民用飛機客艙空氣環(huán)境設(shè)計參數(shù)體系初探

據(jù)統(tǒng)計，人的一生有70%～90%的時間在室內(nèi)度過。室內(nèi)環(huán)境條件并非自然形成，而是采用燈光照明、通風(fēng)空調(diào)等手段形成的人工環(huán)境。民用飛機客艙環(huán)境是一種典型的人工環(huán)境，一般可分為幾何環(huán)境（涉及客艙布置、座椅、內(nèi)飾等）、電磁環(huán)境、力學(xué)環(huán)境（涉及振動、噪聲等）和空氣環(huán)境等范疇。其中，客艙空氣環(huán)境是乘客最直接接觸的機上環(huán)境?？团摽諝猸h(huán)境設(shè)計的好壞直接影響乘客對飛機整體舒適度水平的判斷。

根據(jù)民用飛機市場定位、客戶需求、法規(guī)要求等的不同，客艙空氣環(huán)境的設(shè)計要求往往存在較大差異。這種差異既體現(xiàn)在環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的數(shù)量上，又體現(xiàn)在各參數(shù)指標(biāo)的數(shù)值上?？紤]更多的設(shè)計指標(biāo)及更嚴(yán)格的指標(biāo)限值，往往意味著民用飛機研制成本和重量的增加以及經(jīng)濟性的降低，因此主制造商有著減少設(shè)計指標(biāo)約束的原始沖動，但如果要在民機市場取得一席之地并取得商業(yè)成功，就必須注重型號客艙環(huán)境的設(shè)計亮點，以滿足人們對于空中旅行越來越高的舒適性要求。

客艙空氣環(huán)境設(shè)計參數(shù)體系的提出

民用飛機研制是一項龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程。型號的成功，很大程度上決定于型號的初始設(shè)計特征。在設(shè)計初始階段，如果能充分考慮飛機客艙環(huán)境的舒適性設(shè)計要求，飛機才可能具備完美的舒適性品質(zhì)。國內(nèi)傳統(tǒng)的飛機設(shè)計方法主要是對標(biāo)國際相似機型，主要機載系統(tǒng)各自提出并實現(xiàn)設(shè)計要求。但由于缺乏整體的設(shè)計理念和必要的系統(tǒng)間權(quán)衡研究，必然導(dǎo)致顧此失彼的不利局面。客艙空氣環(huán)境由溫度、濕度、空氣品質(zhì)和壓力等眾多參數(shù)共同營造，這就決定了需要在飛機設(shè)計初期做頂層設(shè)計時，總體、空調(diào)、壓調(diào)、內(nèi)飾等多個專業(yè)必須進行有效的協(xié)調(diào)，以充分權(quán)衡各種設(shè)計特征的制約關(guān)系。民用飛機空調(diào)系統(tǒng) （ATA21） 作為實現(xiàn)空氣環(huán)境的主要機載系統(tǒng)，其設(shè)計的成功與否，很大程度上依賴于客艙空氣環(huán)境設(shè)計要求是否全面。國內(nèi)長期以來的做法是對主要關(guān)心的空氣環(huán)境參數(shù)提出指標(biāo)要求，一方面無法覆蓋空氣環(huán)境的所有參數(shù)，另一方面也缺乏指標(biāo)正確性和準(zhǔn)確性的分析依據(jù)，從而影響最終的客艙空氣環(huán)境舒適性，因此迫切需要建立一套完整的民機客艙空氣環(huán)境設(shè)計參數(shù)體系。

構(gòu)建原則

構(gòu)建民用飛機客艙空氣環(huán)境設(shè)計參數(shù)體系，主要應(yīng)考慮遵循以下原則。

（1） 完整性原則。體系應(yīng)盡可能完整覆蓋影響舒適性的客艙空氣環(huán)境參數(shù)。

（2） 可量化原則。對客艙空氣環(huán)境參數(shù)的設(shè)計要求應(yīng)具體化、指標(biāo)化，以便進行設(shè)計驗證。

（3） 可溯性原則。所有參數(shù)的設(shè)計指標(biāo)要求均應(yīng)有明確的來源。

（4） 可實現(xiàn)性原則。當(dāng)前民用飛機研制實力應(yīng)能保證可實現(xiàn)這些參數(shù)指標(biāo)。

（5） 經(jīng)濟性原則。實現(xiàn)這些參數(shù)指標(biāo)不能突破合理的成本預(yù)期。

（6） 開放性原則。隨著新材料、新工藝水平的不斷提高，以及行業(yè)性要求的變更，參數(shù)體系中的各項指標(biāo)限值應(yīng)保持實時更新。

體系架構(gòu)

根據(jù)客艙空氣環(huán)境參數(shù)所屬范疇，本文將參數(shù)體系劃分為熱力學(xué)參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物學(xué)參數(shù)等三大分支。通常，熱力學(xué)參數(shù)包括溫度/溫度均勻性、壓力/壓力變化率、濕度、氣流速度、新鮮空氣量等；化學(xué)參數(shù)通?？杉毞譃闊o機化學(xué)參數(shù)和有機化學(xué)參數(shù)，前者包括CO、CO2、O3、NOx、微

細顆粒物（包括PM10、PM2.5）等，后者包括甲醛、苯等揮發(fā)性有機化合物 （VOCs）；生物學(xué)參數(shù)包括細菌、病毒等。

上述參數(shù)的限值要求均應(yīng)來自于現(xiàn)行有效的國際/國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范性文件，也可參考建筑室內(nèi)、公共交通工具等行業(yè)的相關(guān)規(guī)定，具體設(shè)計時可酌情使用。

（1）運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)及其支持文件，主要有：AP－25《Airworthiness standards： Transport category airplanes》、CCAR－25《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》、CS－25《Certification specifications for large aeroplanes》、FAR－25《Airworthiness standards： Transport category airplanes》、AC 25－22《Pressurization， ventilation and oxygen systems assessment for subsonic flight including high altitude operation》；

（2） 美國采暖、制冷與工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)及手冊，主要有：ASHRAE STD 55《Thermal environmental conditions for human occupancy》、ASHRAE STD 62.1《Ventilation for acceptable indoor air quality》、ASHRAE STD 161《Air quality withing commercial aircraft》、ASHRAE Handbook《HVAC Applications》；

（3） 國際自動機工程師學(xué)會文件，主要有：SAE ARP85《Air conditioning systems for subsonic airplanes》、SAE ARP1270《Aircraft cabin pressurization control criteria》、SAE AIR4766《Air quality for commercial aircraft cabins》；

（4） 國家標(biāo)準(zhǔn)，主要有：GB9673《公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、GB18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T17095《室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、GB50325《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》；

（5） 其他規(guī)范性文件，主要有：EPA－NAAQS標(biāo)準(zhǔn)《National ambient air quality standard for ozone》、OSHA標(biāo)準(zhǔn)《Occupational safety and health administration standard》、ACGIH文件《Threshold limit values for chemical substances and physical agents & biological exposure indices》等。

熱力學(xué)參數(shù)

（1） 溫度/溫度均勻性

表1列舉了標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中規(guī)定/推薦的飛機艙室溫度限值，也列出了具有共性的室內(nèi)環(huán)境溫度要求。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中對環(huán)境溫度限值要求

結(jié)合不同季節(jié)人體著裝對熱舒適的影響研究成果，建議夏季和冬季座艙溫度指標(biāo)要求可分別定為25～27℃和20～22℃。

對于座艙內(nèi)溫度均勻度，建議按ASHRAE STD 161中表5.2.1推薦值選取：座艙內(nèi)不同溫控區(qū)域的水平溫差不超過4℃；同一座椅位置距離地板100mm、600mm和1090mm處的溫度測量值差異不超過2.8℃；溫度控制精度小于±1.1℃。

（2） 壓力/壓力變化率

標(biāo)準(zhǔn)對壓力的控制要求如表2所示。

表2 各現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對壓力/壓力變化率的控制要求

建議對于巡航過程中座艙壓力不超過2438m。最大壓力變化速率上限為上升階段：152SLM/min；下降階段：91SLM/min。

（3） 濕度

標(biāo)準(zhǔn)對濕度的控制要求如表3所示。

表3 各現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對環(huán)境濕度的控制要求

在國外飛行器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，多數(shù)均無對相對濕度提出控制要求。對于客機座艙內(nèi)測試調(diào)查結(jié)果，飛行過程中艙外空氣含濕量極低，因此客艙內(nèi)的相對濕度維持在非常低的水平上。建議巡航狀態(tài)座艙內(nèi)相對濕度維持在5%～20%的水平。

（4） 氣流速度

標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)速的控制要求如表4所示。

表4 各現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對環(huán)境風(fēng)速的控制要求

對于客機座艙內(nèi)測試調(diào)查結(jié)果，乘客座艙內(nèi)風(fēng)速分布在0.06～0.27m/s范圍內(nèi)。為了避免乘客產(chǎn)生較強烈的吹風(fēng)不適感覺，也要避免空氣的滯止，建議乘客頭部風(fēng)速在0.1～0.2m/s之間。

（5） 新鮮空氣量

標(biāo)準(zhǔn)對新鮮空氣量/新風(fēng)量的控制要求如表5所示。

表5 各現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對新鮮空氣量/新風(fēng)量的控制要求

建議沿用AP/CCAR/CS/FAR－25中規(guī)定，新鮮空氣量至少為每人250g/min（正常運行）或182g/min（任何可能失效條件下）。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.027