的頒發(fā)和管理程序》、AP-21-06《民用航空材料、零部件和機載設(shè)備的合格審定程序》、AC25-20《Pressurization,Ventilation and Oxygen Systems Assessment for Subsonic Flight including High Altitude Operation》、AC25-22《Certification of Transport Airplane Mechanical Systems》和AC25.1309-1A《系統(tǒng)設(shè)計和分析》等。

        衍生需求

        為了滿足空調(diào)系統(tǒng)需求,設(shè)計研發(fā)活動進(jìn)行的一些決策和產(chǎn)生的結(jié)果會成為下一階段設(shè)計研發(fā)工作的需求,即衍生需求。由于衍生需求來自于設(shè)計研發(fā)活動本身,因此空調(diào)系統(tǒng)衍生需求與特定型號的研制過程有關(guān),并無統(tǒng)一模式。

        結(jié)語

        本文對民用飛機空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和需求分析過程進(jìn)行了研究,初步梳理出空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計需求。

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