顧仁碗+焦毅

摘 要：飛機空調系統(tǒng)可以為駕駛艙和客艙提供適宜的溫度和壓力，并為其補充新鮮的空氣，以保證機組和旅客的舒適度，而空調制冷系統(tǒng)在實現(xiàn)上述功能時發(fā)揮著舉足輕重的作用。ARJ21-700飛機作為我國民用飛機的探路者，其空調制冷技術具有一定的代表性。以ARJ21-700飛機空調制冷系統(tǒng)為例，詳細闡述了民用飛機的制冷技術，以期為相關工作的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：空氣循環(huán)裝置；制冷組件；空氣管理系統(tǒng)；綜合控制器

中圖分類號：V245.3+4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.023

1 概述

民用飛機空調系統(tǒng)主要為飛機座艙、駕駛艙提供適宜的溫度和壓力，流量穩(wěn)定的清潔空氣，以保證機組和旅客的舒適度。飛機空調系統(tǒng)的清潔空氣一般都來自飛機的APU或發(fā)動機壓氣機引氣，如何將這些高溫高壓的引氣轉化為可用的清潔空氣，飛機空調制冷系統(tǒng)發(fā)揮著巨大的作用。

2 民用飛機空調制冷系統(tǒng)的現(xiàn)狀

民用飛機空調制冷系統(tǒng)的設計，既要滿足艙內乘客對溫度的要求，又要提高電子設備工作的可靠性，其發(fā)展經歷了半個多世紀，按照制冷原理分為蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是利用液態(tài)制冷劑（比如氟利昂）的相變來吸收空氣中的熱量，使空氣在進入座艙或設備艙之前顯著地降低溫度，從而達到冷卻的目的。考慮到客艙通風、增壓和制冷的一體化功能，現(xiàn)役民用飛機大多采用從APU或發(fā)動機引氣的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，其主要部件就是常說的制冷組件（PACK）。根據制冷組件中渦輪負載輸出功率的不同分配形式，分為兩輪升壓式（渦輪-壓氣機）、三輪升壓式（渦輪-壓氣機-風扇）、四輪升壓式（渦輪-渦輪-壓氣機-風扇）；根據系統(tǒng)除水方式的不同，又可分為低壓除水和高壓除水2種方式。隨著科技的進步，高壓除水方案得到長足的發(fā)展，并被廣泛應用于現(xiàn)代民用飛機上。

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)從兩輪升壓式到三輪升壓式再到四輪升壓式，都是以追求高性能、低能耗為宗旨，從核心部件-渦輪冷卻器的改型出發(fā)，每一個階段都在不斷向前發(fā)展。由兩輪升壓式演變?yōu)槿喩龎菏?，其推動力是解決地面和小馬赫數(shù)飛行時系統(tǒng)的制冷能力；由三輪升壓式演變?yōu)樗妮喩龎菏?，其推動力是解決制冷組件中冷凝器的凍堵問題，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

3 典型民用飛機空調制冷系統(tǒng)

當今民用飛機空調制冷技術主流均使用三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，而作為我國第一款擁有自主知識產權的民用飛機ARJ21-700飛機，其空調系統(tǒng)也是采用該技術。下面，以ARJ21-700飛機的空調系統(tǒng)為例，詳細介紹當今民用飛機空調制冷技術。

3.1 ARJ21-700飛機空調制冷系統(tǒng)概述

ARJ21-700飛機空調制冷系統(tǒng)主要是由2套空氣管理系統(tǒng)綜合控制器（IASC）、2套制冷組件（PACK）、控制面板和空氣管路等組成。制冷組件將來自APU或發(fā)動機的高溫、高壓引氣轉變?yōu)闇囟?、壓力、濕度適宜的空氣，為飛機提供充足的制冷量，滿足整個飛機客艙、貨艙系統(tǒng)對溫度、壓力控制的要求?？照{系統(tǒng)是有余度的，在兩側制冷組件系統(tǒng)完全相同，單個制冷組件工作條件下，雖然其性能有所下降，但仍可以滿足系統(tǒng)的最低需求。

3.2 制冷組件（PACK）介紹

ARJ21-700飛機空調制冷系統(tǒng)的核心部件是制冷組件（PACK），其外形如圖1所示。

3.2.1 制冷組件的組成

ARJ21-700飛機制冷組件是由三輪升壓式高壓除水系統(tǒng)組成的高性能空氣制冷組件，是由三輪空氣循環(huán)裝置（ACM）、熱交器、溫度控制活門（TCV）、回熱器（REH）、冷凝器（CON）、高壓除水裝置（WE）、相關傳感器、連接管道和其他附件組成的一個整體。

3.2.2 制冷組件的工作原理

流量控制系統(tǒng)原理如圖2所示，從圖2中可以看出，經引氣系統(tǒng)預調溫度和壓力的發(fā)動機引氣，通過引氣過濾器（BFR）、臭氧轉換器（OZC）、流量文氏管（FSV）和流量控制活門（FCV）后分成冷、熱2路。

制冷組件工作原理如圖3所示。冷路空氣進入制冷組件（PACK），供氣首先到制冷組件初級熱交換器（PHX），在初級熱交換器中由沖壓空氣冷卻，然后進入空氣循環(huán)裝置的壓氣機，被壓縮到較高的壓力和溫度，再進入次級熱交換器（MHX），由沖壓空氣冷卻，散完熱的空氣經過回熱器（REH）和冷凝器（CON）后，通過高壓水分離器（WE）分離冷凝水后進入空氣循環(huán)裝置的冷卻渦輪。空氣通過渦輪時膨脹降溫，膨脹時發(fā)出的軸功率又驅動壓氣機和冷卻風扇葉輪轉動，空氣膨脹做功，熱能轉換成機械能，使渦輪出口排氣溫度降得很低。根據設計要求，此時渦輪出口溫度在5～80 ℃之間。熱路引氣經空調系統(tǒng)的配平活門（TAV）調節(jié)后與制冷組件出口空氣混合后供給駕駛艙和客艙。在調節(jié)ARJ21-700飛機駕駛艙溫度和客艙溫度的過程中，空調系統(tǒng)的2個TAV獨立工作，分別調節(jié)進入相應艙位的來自熱路的熱空氣與來自制冷組件的“冷”空氣的混合比例，管路溫度傳感器（DTS）用于感受此混合后的溫度值，為TAV的開啟速率提供參數(shù)，即TAV用于艙內溫度的最終或精確調節(jié)。其調節(jié)的加熱或制冷量是非常有限的，一旦2個配平空氣活門中的1個達到全開（加熱狀態(tài)）或全關（制冷狀態(tài)），此時通過TAV的加熱能力或制冷能力即達到了極限。要想繼續(xù)加熱或制冷，只能通過調節(jié)制冷組件的溫度控制活門（TCV），調節(jié)渦輪出口空氣與熱旁路的混合比例，以提高進入駕駛艙和客艙空氣的加熱能力或制冷能力。此時，2套制冷組件的TCV同步動作，且制冷組件的工作狀態(tài)完全相同。TCV調溫的實質是，除了調節(jié)冷熱路比例外，還同步調節(jié)冷風道進氣量，從而減少或增加進入渦輪的空氣流量，降低或提高渦輪轉速，使制冷能力減弱或增強。

制冷組件中用于PHX和MHX冷卻的沖壓空氣通過沖壓進氣口進入，經過2個串聯(lián)的熱交換器實現(xiàn)對高溫引氣的散熱降溫。圖3中的沖壓空氣轉換活門主要用來切換制冷組件冷媒的使用方式。在地面狀態(tài)下，沒有沖壓空氣可以利用，飛機只能采用渦輪風扇驅動的方法制冷，沖壓空氣轉換活門將處于關閉位置，沖壓空氣將在風扇的驅動下流過雙級熱交換器，實現(xiàn)系統(tǒng)的制冷功能；相反，在飛行狀態(tài)下，活門將處于打開位置，利用沖壓空氣進行冷卻。

離開次級熱交換器的供氣分別通過回熱器和冷凝器熱腔，此時與冷凝器冷腔中的渦輪排氣進行熱交換，使冷凝器熱邊出口排氣冷卻到飽和溫度以下，從而使大量冷凝水滴通過高壓水分離器分離掉，然后進入回熱器。此時，回熱器減小了次級熱交換器與渦輪進口之間的溫差。由此可以看出，制冷組件中的REH、CON、WE三者共同的作用就是盡量可能多地除去空氣中的水分，進而滿足客艙、駕駛艙對濕度的要求。

4 民用飛機制冷技術的發(fā)展趨勢

應用民用飛機空調系統(tǒng)空氣循環(huán)制冷技術，具有體積小、質量輕、易維護等特點。另外，將清潔無害且用之不竭的空氣作為制冷工質，能夠緩解氟利昂工質對環(huán)境的污染，比如電驅動式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)就是由傳統(tǒng)的發(fā)動機引氣演變?yōu)殡妱邮綁簹鈾C壓縮外界空氣作為制冷工質。波音787飛機采用電驅動四輪升壓式高壓除水制冷組件，其原理如圖4所示。與ARJ21-700飛機制冷組件相比，電驅動四輪升壓式高壓除水制冷組件又多了以下2個優(yōu)點：①使用由2臺獨立電驅動的空氣壓縮機壓縮從外界來的空氣作為高壓氣源，從而取消發(fā)動機引氣，系統(tǒng)的工作能力不再受發(fā)動機工作狀態(tài)的影響，同時，也不再直接影響發(fā)動機的熱力循環(huán)。因此，取消發(fā)動機引氣的制冷系統(tǒng)，可以節(jié)省大量民用飛機的能耗，從而節(jié)省發(fā)動機燃油消耗。②四輪升壓式制冷組件采用兩級渦輪降溫，在實際工作過程中，第一級渦輪可以將溫度控制在零度以上，這樣能夠有效防止冷凝器結冰，第二級渦輪將再次對一級渦輪出口氣體進行膨脹做功，進一步降低了進入座艙的供氣溫度，增強了系統(tǒng)制冷能力。在該組件的空氣循環(huán)機結構設計中，將4個轉子（渦輪、渦輪、壓氣機、風扇）與2個軸段連接在一起，用精密的調節(jié)裝置使所有的轉子和軸部件徑向校準。這種結構形式改善了空氣循環(huán)機的起動性能，增強了系統(tǒng)的適應能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結束語

從國外民用飛機空調制冷系統(tǒng)發(fā)展的過程中可以看出，隨著飛機性能和人們對其舒適度需求的提高，空調制冷系統(tǒng)的性能也在不斷改善。在實際工作中，提高空氣循環(huán)機的工作效率，可以有效降低制冷系統(tǒng)的運行成本。在民用飛機朝著“多電或全電大型飛機”方向發(fā)展的過程中，電驅動形式的制冷系統(tǒng)將具有更大的靈活性和更強的適應能力。隨著科技的發(fā)展，我國國產大飛機項目——C919飛機在2017年首飛，相信將會有更多、更先進的技術被應用于我國民用大飛機上。

參考文獻

[1]周潔敏.民用航空特色專業(yè)系列教材：飛機電氣系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2010.

[2]邁克·圖利.飛機電氣和電子系統(tǒng)：原理、維護和使用[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

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作者簡介：顧仁碗（1983—），男，工程師，主要研究方向為外場機務維修與研究。焦毅（1986—），男，高級工程師，主要研究方向為適航、安全性與標準化研究。

〔編輯：白潔〕