李 旭， 吳勇川， 胡方亮， 雷金果， 張永亮

(1. 空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系， 江蘇 徐州 221000； 2. 95829部隊(duì)， 湖北 孝感 432111； 3. 95825部隊(duì)， 湖北 孝感 432111 )

隨著我國綜合國力的日益強(qiáng)大，部隊(duì)裝備的科學(xué)化、現(xiàn)代化和精煉化已成為提高軍力及增強(qiáng)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的必然課題[1]。因此，飛機(jī)的戰(zhàn)勤維護(hù)保障及飛機(jī)大修任務(wù)也成為航空兵部隊(duì)、空軍場站及飛機(jī)修理單位面臨的迫切任務(wù)。然而，部隊(duì)現(xiàn)役的航空地面保障裝備集成化程度普遍較低，一般只有某一項(xiàng)保障功能，這使得部隊(duì)飛行保障時(shí)間較長，保障效率較低。因此，加強(qiáng)裝備的集成化建設(shè)，研制出能夠提供多種功能的航空地面保障裝備，對提高部隊(duì)保障效率、節(jié)省保障時(shí)間具有重要意義。

在進(jìn)行飛行保障時(shí)，尤其在對飛機(jī)進(jìn)行地面維護(hù)和起飛前檢查時(shí)，通常需要為飛行員座艙和氣冷電子設(shè)備艙提供空調(diào)保障[2]，或者為飛機(jī)液冷系統(tǒng)和液冷電子設(shè)備艙提供液冷保障[3]。特別是，隨著四代戰(zhàn)機(jī)的研制和裝備部隊(duì)，往往需要提供空調(diào)與液冷的綜合保障。此時(shí)，若用現(xiàn)有飛機(jī)地面保障裝備，需要飛機(jī)地面空調(diào)車和飛機(jī)液冷車2臺大型保障車輛同時(shí)圍機(jī)工作，不僅增加了工作強(qiáng)度、降低了工作效率，還會帶來安全隱患，造成安全事故?；诖耍P者研制了一款集飛機(jī)地面空調(diào)保障和液冷保障為一體的航空地面空調(diào)液冷綜合保障車(簡稱“空調(diào)液冷車”)，以期能夠減少飛機(jī)地面保障裝備的種類，提高裝備的效費(fèi)比，并減少保障人員的工作強(qiáng)度和飛行保障過程中的安全隱患。

1 主要功能和技術(shù)指標(biāo)

1.1 主要功能

該空調(diào)液冷車是一款集飛機(jī)座艙，氣冷電子設(shè)備艙空調(diào)保障，液冷系統(tǒng)循環(huán)清洗、加/排液，以及液冷電子設(shè)備艙液冷保障等為一體的航空地面綜合保障車。飛機(jī)在地面維護(hù)、發(fā)動機(jī)或輔助動力不工作時(shí)，該款車可為飛機(jī)提供氣冷通風(fēng)和液冷冷卻，并可向飛機(jī)液冷系統(tǒng)加注液體介質(zhì)。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

1)同時(shí)滿足氣冷、液冷冷卻要求；

2)使用環(huán)境條件為-40～50 ℃；

3)方艙外形尺寸不大于6 350 mm×2 400 mm×1 800 mm；

4)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)見表1；

5)液冷系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

表2 液冷系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 基本組成

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的要求,并參考文獻(xiàn)[3-5]，將空調(diào)液冷車設(shè)計(jì)為自行式移動裝備，其由動力電源系統(tǒng)、介質(zhì)輸送系統(tǒng)、制冷換熱系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、車載底盤和車廂體等6部分組成，如圖1所示。

圖1 空調(diào)液冷車基本組成

2.1 動力電源系統(tǒng)

動力電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為制冷換熱系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)等提供動力源。動力源主要由車載自備柴油發(fā)電機(jī)組提供，也可由外接電源提供。

1)內(nèi)接電源

內(nèi)接電源設(shè)計(jì)為柴油發(fā)電機(jī)組，其由柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和操作控制箱組成，其中操作控制箱包括電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和柴油機(jī)發(fā)電機(jī)電器箱2部分。柴油發(fā)電機(jī)組安裝在車廂體的右前側(cè)，為空調(diào)液冷系統(tǒng)提供合格的電源，并滿足空調(diào)液冷系統(tǒng)各種工況所需的功率。

2)外接電源

外接電源設(shè)計(jì)由電力連接器以及相序保護(hù)和轉(zhuǎn)換箱組成，可方便連接外接三相電源，并具有相序保護(hù)和自動轉(zhuǎn)換功能。

2.2 介質(zhì)輸送系統(tǒng)

介質(zhì)輸送系統(tǒng)是負(fù)責(zé)為飛機(jī)輸送氣體和(或)液體進(jìn)行循環(huán)的管路系統(tǒng)，分為氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)和液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)2部分。

1)氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)

氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供通風(fēng)空氣的風(fēng)量和風(fēng)壓，滿足飛機(jī)對通風(fēng)量和壓力的要求，分為氣源和供風(fēng)2部分。氣源部分以環(huán)境空氣為空調(diào)氣源，從外界吸入環(huán)境空氣進(jìn)入空調(diào)液冷車空氣管道，由空調(diào)液冷車的制冷換熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；供風(fēng)部分將溫度調(diào)節(jié)后的空氣由排風(fēng)管排出，并最終供給飛機(jī)。在此過程中，空氣流經(jīng)的所有設(shè)備都會對空氣的流動產(chǎn)生阻力。因此，氣源系統(tǒng)提供的氣流必須具有足夠的流動能量?？照{(diào)液冷車氣源系統(tǒng)采用三葉羅茨式鼓風(fēng)機(jī)組，其主要由羅茨式鼓風(fēng)機(jī)、變頻電動機(jī)、進(jìn)氣消音器、排氣消音器、空氣過濾器、安全閥、單向閥和彈性接頭等組成。

2)液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)

液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)由多級變頻液體泵、膨脹水箱、貯液罐、液體輸送管卷盤、液體過濾器各種閥門和管路等組成[6]。液體泵選用多級變頻不銹鋼泵，安裝在車廂體的中部左側(cè)，其過濾器拆卸方便，濾芯可清洗，便于重復(fù)使用，過濾精度為40 μm。膨脹水箱及貯液罐安裝在車廂體的中后部，液體直接與不銹鋼接觸。液體輸送管卷盤分為送液軟管卷盤和回液軟管卷盤，安裝在車廂體尾部兩側(cè)，為多排多層卷繞結(jié)構(gòu)，卷盤架上有防止螺栓自轉(zhuǎn)的固定卷盤，軟管收放時(shí)應(yīng)將固定螺栓處于松開位置，工作完成后應(yīng)將螺栓處于緊固卷盤狀態(tài)，可防止軟管回繞和電動收放輸液軟管，有效減少勞動強(qiáng)度。

2.3 制冷換熱系統(tǒng)

制冷換熱系統(tǒng)由制冷機(jī)組(由氣液耦合式蒸發(fā)器、制冷壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等構(gòu)成)、空氣電加熱器、干燥過濾器和管道式液體電加熱器等組成，用于空調(diào)氣源和(或)液體介質(zhì)制冷降溫或加熱升溫，滿足飛機(jī)保障所需的空調(diào)和(或)液冷的溫度要求。

3 各系統(tǒng)工作原理

3.1 制冷換熱系統(tǒng)

制冷換熱系統(tǒng)由空調(diào)系統(tǒng)和液冷調(diào)節(jié)系統(tǒng)2部分組成，其工作原理如圖2所示。

1—壓力傳感器；2—溫度傳感器；3—流量傳感器；4—膨脹閥；5—制冷壓縮機(jī)；6—單向閥；7—電動蝶閥。圖2 制冷換熱系統(tǒng)工作原理

3.1.1 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)液冷車空調(diào)系統(tǒng)的工作過程分為制冷循環(huán)和制熱循環(huán)2種。

1)制冷循環(huán)

空調(diào)液冷車空調(diào)系統(tǒng)由3套結(jié)構(gòu)相同、并行且可單獨(dú)工作的制冷循環(huán)系統(tǒng)組成。單級制冷循環(huán)系統(tǒng)工作流程如圖3所示，該系統(tǒng)采用R134a作為制冷劑。在制冷循環(huán)過程中，制冷劑由接近飽和狀態(tài)(狀態(tài)點(diǎn)“1”)進(jìn)入壓縮機(jī)絕熱壓縮(狀態(tài)點(diǎn)“2”)；然后，在冷凝器中經(jīng)空氣冷卻放熱冷凝成液體(狀態(tài)點(diǎn)“3”)，進(jìn)而通過節(jié)流閥節(jié)流膨脹降溫(狀態(tài)點(diǎn)“4”)；最后，低溫的制冷劑在氣液耦合式蒸發(fā)器內(nèi)吸收外界空氣的熱量，使空氣溫度降低，而其本身由于吸收外界熱量而溫度升高，變成飽和蒸氣流回壓縮機(jī)[7]，參與第2次制冷循環(huán)，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 單級制冷循環(huán)系統(tǒng)工作流程

在制冷循環(huán)過程中，空調(diào)氣源(空氣)由鼓風(fēng)機(jī)吸入空調(diào)液冷車的空調(diào)管道，經(jīng)空氣過濾器清除空氣中的機(jī)械雜質(zhì)、灰塵等后進(jìn)入制冷機(jī)組吸收熱量，使空氣溫度降低，這時(shí)空氣中的水分凝結(jié)到集水盤，經(jīng)管道排出；空氣通過鼓風(fēng)機(jī)提壓后進(jìn)入空氣電加熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，直到達(dá)到狀態(tài)設(shè)定的通風(fēng)溫度和濕度：最后，在空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)口經(jīng)通風(fēng)軟管向飛機(jī)輸入合格的通風(fēng)氣體。此外，通風(fēng)管道可進(jìn)行密封性處理，以防止未經(jīng)過濾的空氣從通風(fēng)管道的泄漏處進(jìn)入管道內(nèi)而影響空氣的純凈度。鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置在靠近飛機(jī)處以保證空調(diào)液冷車的供氣壓力，防止因壓力不足而導(dǎo)致空氣無法進(jìn)入飛行員座艙或飛機(jī)電子設(shè)備艙中。

2)制熱循環(huán)

由于R134a不能用作熱泵型空調(diào)的制冷劑[8]，因此空調(diào)液冷車采用電加熱爐制熱。其工作過程為：空氣在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)空氣過濾器除塵和制冷機(jī)組、濾水器除濕后，進(jìn)入空氣電加熱器，在電加熱爐的調(diào)節(jié)下達(dá)到設(shè)定溫度，最后經(jīng)通風(fēng)口由通風(fēng)軟管輸入到飛機(jī)。

3.1.2 液冷調(diào)節(jié)系統(tǒng)

空調(diào)液冷車液冷系統(tǒng)的工作過程分為制冷循環(huán)、制熱循環(huán)、加注液體和自循環(huán)清洗4部分。

1)制冷循環(huán)

首先，空調(diào)液冷車經(jīng)通液軟管與飛機(jī)液冷介質(zhì)進(jìn)出口相連接，使飛機(jī)內(nèi)部液冷系統(tǒng)與空調(diào)液冷車內(nèi)部的液冷系統(tǒng)形成一個(gè)閉合回路，液冷介質(zhì)通過液體泵在飛機(jī)與空調(diào)液冷車中循環(huán)運(yùn)行；然后，空調(diào)液冷車制冷機(jī)組通過氣液耦合式蒸發(fā)器對介質(zhì)進(jìn)行冷卻，介質(zhì)經(jīng)液體泵推動而循環(huán)流動；最后，達(dá)到循環(huán)介質(zhì)持續(xù)降溫的目的。

3組氣液耦合式蒸發(fā)器處于并聯(lián)狀態(tài)，可根據(jù)空調(diào)液冷車介質(zhì)實(shí)際出口溫度與設(shè)定值的比較，啟閉1～2臺制冷壓縮機(jī)，以控制液冷系統(tǒng)的制冷量，對介質(zhì)溫度進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，并通過液體電加熱器進(jìn)一步調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度，直到達(dá)到狀態(tài)設(shè)定的通液溫度要求。經(jīng)過上述工作過程，在液冷系統(tǒng)的通液口就可用通液軟管向飛機(jī)輸入合格的液冷介質(zhì)。

2)制熱循環(huán)

當(dāng)空氣過濾器除去介質(zhì)內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì)后，循環(huán)介質(zhì)在液體泵的作用下，經(jīng)閥門7進(jìn)入液體電加熱器中，在液體電加熱器的調(diào)節(jié)下達(dá)到設(shè)定溫度后，再經(jīng)通液口由通液軟管輸入到飛機(jī)的液冷系統(tǒng)中。

3)加注液體

通過循環(huán)液體泵將儲液罐中高純度的液體介質(zhì)加注到飛機(jī)的儲液箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)為飛機(jī)液冷系統(tǒng)加注液體介質(zhì)的目的。

4)自循環(huán)清洗

將空調(diào)液冷車的供回液接頭和自循環(huán)接頭連接，以使循環(huán)液體泵驅(qū)動(包括儲液罐內(nèi))的液體介質(zhì)循環(huán)流動，然后通過液體過濾器清除液體介質(zhì)內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì)，以保證液體介質(zhì)塵埃度符合要求。

3.1.3 氣液耦合式蒸發(fā)器

氣液耦合式蒸發(fā)器是制冷換熱系統(tǒng)中最重要的部件之一，它主要為空氣和液體介質(zhì)提供制冷降溫，其基本結(jié)構(gòu)[9-10]如圖4所示。其中：外部為翅片式換熱通道，空氣由此進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換；內(nèi)部為單套管(如圖5所示)，套管內(nèi)、外側(cè)分別為液體介質(zhì)通道和制冷劑通道。3條通道氣密性良好，通道內(nèi)的物質(zhì)相互隔離，可防止空氣或液體介質(zhì)中因混入其他物質(zhì)而降低純凈度。該蒸發(fā)器工作過程為：制冷換熱系統(tǒng)工作時(shí)，制冷劑通道中的低溫制

1—空調(diào)氣源通道;2—液體介質(zhì)通道; 3—制冷劑通道;4—外套管;5—內(nèi)套管;6—翅片換熱通道。圖4 氣液耦合式蒸發(fā)器基本結(jié)構(gòu)

R1—液體介質(zhì)通道半徑；R2—制冷劑通道半徑；R3—套管外管半徑。圖5 單套管截面

冷劑與空調(diào)氣源通道中的高溫空氣以及液體介質(zhì)通道中的高溫液體介質(zhì)進(jìn)行熱交換，低溫制冷劑吸收空氣和液體介質(zhì)的熱量，從而使其熱量減少，溫度降低。

3.2 操作控制系統(tǒng)

操作控制系統(tǒng)是空調(diào)液冷車的操作和控制部分。該系統(tǒng)可對供風(fēng)和供液的壓力、溫度和流量等信號進(jìn)行采集、顯示和監(jiān)測，同時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過顯示儀表可觀測到空調(diào)系統(tǒng)的供風(fēng)流量、溫度和壓力，液冷系統(tǒng)的供液壓力、流量和溫度，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、水溫和機(jī)油壓力等參數(shù)，還可對空調(diào)液冷車的工作信息、工作故障和工作時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行存儲和查詢。該系統(tǒng)包括人工操作系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)2部分，其中：人工操作系統(tǒng)由操作面板和顯示器組成，主要負(fù)責(zé)設(shè)備操作和參數(shù)顯示，它們均設(shè)置在操作面板上，便于使用者觀察和操作；電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器、信號采集元件和執(zhí)行器等組成，主要負(fù)責(zé)空調(diào)液冷車各種參數(shù)的采集、車內(nèi)各類設(shè)備的自動控制和來自操作面板控制信號的處理。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)地面空調(diào)和液冷集成的航空地面綜合保障車，整車采取內(nèi)接柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)

合外接電源的方式作為整車的動力，具備野外無市電情況下的伴隨保障能力；空調(diào)氣源和液體介質(zhì)輸送管路分離，防止冷卻介質(zhì)相互混合，避免介質(zhì)純凈度的降低；制冷換熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線測量，實(shí)時(shí)監(jiān)控其壓力、溫度、流量和塵埃度等參數(shù)；使用可偏程控制器集中控制及監(jiān)控方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和簡便的操作方法。航空地面空調(diào)液冷綜合保障車機(jī)動性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全天候無障礙保障，能夠滿足航空兵部隊(duì)和空軍場站對飛機(jī)空調(diào)、液冷綜合保障的需要，適應(yīng)現(xiàn)代化的軍事活動和飛機(jī)地面保障需求，具有廣泛的軍事應(yīng)用前景。

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