民用飛機技術(shù)發(fā)展.

1、民用飛機技術(shù)發(fā)展民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)楊春信 教授人機與環(huán)境工程系2012年3月26日Beihang University Dept. of Human-Machine & Environment Engineering民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容2環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生背景環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀環(huán)境控制技術(shù)評價方法環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展方向幾個重要問題的討論民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)1.1 概述1.2 控制對象1.3 控制系統(tǒng)31.環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生背景環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生背景民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)41.1 概述概述飛行高度？珠穆朗瑪峰的高度？A340萊特兄弟發(fā)明飛機民用飛

2、機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5大氣壓力隨高度的變化1.1 概述概述缺氧、低壓效應(yīng)、體液沸騰、爆炸減壓低氣壓對人體的影響民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)61.1 概述概述經(jīng)濟(jì)性舒適性人的生理需求座艙氣密結(jié)構(gòu)強度合適的座艙壓力民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)71.1 概述概述高壓低壓壓氣機帶壓氣機利用已有壓氣機發(fā)動機引氣民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)81.1 概述概述發(fā)動機引氣座艙發(fā)動機引氣直接供入座艙是否可以？民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)91.1 概述概述發(fā)動機引氣換熱器座艙制冷包民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)101.2 控制對象控制對象壓力壓力在給定的飛行高度內(nèi)，使座艙具有滿足人體生理要求的壓力 及其變化速度

3、。基本任務(wù)cpcdpd座艙壓力制度示意圖控制機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)（排氣活門）控制手段座艙內(nèi)絕對壓力和余壓隨高度的變化規(guī)律民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)111.2 控制對象控制對象溫度溫度在不同外界條件以及飛行狀態(tài)下，維持座艙溫度恒定?；救蝿?wù)艙內(nèi)溫度：1724直接供氣溫度：1012溫度均勻度：前后5/左右2/上下3加溫和制冷能力：起飛15min內(nèi)達(dá)到要求控制內(nèi)容外界大氣溫度設(shè)計條件t/民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)12降溫原理相變吸熱相變吸熱降溫原理膨脹降溫膨脹降溫潛熱潛熱顯熱顯熱1.2 控制對象控制對象溫度溫度蒸汽循環(huán)制冷系統(tǒng)（VCS)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)（ACS)加溫系統(tǒng)制冷系統(tǒng)控制手段民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)

4、境控制技術(shù)131.2 控制對象控制對象濕度濕度在不同外界條件以及飛行狀態(tài)下，維持座艙濕度恒定。基本任務(wù)飛行時間超過4h的飛機必須具有附加的濕潤裝置，小于4h的飛機一般無此要求。在達(dá)到飽和含濕量之前的所有高度，以19g/kg干空氣為設(shè)計依據(jù)（熱天）外界大氣濕度設(shè)計條件高濕度：悶熱感/濕冷感低濕度：短時間內(nèi)不十分明顯民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)14壓力控制溫度控制濕度控制制冷空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)蒸汽循環(huán)制冷系統(tǒng)座艙增壓質(zhì)量較小可以除濕1.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)2.1 系統(tǒng)原理2.2 系統(tǒng)分類2.3 系統(tǒng)特點152.環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控

5、制技術(shù)16空氣壓縮制冷循環(huán)工作原理圖 p-v圖 T-s圖0-1空氣在壓縮機內(nèi)等熵壓縮（加給循環(huán)的功）；1-2空氣在換熱器1中定壓放熱（向冷源排出熱量）；2-3空氣在膨脹機中等熵膨脹（輸出功）；3-0空氣在換熱器2內(nèi)定壓吸熱（由熱源吸收熱量） 2.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)2.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理17From:波音公司發(fā)動機引氣制冷包供入座艙排出艙外民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)182.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理壓縮過程：發(fā)動機完成，從發(fā)動機引氣膨脹過程：渦輪完成飛機ECS123冷流體入口風(fēng)扇渦輪座艙換熱器沖壓空氣理想簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)192.2 系

6、統(tǒng)分類系統(tǒng)分類發(fā)動機引氣電動增壓兩輪三輪四輪低壓除水B707-300B727B737-300B737-500MD-80B747-400B737-600B737-700A310高壓除水B737-400ATR-42B737-800B757B767A320B777A380B787民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)202.2 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類功的回收方式功的回收方式簡單式：渦輪+風(fēng)扇升壓式：渦輪+壓氣機兩輪式渦輪+風(fēng)扇+壓氣機三輪式渦輪+風(fēng)扇+壓氣機+二級渦輪四輪式風(fēng)扇風(fēng)扇渦輪渦輪壓氣機壓氣機渦輪渦輪民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)212.2 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類除水方式除水方式水分離器設(shè)置在渦輪出口低壓除水水分離

7、器設(shè)置在渦輪入口高壓除水渦輪渦輪水分離器水分離器回?zé)崞骰責(zé)崞骼淠骼淠魉蛛x器水分離器渦輪渦輪民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)222.2 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類引氣方式引氣方式電動增壓電動增壓空氣制冷空氣制冷換熱器換熱器沖壓空氣沖壓空氣發(fā)動機引氣發(fā)動機引氣空氣制冷空氣制冷換熱器換熱器沖壓空氣沖壓空氣由發(fā)動機完成加壓過程發(fā)動機引氣由電動壓氣機完成加壓過程電動增壓民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)23 兩輪簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型兩輪簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型最大起飛總重21,000kg載客量44-52人正常巡航速度450km/h最大起飛總重64,000kg載客量110人最大巡航速度675km/h經(jīng)濟(jì)

8、巡航速度625km/h安-241960年4月首飛伊爾-181957年7月首飛民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)冷流體入口初級換熱器發(fā)動機引氣冷流體出口冷流體入口1a1次級換熱器0風(fēng)扇渦輪2242.3 系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點座艙壓氣機渦輪冷流體入口次級換熱器冷流體出口冷流體入口初級換熱器11a234兩輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖風(fēng)扇抽吸冷邊沖壓空氣；適合地面停機及低馬赫數(shù)飛行。不受供氣壓力影響；適合高空工作條件。兩輪三輪兩輪簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)三輪低壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型三輪低壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型25最大起飛總重396,890kg載客量416人最大巡航

9、速度1036km/h M0.92正常巡航速度957km/h M0.85最大起飛總重138,600kg載客量220人最大巡航速度895km/h M0.81正常巡航速度870km/h M0.8B747-4001988年4月首飛A3101988年4月首飛民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)三輪式低壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖262.3 系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點渦輪同時帶動風(fēng)扇和壓氣機，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率并改善其動態(tài)特性。冷卻渦輪出口和水分離器入口溫度必須高于0。低壓除水高壓除水民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)三輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型三輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型27最大起飛總重77,000kg

10、載客量180/150人最大巡航速度M0.82正常巡航速度M0.78最大起飛總重142,880kg載客量181-255人巡航速度851km/h M0.8A320-1001987年2月首飛B767-2001981年9月首飛民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)282.3 系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點水分容易凝出，凝出的水珠顆粒較大；渦輪出口溫度可以不受冰點限制。三輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)四輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型四輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)用機型29最大起飛總重297,550kg載客量440/301人巡航速度M0.84最大起飛總重560,000kg載客量522/64

11、4/853人最大巡航速度945km/h M0.89正常巡航速度902km/h M0.85B777-200ER1994年6月首飛A3802005年4月首飛民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)302.3 系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點冷凝器和渦輪被凍堵的可能都大大減少，代表了國際上先進(jìn)的環(huán)境控制系統(tǒng)。初級換熱器次級換熱器壓氣機一級渦輪水分離器冷凝器回?zé)崞鳑_壓空氣122a2b2c2d34a41a二級渦輪4b風(fēng)扇四輪式高壓除水空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)313.環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法每個乘客一把扇子兩輪簡單式系統(tǒng)電動環(huán)控系統(tǒng)怎么選擇？選擇最好的民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)3.環(huán)境控制

12、系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法 當(dāng)量質(zhì)量法 起飛總質(zhì)量法 當(dāng)量阻力法32 當(dāng)飛行器裝有制冷系統(tǒng)后,為了運輸、傳動附件、克服氣動阻力與完成其他要求，都需要消耗能量，最后一并歸結(jié)到飛行器上唯一能源燃油消耗上。環(huán)境控制系統(tǒng)具有固定的系統(tǒng)裝置質(zhì)量，可變的消耗性冷卻劑制冷，還需要從發(fā)動機壓氣機引氣，從發(fā)動機軸輸出功率，并使飛行器增加阻力等，為了對系統(tǒng)方案進(jìn)行比較，把這些因素都折算為共同的質(zhì)量單位。將環(huán)境控制系統(tǒng)所有影響飛行器性能代償損失的因素都折算為阻力。民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)333.環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法協(xié)和號ACS載客量100/140人最大巡航速度M2.04平均巡航速度M2

13、.021969年首飛民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)34（1 1）系統(tǒng)固定裝置的重量）系統(tǒng)固定裝置的重量（2 2）為運輸系統(tǒng)固定裝置重量所引起的燃油代償損失）為運輸系統(tǒng)固定裝置重量所引起的燃油代償損失（3 3）為克服沖壓空氣阻力所引起的燃油代償損失）為克服沖壓空氣阻力所引起的燃油代償損失（4 4）發(fā)動機引氣所引起的燃油代償損失）發(fā)動機引氣所引起的燃油代償損失靜止的靜止的讓讓(1)(1)運動起來運動起來付出的代價付出的代價(1)+(2):(1)+(2):即使不用即使不用ACSACS也會付出能量也會付出能量3.環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法(3)+(4):(3)+(4):利用利用ACSACS

14、付出的代價付出的代價起飛總質(zhì)量法民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)353.環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法各部分的起飛重量數(shù)值（kg）百分比系統(tǒng)重量122536.5運輸系統(tǒng)裝置593.817.7沖壓空氣940.428.1發(fā)動機引氣591.617.7合計3350.8100系統(tǒng)重量運輸系統(tǒng)重量沖壓空氣發(fā)動機引氣協(xié)和號空調(diào)系統(tǒng)各部分占起飛重量增量計算民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)363.環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法環(huán)境控制系統(tǒng)評價方法ACS系統(tǒng)自身重量分別為80kg和120kg，能直接判斷哪個性能更優(yōu)嗎？民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)4.環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展方向環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展方向37 減少引氣量和降低燃油代償損

15、失發(fā)展綜合環(huán)境控制系統(tǒng)提高部件的性能和可靠性設(shè)計思想民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)綜合環(huán)境控制示例綜合環(huán)境控制示例F-22F-22環(huán)境控制系統(tǒng)原理圖環(huán)境控制系統(tǒng)原理圖38民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.幾個重要問題的討論幾個重要問題的討論5.1 熱舒適5.2 節(jié)能措施5.3 空氣品質(zhì)5.4 設(shè)計流程39民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.1 熱舒適熱舒適40乘員發(fā)熱量電子設(shè)備發(fā)熱量通過飛機結(jié)構(gòu)的熱載荷座艙熱載荷民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)415.1 熱舒適熱舒適1個人=100W100個人=10kW座艙熱載荷：30kW15kW15kW民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)42兩套系統(tǒng)的好處5.1 熱舒適熱舒適降

16、低系統(tǒng)設(shè)計難度增加可靠性民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù) 水 引氣 排氣435.2 節(jié)能措施節(jié)能措施民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.2 節(jié)能措施節(jié)能措施水水441kg空氣溫度升高1吸收熱量1.01kJ1kg水溫度升高1吸收熱量4.2kJ1kg水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝諢崃?501kJ汽化潛熱大影響系統(tǒng)性能危害電子設(shè)備民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.2 節(jié)能措施節(jié)能措施水水45水除水低壓除水直接除去減少制冷量噴入沖壓空氣補償制冷量需要加壓設(shè)備高壓除水無需加壓設(shè)備噴入沖壓空氣節(jié)省能源民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)465.2 節(jié)能措施節(jié)能措施引氣引氣高空巡航飛行高度：11000m飛行速度：0.79M環(huán)境壓力：22.7kPa加壓至1個大氣壓單位增壓功：90kW單位增壓功：45kW加壓至0.6個大氣壓節(jié)能？雙級引氣民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.2 節(jié)能措施節(jié)能措施排氣排氣 47飛行高度：12000m飛行速度：0.8M座艙排氣高速高壓推力升阻比升力排氣速度433m/s推力16.8kg升力252kg升阻比15民用飛機技術(shù)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)5.3 空氣品質(zhì)空氣品質(zhì)48冷流體入口初級換熱器發(fā)動機引氣冷流體出口冷流體入口1a1次級換熱器0風(fēng)扇渦輪2油