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        民用飛機泄壓載荷影響因素研究

        2016-06-29 15:58:51劉華源屠毅
        科技視界 2016年16期

        劉華源 屠毅

        【摘 要】為了比較不同因素對民用飛機泄壓載荷的影響,本文利用Simulink仿真軟件建立了民用飛機全機增壓艙的一維動態(tài)仿真模型;對發(fā)生突然泄壓情況下各個增壓艙的瞬態(tài)壓力分布進行了仿真;重點研究了艙室體積和艙室間流通面積等參數(shù)對泄壓載荷的影響。該仿真結(jié)果為后續(xù)飛機泄壓載荷優(yōu)化方案提供了參考,具有重要的現(xiàn)實意義。

        【關(guān)鍵詞】飛機增壓艙;壓力調(diào)節(jié);泄壓載荷

        【Abstract】A decompression model applied with formula method is developed for solving decompression problem in pressurized cabin of civil aircraft in cruise. We use Simulink built the one-dimensional model. Our results are compared by different conditions such as cabin volume and circulation area. The simulation model provide a reference for optimal design of aircraft structure.

        【Key words】Aircraft pressurized cabin; Pressure regulation; Decompression

        0 引言

        1)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)介紹及其重要性

        為了在飛行時保證機組人員和乘客生存以及各種設(shè)備可靠的工作,環(huán)境控制系統(tǒng)已成為先進飛行器必不可少的組成部分。對民用飛機來說,隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,座艙內(nèi)適宜的溫度環(huán)境、合理的座艙壓力、人耳無感覺的壓力變化率、清新的空氣和適宜的風(fēng)速,都已成為吸引乘客的重要條件[1]。

        民用飛機飛行中的增壓艙環(huán)境壓力與地面有較大差異。研究表明,當(dāng)座艙內(nèi)部壓力過低時,會對人體健康造成損害,嚴(yán)重時甚至引發(fā)乘員傷亡。民用飛機座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于調(diào)整座艙內(nèi)部壓力,使其始終保持在人體舒適的范圍內(nèi)[2]。

        飛機增壓艙在使用中,一旦出現(xiàn)意外破口,艙內(nèi)氣體突然外泄,由于各艙間氣體流泄而造成各艙間壓力的不均衡,會在隔艙壁上產(chǎn)生一個附加的泄壓載荷,泄壓載荷表示的是兩個艙室之間壓力的差值。這個載荷可能造成結(jié)構(gòu)局部失效,進而可能危及機體的承載能力,也可能因機體變形而造成飛機操縱或操作失靈,最終導(dǎo)致飛機產(chǎn)生災(zāi)難性事故[3]。

        在這些情況下,設(shè)計出擁有連續(xù)安全持續(xù)飛行和降落能力的飛機就很有必要。因此在設(shè)計時需要有強度足夠的結(jié)構(gòu)以承受逐漸增加的壓差載荷或引入適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施限制或防止壓差載荷的增大。針對近年來頻發(fā)的飛機座艙環(huán)控系統(tǒng)飛行事故/事件,分析了國內(nèi)外發(fā)生的飛機座艙環(huán)境相關(guān)的飛行事故/事件[4]。

        2)本文研究的內(nèi)容

        本文研究的飛機由多個艙室組成。一方面,各個艙室的體積、艙室間的流通關(guān)系不同,構(gòu)成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的增壓艙區(qū)域,當(dāng)出現(xiàn)機體破損時,各個艙室之間會相互影響;另一方面,艙室間的流通通道形狀不規(guī)則,不同的流通通道所對應(yīng)的流量系數(shù)不同。

        在飛機設(shè)計的過程中需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,這就會涉及到對艙室體積和流通關(guān)系的更改,這些更改需要考慮泄壓載荷對結(jié)構(gòu)的影響。有時還需要通過泄壓載荷仿真給與結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計參考。

        本文通過對飛機增壓艙進行適當(dāng)簡化,利用Simulink對飛機增壓艙泄壓進行實時仿真,得到各個艙室之間的壓力分布和目標(biāo)艙室的泄壓載荷,為后續(xù)的優(yōu)化方案提供支持。

        1 泄壓載荷計算方法及模型

        1.1 飛機艙室結(jié)構(gòu)劃分

        飛機的艙室分為增壓艙與非增壓艙。在高空飛行時,增壓艙內(nèi)的壓力要大于外界環(huán)境的壓力,飛機外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計要能夠承受正常飛行時艙內(nèi)與外界的壓差。當(dāng)飛機結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損時,內(nèi)外壓力會趨于平衡,在這個過程中不同的增壓艙之間會有泄壓載荷,飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要能夠滿足此情況下的強度要求。

        本文中將增壓艙分為駕駛艙、座艙、座艙內(nèi)飾、行李箱、衣帽間、登機門內(nèi)飾、貨艙、電子設(shè)備艙、三角區(qū)和盥洗室等。

        1.2 計算模擬方法

        在飛機增壓艙的泄壓載荷計算中,由于泄壓載荷達到極值的時間非常短,通常在1s之內(nèi)就會達到極值,通常對于這種問題需要進行動態(tài)仿真,本文使用Simulink軟件對泄壓載荷問題進行瞬態(tài)計算。將不同艙室設(shè)置為獨立的模塊,不同模塊之間進行實時數(shù)據(jù)交換,計算結(jié)果實時顯示。

        1.3 描寫艙間流動的方程

        1.4 初始條件

        計算飛行高度為18000ft情況下的泄壓載荷。

        2 泄壓載荷計算結(jié)果及不同因素對其影響的對比

        不同的位置的結(jié)構(gòu)破損產(chǎn)生的泄壓載荷不同,本文針對駕駛艙破損進行仿真。將駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷作為檢測值。

        2.1 艙室體積

        在泄壓載荷的計算中,不同的艙室體積所包含的空氣質(zhì)量不同,艙室體積的大小會對泄壓速度的快慢產(chǎn)生影響。本文中研究座艙體積對泄壓載荷的影響,選擇座艙是因為有些試飛科目會將座艙中的座椅拆除,在實際運營中,乘客的上座率是不一定的,其所對應(yīng)的座艙體積也會不同。

        取座艙體積分別為152.11m3、161.78m3和173.25m3的情況進行分析,得到的結(jié)果如圖1。

        圖1中泄壓載荷的值是駕駛艙的實時壓力與電子設(shè)備艙的實時壓力的差值,負值表示駕駛艙的壓力要小與電子設(shè)備艙的壓力(圖2中相同)。由圖1可以看出,不同的座艙體積對駕駛艙與電子設(shè)備艙之間泄壓載荷的影響很小,這是由于座艙體積足夠大,體積的變化量與原體積相比相差較??;對貨艙卸壓板打開的時間有影響,座艙體積越小,卸壓板打開的越快。

        2.2 艙室間流通面積

        在增壓艙之間會有空氣流通,不同的流通面積對快速泄壓時的流通速度會有影響,本文研究在駕駛艙出現(xiàn)破損時駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷,假設(shè)流通面積分別為0.2m2、0.35m2和0.5m2,得到的結(jié)果如圖2。

        圖2為駕駛艙破損時不同艙間流通面積對應(yīng)的泄壓載荷情況。從結(jié)算結(jié)果可以看出,流通面積越小,艙室間的泄壓載荷越大,這是因為艙室間的流通面積越小,單位時間內(nèi)通過流通通道的空氣就越少,隔艙壓力變化率與進氣量有關(guān),而進氣量有與流通面積成正比,在極小的時間內(nèi)(如圖2中的0.1s以內(nèi))電子設(shè)備艙內(nèi)的大部分空氣無法由流通通道進入駕駛艙,造成了電子設(shè)備艙中空氣的堆積,而駕駛艙由于破損包含的空氣在急劇減少,這樣就會導(dǎo)致兩邊的壓差越來越大,最終達到圖2中所示的極值。

        3 結(jié)論

        對于艙室劃分復(fù)雜的飛機增壓艙泄壓載荷計算問題,本文通過對艙室劃分的適當(dāng)簡化采用Simulink進行了仿真。研究表明:座艙體積的變化對駕駛艙與電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷影響較小,兩艙室之間的流通面積對駕駛艙和電子設(shè)備艙之間的泄壓載荷影響很大,在設(shè)計中可以調(diào)節(jié)兩艙室之間的流通面積來達到減小艙間泄壓載荷的目的。

        本文的數(shù)值仿真結(jié)果可以作為飛機泄壓載荷問題優(yōu)化設(shè)計的仿真依據(jù),為解決實際中遇到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題提供參考。

        【參考文獻】

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

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

        [3]郁成德.增壓艙突然泄壓載荷計算[J].民用飛機設(shè)計與研究,1997,2:008.

        [4]白杰,陳希遠,楊建忠,等.飛機座艙失壓模擬仿真研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報, 2014,32(6):1-6.

        [責(zé)任編輯:楊玉潔]

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