張雪蘋
(中國商用飛機有限責任公司上海飛機設(shè)計研究院,上海 201210)
民用飛機水廢水系統(tǒng)(WWS)通過機載水箱存儲并提供運營過程中所需的飲用水,以滿足乘客的用水需求?;诂F(xiàn)代民用飛機綠色環(huán)保設(shè)計理念和對經(jīng)濟性的追求,減重是飛機設(shè)計中重點考慮因素,在WWS的設(shè)計中,減重設(shè)計一方面要降低產(chǎn)品重量,另一方面要加強對航線運營中載水重量的控制。加水量過大,航線運營負重增加,導(dǎo)致運營成本增加、經(jīng)濟性降低;加水量過小,系統(tǒng)存水不足,無法滿足機上乘員的用水需求。
對于民用飛機水廢水系統(tǒng),國內(nèi)開展過水廢水系統(tǒng)設(shè)計選型、系統(tǒng)控制建模方法及供水管路仿真計算技術(shù)等方面的研究,關(guān)于供水量的確定及系統(tǒng)減重、提升運營經(jīng)濟性設(shè)計,尚未對此展開詳細研究?;趯_文獻的查閱結(jié)果,國內(nèi)僅《飛機設(shè)計手冊》中籠統(tǒng)地給出了各個機型的供水量信息,沒有給出供水量的計算方法,而且各同類機型的供水量差別較大;同時,《飛機設(shè)計手冊》中所提供的供水量數(shù)據(jù)均是基于較老型號的飛機,無法代表當今先進機型的供水量要求。隨著航空WWS技術(shù)水平的發(fā)展,WWS部件(例如水龍頭出水設(shè)計、馬桶沖洗設(shè)計)的設(shè)計傾向于更加節(jié)水、節(jié)能;目前航線供水量計算研究未見報道,國際上鮮見相關(guān)研究的公開信息。
本文從飛機級需求“提供水”出發(fā),基于航線運營實際需求,對加水水量確定進行研究,給出航線所需水量計算技術(shù);同時,依據(jù)我國航線飛行時長分布特點,提出基于航線實際運營時間和載客人數(shù)為需求、為系統(tǒng)設(shè)定的分檔加水設(shè)計技術(shù),并進行功能驗證。
航線供水與飛機航程及載客數(shù)量密切相關(guān),供水量不足,直接影響旅客舒適性;供水量過剩,將增加飛機的重量,進而降低經(jīng)濟性。對于民用飛機水廢水系統(tǒng),與其供水量直接相關(guān)的用水需求為:馬桶沖洗用水、洗手用水、機上乘員飲用水。
圍繞這三個用水需求,本文對載客約170人、飛行時長約5.3 h的航線用水情況展開調(diào)研,經(jīng)過對樣本數(shù)據(jù)的篩選、擬合,運用分層法和直方圖對各個用水需求進行整理。
(1)分層法
“馬桶沖洗次數(shù)”為一層;“洗手用水次數(shù)”為一層。
(2)直方圖
分析不同時間段的“馬桶沖洗次數(shù)”,將5.3 h內(nèi)不同時間段的沖洗次數(shù)進行累計,共計239次;分析不同時間段的“洗手次數(shù)”,將5.3 h內(nèi)不同時間段的洗手次數(shù)進行累計,共計279次。
分層法統(tǒng)計的馬桶沖洗次數(shù)和乘客洗手次數(shù)如圖1~圖2所示。
圖1 分層法統(tǒng)計馬桶沖洗次數(shù)Fig.1 Delamination method to Count the numbers of toilet Flush
圖2 分層法統(tǒng)計乘客洗手次數(shù)Fig.2 Delamination method to count the numbers of hand wash for passenger
從圖1~圖2可以看出:在5.3 h內(nèi),所有乘員均要使用一次馬桶,40%的乘員會第二次使用馬桶;機上所有乘員均要洗一次手,65%的乘員會第二次洗手。
航線機上乘組實際調(diào)研數(shù)據(jù):13 h航線;平均載客量280人;人員所需飲用的水量約為170 L(包括白開水、沖泡咖啡和茶),人均飲用水量為0.607 L。
基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的調(diào)研和分析結(jié)果,對5.3 h飛行時長內(nèi)的供水需求量計算方法總結(jié)如表1所示。
表1 供水需求量計算Table 1 Volume calculation of the required potable water
基于表1,可知機上總的供水需求量。
式中:為沖洗一次馬桶用水量;為洗手一次用水量;為人均飲用水量;為乘客人數(shù);為機組人數(shù)。
以某中短程干線飛機為例:
(1)高密度級最大機上人員數(shù)為乘客174人,機組人員7人;
(2)最大持續(xù)飛行時長為5.3 h;
(3)沖洗一次馬桶用水量0.237 L;使用一次水龍頭用水量0.190 L。
中短程干線機型全航程、機上滿員時所需的供水量為
典型的單通道飛機、高密度級構(gòu)型下,乘客174名,機組人員7名,最大持續(xù)飛行時間5.3 h,所需的供水量要求為173 L。在飛機水廢水系統(tǒng)設(shè)計中,航線所需最大供水量即為水箱設(shè)計時的可用容積,考慮到水箱增壓供水時所需一定的增壓空間及水箱內(nèi)存水發(fā)生凍結(jié)時體積增加,一般水箱的實際容積會比可用容積約大出10%~15%。
將本節(jié)的研究結(jié)果分別應(yīng)用于干線飛機和寬體飛機,并分別將其與主流機型數(shù)據(jù)進行比對,如表2~表3所示。
表2 干線飛機計算模型結(jié)果與主流機型對比Table 2 Comparison of the calculation result between the trunk aircraft in this document and others
表3 寬體飛機計算模型結(jié)果與主流機型對比Table 3 Comparison of the calculation result between the wide-body in this document and that of others
對于干線飛機,本文的計算結(jié)果相對于B737、A320,人均用水量最大偏差為17.75%(僅極個別機型),最小偏差為0.93%,但和大部分機型結(jié)果相當;對于遠程寬體客機,本文計算結(jié)果與B787、A350相比,人均用水量略有偏高,但最大偏差僅為5.8%。
通過對比結(jié)果表明,本文的航線統(tǒng)計數(shù)據(jù)及計算方法是有效的,可以用于工程計算、指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。
依據(jù)2014—2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國國內(nèi)航班飛行距離主要集中在400~1 800 km范圍內(nèi),而航程超過3 800 km的航班所占比例較少,各個飛行航程所占航班比例如圖3所示。
圖3 2014—2015年度我國航班飛行距離分布[11]Fig.3 The distribution of China flight distance during 2014—2015[11]
某干線飛機水廢水系統(tǒng)運營載重占比情況如圖4所示,可以看出:水廢水系統(tǒng)運營載重包括系統(tǒng)部件及管路重100 kg(占比37%)、沖洗廁所/洗手/乘客飲用等所用水重171.6 kg(占比63%)。
圖4 某干線飛機水廢水系統(tǒng)運營載重占比Fig.4 Proportion of operation weight of WWS for the trunk aircraft
綜上所述,如果每次飛行前均按照系統(tǒng)水箱的設(shè)計容積進行加水,將會造成90%的航線運營背負額外載水量;如果能對63%的飲用水這部分運營載重占比進行精確化處理,將供水量與具體航程結(jié)合起來,實現(xiàn)最優(yōu)的加水量,獲得的運營經(jīng)濟效益將變得可觀。
基于上述研究結(jié)果及分析,本文提出水廢水系統(tǒng)分段加水水位設(shè)計技術(shù),使飲用水系統(tǒng)具備不同檔位的加水功能,其宗旨是在航線運營中依據(jù)航線的實際需求,在航前為水箱選擇合適的加水量。
結(jié)合1.2節(jié)研究結(jié)果,該型號飛機在高密度級滿員、最大持續(xù)飛行時間5.3 h情況下,需173 L水,假設(shè)單位時間內(nèi)人均用水量是相同的,可以獲得單位時間人均用水量為0.18 L,則不同航線的實際用水量為
式中:為航線實際用水量;為實際飛行時長。
不同乘員人數(shù)、不同持續(xù)續(xù)航時間內(nèi)所需的水位信息如圖5所示。
圖5 某型號飛機不同時間段、不同乘員數(shù)時所需水位信息Fig.5 Information of the required water level if one trunk aircraft in different time,vary passenger numbers
根據(jù)系統(tǒng)控制設(shè)計復(fù)雜程度及實際需求,本文提出根據(jù)不同時間的飛行需求,將所需加水量分為四檔:FILL FULL(加100%)、FILL 3/4(加75%)、FILL 1/2(加50%)、FILL 1/4(加25%)。航線負責人或地勤人員可根據(jù)航線實際需求選擇合適的加水檔位,實現(xiàn)在滿足系統(tǒng)功能的前提下,最大化地提高系統(tǒng)載水的利用率,根據(jù)單位時間一般建議按照如下原則進行航前加水。
(1)當航線所需實際用水量小于等于43 L時,選擇25%檔位,即:0.18×(+)×≤43。
(2)當航線所需實際用水量大于43 L、小于等于86 L時,選擇50%檔位,即:0.18×(+)×≤86。
(3)當航線所需實際用水量大于86 L、小于等于129 L時,選擇75%檔位,即:0.18×(+)×≤129。
(4)當航線所需實際用水量大于129 L、小于等于171 L時,選擇100%檔位,即:0.18×(+)×≤171。
2.2.1 典型航線分段加水水位經(jīng)濟性
選取“上?!獮豸斈君R”“北京—廣州”“上?!本薄吧虾!戏省彼臈l航線為研究對象,對分段加水水位設(shè)計的經(jīng)濟性展開研究。
通過查閱國內(nèi)相關(guān)航空公司的運營時間表可知該四條典型航線所需的飛行時間;結(jié)合航線的分檔加水檔位信息,可以得到四條典型航線所需的加水檔位信息及可節(jié)省的運營載重量,如表4所示。
表4 典型航線運營信息Table 4 The operation information of typical course
從表4可以看出:對于“上海—合肥”“上?!本薄氨本獜V州”典型航線滿員的情況下,采用分段加水水位技術(shù)可以節(jié)省的航線運營質(zhì)量分別為130 kg、87 kg和44 kg,節(jié)水量占總水量百分比分別為76%、51%、24%,載重的節(jié)省是非常可觀的。
2.2.2 全航程內(nèi)分段加水水位經(jīng)濟性
結(jié)合圖3的占比結(jié)果,飛行時長1.3 h范圍內(nèi)(航程0~800 km)占比為24.5%(典型航線1);飛行時長2.6 h范圍內(nèi)(航程800~1 200 km)占比為41%;(典型航線2)飛行時長3.9 h范圍內(nèi)(航程1 400~3 000 km)占比為26.2%(典型航線3);飛行時長5.3 h范圍內(nèi)(航程3 000~3 800 km)占比為8.3%(典型航線4)。近86.5%的航班都處于非最大設(shè)計航程范疇,因此為不同的航線配置不同的加水水位,在飛機的航線運營中具有十分重要的意義,如表5所示。
表5 典型航線所需水量信息Table 5 The information of required water level of typical course
將分段加水水位分為四檔:FILL 1/4(加25%,43 L)、FILL 1/2(加50%,86 L)、FILL 3/4(加75%,129 L)、FILL FULL(加100%,171 L)。通過分段加水水位功能的設(shè)置,至少在航線上約86.5%的航線均可實現(xiàn)運營質(zhì)量的節(jié)約,累計航線當量節(jié)省運營質(zhì)量為79 kg。
依據(jù)常用干線飛機運營直接運營成本(Direct Operation Cost,簡稱DOC)與運營質(zhì)量之間的關(guān)系,累計航線當量節(jié)省運營質(zhì)量79 kg所帶來的DOC如表6所示。
表6 節(jié)省運營重量帶來的DOC影響Table 6 The affected DOC contributed by the reduced operation weight
從表6可以看出:當運營質(zhì)量減少79 kg時,航段DOC可以減少87.2元。
地面加水勤務(wù)是飛機在航線運營期間進行較為頻繁的任務(wù)之一。飛機在過站或者航線飛行開始前需由地勤人員通過水服務(wù)板上的加水接頭連接地面加水車,對水箱進行加水操作。依據(jù)航線運營情況選擇合適的加水水位可以節(jié)省系統(tǒng)的地面勤務(wù)時間,地勤人員可根據(jù)2.1節(jié)中加水檔位建議信息,選擇加水水位,整個加水過程中的操作步驟分解如圖6所示。
圖6 某型飛機初步分段加水操作步驟Fig.6 The operation step of pre-selcetion
從圖6可以看出:通過步驟三進行加水水位選擇,可以為飛機配置適應(yīng)航線運營需求的最小載水量,有效提高運營經(jīng)濟性。
從實現(xiàn)分段加水水位功能操作方式、所需的信號輸入、信號內(nèi)部處理、內(nèi)部判斷輸出等方面出發(fā),對分段加水水位控制邏輯進行研究。
為提高系統(tǒng)傳輸過程中的準確性,加水檔位信息采用“雙通道”和“雙參數(shù)”的信號傳輸方式,即選擇任一加水檔位后,每檔加水水位均設(shè)置2個信號傳輸通道,當且僅當2個信號輸入通道均有效且數(shù)值相同時,才認為系統(tǒng)的分段加水水位的輸入有效;每個傳輸通道的信號包括2個參數(shù):“檔位值”,即“Signal”;“檔位值的有效性”,即“Valid”。當且僅當“Signal”值 為“25%”“50%”“75%”或“100%”中的一個且“Valid”值為真時,系統(tǒng)才會認為該通道輸入有效;當且僅當兩個通道的輸入均有效,且“Signal”值相同時,認為分段加水水位信息有效,系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)檔位加水操作。
在服務(wù)面板上選擇加水檔位,系統(tǒng)接收到水位選擇指令,對加水水位輸入的“Singal”值進行判斷,將輸入值與上次執(zhí)行加水操作的值進行對比(是否為新的水位信息),如果是新的水位信息,則按照判斷原則對輸入的加水信號進行邏輯判斷,具體的控制邏輯判斷如表7所示。如果兩組A429水位信號值均是有效且相等,則認為系統(tǒng)的輸入是有效的,此時便將系統(tǒng)的加水水位指令設(shè)置為預(yù)先選擇的檔位值;如果系統(tǒng)輸入兩組A429水位信號值經(jīng)表7的邏輯判斷后是無效的,則認為輸入的加水水位信息是無效的,此時預(yù)選水位值為默認值(系統(tǒng)上次加水水位值)。只有當水廢水系統(tǒng)控制軟件(WWSCP)判斷輸入的加水水位信息是有效的,系統(tǒng)才會按照新的分段加水水位驅(qū)動加水/排放閥進行加水操作。詳細的功能實現(xiàn)控制流程如圖7所示。
表7 WWSCP內(nèi)部控制判斷Table 7 The internal control decision of WWSCP
圖7 實現(xiàn)分段加水水位控制邏輯流程圖Fig.7 The control logical flow chart of pre-selection
為驗證分段加水水位驗證技術(shù),以某型號飛機WWS為研究對象,通過搭建實驗室1∶1試驗臺架,對該技術(shù)進行試驗室驗證。試驗主體包括:水廢水系統(tǒng)控制軟件(WWSCP)模塊、水箱組件、加水閥、模擬勤務(wù)面板、相關(guān)的管路和接頭等,詳細的試驗臺架架構(gòu)如圖8所示。
圖8 分段加水水位功能驗證試驗構(gòu)架Fig.8 The full-scale test rig of pre-selection
各主體對應(yīng)的功能如下:
(1)水廢水系統(tǒng)控制軟件(WWSCP)模塊:實現(xiàn)分段加水水位控制軟件的加載,是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的載體。
(2)水箱組件:透明水箱,用于分段加水量的存儲;內(nèi)置水位傳感器,具備水位監(jiān)測功能,并實時向系統(tǒng)控制軟件反饋加水量信息,當水量達到預(yù)設(shè)值時,系統(tǒng)控制軟件便會切斷加水閥的加水操作。
(3)加水閥:用于向系統(tǒng)提供加水接口和加水操作。
(4)模擬勤務(wù)面板:通過模擬界面實現(xiàn)分段加水水位的選擇,同時對水箱組件中的水位傳感器反饋過來的水量信息進行實時顯示,詳細的操作界面如圖9所示。
圖9 模擬勤務(wù)面板操作界面Fig.9 The simulated operation interface of service panel
(5)管路和接頭:由加水閥連接至水箱組件,支持加水操作。
本驗證技術(shù)通過在模擬勤務(wù)面板上選擇不同的 加 水 檔 位“25%”“50%”“75%”“100%”,觀 察 系統(tǒng)能否在水箱的水量達到對應(yīng)檔位時自動切斷系統(tǒng)加水,試驗結(jié)果如表8所示。
表8 分段加水水位臺架試驗結(jié)果Table 8 The test result of pre-selection on test rig
從表8可以看出:當選擇不同的分段加水檔位時,系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的邏輯進行加水操作,并可以通過顯示界面正確地顯示水箱水量。試驗結(jié)果表明本文的分段加水水位控制邏輯是可行的,可以用于型號研制。
(1)民用飛機水廢水系統(tǒng)航線需用水量與最大持續(xù)飛行時間、乘員數(shù)相關(guān),依據(jù)航線統(tǒng)計數(shù)據(jù)形成的航線用水量計算技術(shù)能夠用于指導(dǎo)航線加水。
(2)分段加水水位設(shè)計技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)依據(jù)航線實際需求進行航前加水,減少系統(tǒng)多余的運營負重,提高系統(tǒng)運營經(jīng)濟性。
(3)本文所提出的分段加水水位設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)從設(shè)計方案到控制方式,再到功能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化,能夠用于民用飛機水廢水系統(tǒng)的研制及優(yōu)化設(shè)計。