飞行器环境控制技术.ppt

飞行器环境控制技术 飞行器环境控制技术又称飞行器空调技术 是指在各种飞行条件下 使飞行器座舱 或设备舱 内空气的压力 温度 湿度 洁净度及气流速度等参数适合人体生理卫生要求 保证乘员生命安全 舒适 满足设备冷却 增压要求和设备正常工作的技术 飞行器环境控制原理 热力循环 飞行器空气调节组成部份 1 气源分系统 用以保证座舱增压 通风的供气源 2 加温和制冷分系统 保证舱内加温和制冷 以使舱内温度获得良好的调节 3 空气分配分系统 用以保证经过调温的通风空气均匀地输入和分布于座舱内 使舱内产生合适的温度场和速度场 以获得舱内适宜的热力环境条件 4 调节控制设备或分系统 用以保证舱内压力调节 温度调节 湿度调节以及供气调节等的各种调节器或控制器 包括传感器 放大器和执行机构等 5 安全辅助设备 用以保证系统可靠工作和防止系统与舱内产生故障的各种设备和装置 6 指示和讯号设备 用以显示各种压力 温度 流量 高度等的指示仪表和设备 飞机空气调节历史 1944年美国在P 80战斗机上首次采用了简单式空气循环冷却技术 利用风扇产生的抽风或引射作用冷却热交换器的冷边 由气源来的高温 高压空气预冷后 通过涡轮膨胀作功降温 供给座舱或电子设备舱 简单式空气循环冷却系统结构简单 重量轻 易安装并能在地面停机状态工作 但由于涡轮转速和效率随飞行高度有较大的变化 因此性能不能充分满足低空和高空飞行要求 多用于早期的飞机上 如 F 101 F 105 F 5E B 52等 飞机空气调节 开式空气循环冷却技术闭式空气循环冷却技术闭式蒸发循环冷却技术 升压开式空气循环冷却系统 1950年代末出现了升压式空气循环冷却技术 利用涡轮输出功驱动同轴上的压气机以升高涡轮进口空气的压力 使涡轮膨胀比增大 获得较低的涡轮出口温度 在相同的供气条件下 升压式比简单式制冷能力大 飞行高度变化时 升压式涡轮冷却器转速变化小 工作平稳 使用寿命长 升压式空气冷却技术在早期的英 美飞机上被广泛使用 如 F 14 F 15 F 16等 逆升压开式空气循环冷却系统 逆升压式空气循环冷却技术与升压式的流程相反 涡轮膨胀作功驱动的压气机不是用来升高涡轮进口空气压力 而是用于降低涡轮出口空气压力 同样可增大涡轮的膨胀比 提高制冷能力 此技术主要应用于飞机外挂的导弹和电子设备吊舱的冷却 简单 升压式冷却系统 1960年代出现了三轮式空气循环冷却技术 又称简单 升压式 它利用空气在涡轮中膨胀作功驱动同轴压气机与风扇进行制冷 由气源来的高温高压空气在初级热交换器中预冷后进入压气机升压 升温 再经次级热交换器冷却后进入涡轮膨胀作功 并进一步降温 最后供座舱或电子设备舱使用 它综合了简单式和升压式的优点 所需的供气压力低 功率小 涡轮功率大部分为压气机吸收 充分利用能量 解决地面停机状态下的座舱制冷问题 三轮式空气循环冷却技术多用于大型民用飞机 如 A 300 DC 10等 开式空气冷却系统除湿 1960年代出现了低压除水空气循环冷却技术 利用在涡轮冷却器出口 低压处 安装一个水分离器的方法进行除水 低压除水空气循环冷却系统结构简单 重量轻 价格便宜 在1970年代飞机上广泛采用这种技术 低压除水技术的效率低 降低了制冷能力 被1970年代发展起来的高压除水技术取代 高压除水就是指除水发生在涡轮进口的高压处 气源的高温高压空气经过初级热交换器预冷后 经压气机压缩 进入次级热交换器降温 再流入冷凝器热边 利用涡轮出口的冷空气再次降温 闭式空气循环冷却系统 闭式空气循环冷却技术与开式非常相似 可分为发动机高温高压引气驱动的三轮动力涡轮 电机驱动和发动机齿轮箱驱动等 发动机高压引气驱动的三轮动力涡轮的闭式循环较其它两种驱动形式在设计上对飞机性能代偿损失最大 但它的重量轻 结构简单 尺寸小 可靠性高 核心部件是动力涡轮 压气机 制冷涡轮的三轮装置 改变动力涡轮的喷嘴开度或使用进口压力调节器都可以方便地调节制冷量 F 22战斗机的空调系统 空调系统为开式空气 闭式蒸发循环混合冷却技术 整个环境控制系统的制冷能力可达60kW 1 空气循环利用了高压和低压两级分水的两轮升压开式空气循环冷却技术 次级换热器用冷却液作为热沉 2 蒸发循环利用两级蒸汽压缩技术 制冷剂的冷凝器是用第一个回路中的冷却液作热沉 制冷剂在蒸发器中吸收电子雷达设备冷却液循环中的冷却液的热量 3 冷却液作为载冷体分为两路独立循环 一路作为次级热交换器和制冷剂冷凝器的热沉 另一路冷却雷达电子设备 4 燃油循环中燃油作为热沉吸收冷却液 液压油和发动机润滑油的热量后 一部分去发动机 另一部分经冲压空气散热后回到油箱 空天飞行器的空调系统 超高速 Ma 5 飞行技术将深刻影响未来战争 战场空间更加广阔 超高速侦察机对几百公里或上千公里外的目标实施侦察 最多只需10多分钟 超高速轰炸机可在短时间内实施大范围轰炸 超高速导弹能对敌较远纵深内的加固或地下目标实施精确打击 空天飞机既能作为航空兵参加空地联合作战 又能加入天军行列 征战太空 突防能力更加强大 超高速飞行器的飞行速度将使得防空系统的拦截概率因反应时间太短而大幅度下降 具有较高的突防成功率 因而可有效地制约预警和武器系统整体功能的发挥 当巡航导弹以Ma 4的速度在24km以上的高空高速飞行时 俄罗斯最先进的SA 10和SA 12防空导弹的拦截概率为0 3 当速度升至Ma 6时 拦截概率只有0 01 精确作战效能更高 超高速动能武器不仅通过热辐射和冲击波造成毁伤 而且依靠直接命中来破坏目标的内部结构 精确打击时附带的损伤比常规精确制导武器要小得多 超高速炮弹只有1 5kg就能使一座桥梁解体 国外的空天飞行器研究计划 目前在高超声速飞行器方面的研究主要有美国的Hyper X计划 法国PREPHA计划 德国的高超声速导弹计划 简称HFK技术计划 俄罗斯高超声速技术飞行试验计划 冷 计划 鹰 计划 彩虹 D2 2 和 鹰 31 31 等4个飞行试验计划 日本的高超声速运输机研究计划 印度的先进吸气式跨大气层研究 AVATAR计划 等 美国波音公司的X 43A 美国波音公司发展的超高速飞行器X 43A 飞行速度约10倍音速 到目前已经做过了7次试验 每次试验都是10秒左右的短时间飞行 其主要目的是验证超燃发动机 短时高速飞行由于飞行加热时间很短 飞行器体表的总加热量较小 X 43A的鼻锥使用了钨合金材料 机身大量采用碳 碳复合材料 使用低温氢燃料冷却飞行器体表 在2004年11月16日X 43AMa 9 8的自由飞行中 这次飞行更高的速度产生的气流滞止温度大约为3038 飞行器鼻锥表面温度达到1982 加热速率提高到了2004年3月27日的飞行的2倍 那次飞行机翼前缘产生了1427 的最高温度 美国波音公司的X 43A 美国的常规弹头洲际导弹计划 2006年5月29日 纽约时报 披露 美军为了对全球敌手实施先发制人打击 五角大楼正在敦促国会批准部署一种新型非核洲际弹道导弹 以便在发现敌方目标一个小时之内实施快