張馨弘

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0. 引言

隨著現(xiàn)代直升機(jī)性能的不斷提高，利用直升機(jī)上的機(jī)載傳統(tǒng)制冷方式進(jìn)行空氣循環(huán)，已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)日益增加的機(jī)載電子設(shè)備和環(huán)境控制的負(fù)荷，使用傳統(tǒng)的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)難以承受其帶來(lái)的大量引氣量的增加。而蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)不僅能改善上述情況，還能夠解決制冷機(jī)易泄露、可靠性差等問(wèn)題?，F(xiàn)如今，蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)憑借其高效的制冷能力迅速航空器制冷領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于直升機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)等機(jī)型[1]。

由于直升機(jī)的艙室由非氣密且透明的物體組成，在外界環(huán)境溫度較高時(shí)飛行具有較大的不穩(wěn)定性，而制冷系統(tǒng)則是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，其主要解決的問(wèn)題有幾點(diǎn)：（1）保證機(jī)載電子設(shè)備的冷卻進(jìn)而維持其正常運(yùn)行，提高可靠性和穩(wěn)定性。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電子信息技術(shù)取得了極大進(jìn)步，機(jī)載電子設(shè)備也逐步走向小型化、輕量化和集成化導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備單位能量密度過(guò)高、熱負(fù)荷急劇增大，需要更加高效的制冷方式來(lái)冷卻機(jī)載電子設(shè)備，而蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)則是解決這一問(wèn)題非常有效且關(guān)鍵的技術(shù)。（2）直升機(jī)艙室需要一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境溫度來(lái)保證飛行員的安全和舒適。由于高溫因素會(huì)增加事故發(fā)生的概率，所以制冷系統(tǒng)控制艙溫具有非常重要的意義，是保證飛行員高效工作和避免錯(cuò)誤不可缺少的必要環(huán)節(jié)[2]。

1. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上最初的直升機(jī)設(shè)備艙以及飛行員駕駛艙都會(huì)將加熱、通風(fēng)和除塵等功能考慮進(jìn)去，但沒(méi)有考慮其冷卻要求[3]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著直升機(jī)各項(xiàng)性能的快速提升，其應(yīng)用環(huán)境也越來(lái)越廣泛。比如直升機(jī)經(jīng)常需要在濕熱的條件下飛行，而功耗較高的機(jī)電設(shè)備的普遍應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生高熱量，導(dǎo)致艙內(nèi)溫度升高。此時(shí)，一個(gè)良好的制冷系統(tǒng)可以為設(shè)備艙以及飛行員駕駛艙提供低溫環(huán)境[4-5]。在20世紀(jì)60年代，直升機(jī)主要使用2種制冷方式：蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)[6]。20世紀(jì)中后期我國(guó)的相關(guān)技術(shù)水平較為落后，沒(méi)有形成一個(gè)成熟的蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，直升機(jī)（通常用于固定翼飛機(jī)）更多使用空氣循環(huán)系統(tǒng)來(lái)滿足機(jī)載設(shè)備冷卻需要[7]。20世紀(jì)70年代中期，直升機(jī)上陸續(xù)裝載單獨(dú)的電子設(shè)備艙以提升電子戰(zhàn)能力。為了滿足機(jī)場(chǎng)的低溫環(huán)境需求，美國(guó)率先開(kāi)展蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)的研究[8]，其研發(fā)的低溫制冷系統(tǒng)的制冷能力約為3kW～5kW，盡管大多數(shù)電子設(shè)備艙對(duì)低溫環(huán)境要求很高，且具有高性能系數(shù)、快速冷卻性能、較小的空氣阻力以及壓降較低等優(yōu)點(diǎn)，但與此同時(shí)也存在不少缺點(diǎn)。比如難以維護(hù)、體積質(zhì)量方面沒(méi)有做到輕量化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，給這種制冷技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)70年代末，由于我國(guó)相關(guān)技術(shù)能力的提升，開(kāi)展了空氣循環(huán)系統(tǒng)以及蒸發(fā)循環(huán)混合封閉循環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)。在20世紀(jì)80年代初期，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)開(kāi)始采用高速電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源投入研發(fā)。與空氣/蒸發(fā)循環(huán)混合循環(huán)系統(tǒng)以及空氣循環(huán)系統(tǒng)相比，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)具有方便控制、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[9]，但是受限于當(dāng)時(shí)高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工藝技術(shù)，而沒(méi)能將此項(xiàng)技術(shù)推廣下去。直到20世紀(jì)80年代末，蒸發(fā)制冷循環(huán)技術(shù)的技術(shù)取得重大突破，便開(kāi)始開(kāi)發(fā)綜合環(huán)境控制系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，直升機(jī)整個(gè)低溫制冷系統(tǒng)主要以閉式循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)為主[10-11]，隨后，這一子系統(tǒng)逐漸被俄羅斯、歐盟及美國(guó)的直升機(jī)采用[12-15]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

直升機(jī)用的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展時(shí)間較晚、進(jìn)展緩慢、缺乏自主成熟技術(shù)。國(guó)內(nèi)目前軍用直升機(jī)的機(jī)艙環(huán)控系統(tǒng)大多基于蘇聯(lián)的技術(shù)[16]，主要是以空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)為主，即從機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)中引進(jìn)來(lái)高壓高溫的氣體然后經(jīng)由渦輪冷卻器冷卻對(duì)外做功后再進(jìn)行降溫[17]。此系統(tǒng)具有輕量化、邊緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，各種運(yùn)行環(huán)境都能滿足。然而，電子設(shè)備的激增導(dǎo)致了電子機(jī)艙的熱負(fù)荷大大上升，已成為超過(guò)座艙熱負(fù)荷的主要熱源。但是，由于我國(guó)氣候條件與蘇聯(lián)差異巨大，這種系統(tǒng)不能很好地適用國(guó)內(nèi)的各種氣候環(huán)境，因此在夏季，該系統(tǒng)在低海拔的降溫能力更差。目前，中國(guó)逐漸開(kāi)始想美英等國(guó)學(xué)習(xí)其在蒸發(fā)循環(huán)制冷的優(yōu)秀理念，并正從測(cè)繪、模仿英美系統(tǒng)逐漸步入自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)階段[18]。其次，國(guó)外不僅擁有良好蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)基礎(chǔ)，還有著完整的相關(guān)系統(tǒng)仿真建模技術(shù)，從建模、求解以及相關(guān)的算法都在研究，對(duì)促進(jìn)直升機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)有著極大地作用，我國(guó)也需要加強(qiáng)這方面的研究。同時(shí)，對(duì)制冷系統(tǒng)的性能評(píng)估以及改進(jìn)都在逐漸走向成熟，最終形成直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)子系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)流程。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)直升機(jī)用蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，主要表現(xiàn)在技術(shù)上采用重復(fù)的設(shè)計(jì)方案。這種原始的研發(fā)方法存在以下缺點(diǎn)：限于經(jīng)驗(yàn)以及研發(fā)時(shí)間的影響，往往找不到完美的設(shè)計(jì)方案；其次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性低，制冷效率低下。

2. 直升機(jī)制冷系統(tǒng)

蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)以及空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)時(shí)較為基礎(chǔ)的2種機(jī)載低溫系統(tǒng)。空氣循環(huán)系統(tǒng)引氣會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一定的影響且能耗較大，與之相比，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）高且成本較低，逐漸有取代空氣循環(huán)系統(tǒng)的趨勢(shì)。

2.1 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

眾所周知，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)一般有以下3種形式：簡(jiǎn)單空氣循環(huán)系統(tǒng)、三輪式空氣循環(huán)系統(tǒng)及升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)?？諝庋h(huán)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)引氣作為主要的循環(huán)氣體，其主要部件有風(fēng)機(jī)、渦輪、換熱器、水分離器等。由發(fā)動(dòng)機(jī)引氣經(jīng)換熱器降溫冷卻后在渦輪機(jī)中膨脹，膨脹過(guò)程會(huì)產(chǎn)生溫度較低的冷空氣。在此過(guò)程中，冷卻渦輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)扇和其他設(shè)備將來(lái)自高溫空氣的熱能轉(zhuǎn)化為其他設(shè)備的可用功。但是，由于引入了外部空氣，如果不采取其他保護(hù)措施，系統(tǒng)的使用速度和飛行高度將受到極大限制[19-20]。

3種系統(tǒng)的制冷原理圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 簡(jiǎn)單式空氣循環(huán)系統(tǒng)原理圖

圖2 三輪式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理圖

圖3 升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理圖

2.2 蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

在20世紀(jì)70年代時(shí)，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)在直升機(jī)機(jī)載上的應(yīng)用取得了極大地進(jìn)展：美國(guó)率先研發(fā)了專門用于電子吊艙制冷的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，并且在吊艙上展開(kāi)了一系列實(shí)際應(yīng)用。隨后，美國(guó)以及歐洲的直升機(jī)都逐漸開(kāi)始裝配蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)。其中，如歐洲的“虎式”、蘇聯(lián)的米-17、美國(guó)的AH-64、VH-60N、EH-60、VH-3D等型號(hào)的直升機(jī)也都將此蒸發(fā)制冷系統(tǒng)作為首選制冷系統(tǒng)配置在直升機(jī)上。依據(jù)制冷工質(zhì)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的壓縮次數(shù)可以將蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)劃分為單級(jí)壓縮系統(tǒng)以及雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，下面針對(duì)2種壓縮方式系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.1 單級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

在單級(jí)壓縮蒸發(fā)的循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)被一級(jí)壓縮后由蒸發(fā)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠龎毫?。單?jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)通常由4個(gè)基本組件構(gòu)成，即產(chǎn)生壓力波的壓縮機(jī)、冷卻壓縮機(jī)出來(lái)的高溫工質(zhì)的冷凝器、具有節(jié)流制冷效應(yīng)的節(jié)流閥以及具有冷量輸出功能的蒸發(fā)器，有時(shí)也會(huì)增加一個(gè)過(guò)冷器設(shè)備用來(lái)提高循環(huán)系統(tǒng)的制冷性能和工作環(huán)境。單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。從圖中可以看到，在此循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中，制冷工質(zhì)以蒸氣的狀態(tài)通過(guò)蒸發(fā)器后被壓縮機(jī)吸入，工質(zhì)在壓縮機(jī)中經(jīng)過(guò)壓縮吸熱變?yōu)楦邷馗邏旱臓顟B(tài)以冷凝壓力進(jìn)入冷凝器中，高溫高壓的制冷工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中和外界大氣換熱后冷凝變?yōu)橐簯B(tài)。此后進(jìn)入節(jié)流閥中進(jìn)行節(jié)流膨脹，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，節(jié)流后成為氣液混合物狀態(tài)，且此混合物流入蒸發(fā)器吸收熱量最后蒸發(fā)，然后再返回壓縮機(jī)，至此，完成一個(gè)完整的循環(huán)。

圖4 單級(jí)壓縮蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

其中，壓縮機(jī)是整個(gè)制冷系統(tǒng)的“心臟”，是循環(huán)系統(tǒng)中最核心的部件，負(fù)責(zé)產(chǎn)生壓力波。壓縮機(jī)通常包含渦旋式、螺桿式、閥板式等形式，可以通過(guò)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（使用直升機(jī)中交流或直流電源）和主減速器（通過(guò)電磁離合器連接）來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。在冷凝器中，制冷工質(zhì)會(huì)將自身的大部分潛熱釋放出來(lái)，此時(shí)由來(lái)自外部的冷空氣或者燃油來(lái)進(jìn)行冷卻工質(zhì)。蒸發(fā)器中由于制冷工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱會(huì)有大部分的冷量產(chǎn)出，通常這部分冷量用于冷卻空氣或載冷劑。

2.2.2 兩級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)冷凝器中的冷凝溫度比較高時(shí)，相應(yīng)的壓縮機(jī)壓力上升迅速，此時(shí)單級(jí)壓縮應(yīng)景不足以滿足當(dāng)前的工作條件，則兩級(jí)壓縮被采用，用來(lái)提高壓縮機(jī)壓縮效率，從而提升了整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的制冷性能。兩級(jí)壓縮蒸發(fā)制冷循環(huán)是指制冷工質(zhì)經(jīng)過(guò)高低壓壓縮機(jī)壓縮后從蒸發(fā)壓力壓縮到冷凝壓力的一種工質(zhì)循環(huán)方式。

圖5展示的是一個(gè)兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻的壓縮循環(huán)制冷流程圖，此系統(tǒng)包含2臺(tái)壓縮機(jī)、一個(gè)蒸發(fā)器、一個(gè)冷凝器、2個(gè)節(jié)流閥和一個(gè)閃蒸發(fā)箱。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從蒸發(fā)器出口通過(guò)的制冷工質(zhì)蒸氣進(jìn)入低級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，從低級(jí)壓縮機(jī)拍出的氣體和閃蒸箱蒸發(fā)出來(lái)的氣體進(jìn)行混合，混合后的氣體工質(zhì)進(jìn)入高壓壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)壓縮后工質(zhì)以冷凝壓力進(jìn)入冷凝器，高溫高壓的工質(zhì)蒸氣被冷卻為液體。此液體工質(zhì)經(jīng)過(guò)第一個(gè)節(jié)流閥節(jié)流之后進(jìn)入到閃蒸箱進(jìn)行部分蒸發(fā)變?yōu)闅庖夯旌衔?，混合物中的氣體與低壓壓縮機(jī)的排氣混合之后又一次流入高壓壓縮機(jī)被壓縮，閃蒸箱中剩余的液體工質(zhì)則經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流后流入蒸發(fā)器中，工質(zhì)在蒸發(fā)機(jī)中吸收熱量變?yōu)闅怏w產(chǎn)生冷量后再次經(jīng)過(guò)低壓壓縮機(jī)壓縮，完成了一個(gè)兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)。和單級(jí)制冷循環(huán)系統(tǒng)比較，雙級(jí)壓縮循環(huán)雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有壓縮比比較小，排氣溫度較低，壓縮效率較高，性能系數(shù)較高，單位質(zhì)量流量的制冷量相對(duì)較大等各種優(yōu)勢(shì)。

圖5 兩級(jí)壓縮蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.3 空氣循環(huán)系統(tǒng)與蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的比較

這2種非常常用且經(jīng)典的機(jī)載制冷循環(huán)系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，且適用的場(chǎng)合、應(yīng)用的背景有所不同，下面給出一些具體的對(duì)比，如表1和表2所示。

表1 常見(jiàn)直升機(jī)制冷系統(tǒng)比較

表2 直升機(jī)采用空氣循環(huán)和蒸氣循環(huán)系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)性能對(duì)比

3. 總結(jié)和展望

本文從直升機(jī)機(jī)載制冷方式及其發(fā)展現(xiàn)狀的角度出發(fā)，首先對(duì)現(xiàn)有機(jī)載制冷循環(huán)的2種冷卻方式（空氣循環(huán)制冷和蒸發(fā)循環(huán)制冷方式）在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了剖析和總結(jié)，隨后介紹和展示了這2種制冷方式的基本運(yùn)行原理，并對(duì)2種循環(huán)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及性能進(jìn)行了比較。通過(guò)對(duì)比二者的性能參數(shù)和指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)相較于空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)有運(yùn)行成本低、性能系數(shù)高等明顯優(yōu)勢(shì)。

據(jù)悉，當(dāng)前國(guó)際上已經(jīng)采用蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)作為直升機(jī)主要的機(jī)載制冷系統(tǒng)，我國(guó)對(duì)于機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的研究較為淺薄，缺乏自主創(chuàng)新技術(shù)，但當(dāng)前大力發(fā)展蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是必要趨勢(shì)，應(yīng)該將蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)作為機(jī)載制冷系統(tǒng)的主推方案。對(duì)于今后我國(guó)機(jī)載循環(huán)制冷系統(tǒng)的發(fā)展，作者認(rèn)為應(yīng)該著力于以下幾個(gè)方向和關(guān)鍵技術(shù)：

（1）主推蒸氣循環(huán)制冷系統(tǒng)在直升機(jī)上的應(yīng)用；（2）高效的熱交換器技術(shù)研究；（3）高效且輕量化機(jī)載壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究；（4）直升機(jī)蒸氣循環(huán)高度仿真平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)。