民用飞机技术发展

,民用飞机技术发展,环境控制技术,杨春信教授人机与环境工程系2012年3月26日,BeihangUniversityDept.ofHuman-Machine&EnvironmentEngineering,主要内容,2,环境控制技术产生背景,环境控制技术发展现状,环境控制技术评价方法,环境控制技术发展方向,几个重要问题的讨论,1.1概述1.2控制对象1.3控制系统,3,1.环境控制技术产生背景,4,1.1概述,飞行高度？,珠穆朗玛峰的高度？,A340,莱特兄弟发明飞机,5,大气压力随高度的变化,1.1概述,6,1.1概述,人的生理需求,座舱气密,结构强度,合适的座舱压力,7,1.1概述,高压,低压,压气机,带压气机,利用已有压气机,发动机引气,8,1.1概述,发动机引气,座舱,发动机引气直接供入座舱是否可以？,9,1.1概述,发动机引气,换热器,座舱,制冷包,10,1.2控制对象压力,座舱压力制度示意图,座舱内绝对压力和余压随高度的变化规律,11,1.2控制对象温度,舱内温度：1724直接供气温度：1012温度均匀度：前后5/左右2/上下3加温和制冷能力：起飞15min内达到要求,控制内容,12,降温原理,相变吸热,降温原理,膨胀降温,潜热,显热,1.2控制对象温度,蒸汽循环制冷系统（VCS),空气循环制冷系统（ACS),13,1.2控制对象湿度,飞行时间超过4h的飞机必须具有附加的湿润装置，小于4h的飞机一般无此要求。,高湿度：闷热感/湿冷感低湿度：短时间内不十分明显,14,压力控制,温度控制,湿度控制,制冷,空气循环制冷系统,蒸汽循环制冷系统,座舱增压质量较小可以除湿,1.3控制系统,2.1系统原理2.2系统分类2.3系统特点,15,2.环境控制技术发展现状,16,空气压缩制冷循环工作原理图,p-v图,T-s图,0-1空气在压缩机内等熵压缩（加给循环的功）；1-2空气在换热器1中定压放热（向冷源排出热量）；2-3空气在膨胀机中等熵膨胀（输出功）；3-0空气在换热器2内定压吸热（由热源吸收热量）,2.1系统原理,2.1系统原理,17,From:波音公司,18,2.1系统原理,19,2.2系统分类,20,2.2系统分类功的回收方式,21,2.2系统分类除水方式,22,2.2系统分类引气方式,23,两轮简单式空气循环制冷系统应用机型,24,2.3系统特点,风扇抽吸冷边冲压空气；适合地面停机及低马赫数飞行。,不受供气压力影响；适合高空工作条件。,两轮,三轮,两轮简单式空气循环制冷系统流程图,三轮低压除水空气循环制冷系统应用机型,25,三轮式低压除水空气循环制冷系统流程图,26,2.3系统特点,涡轮同时带动风扇和压气机，可以进一步提高系统效率并改善其动态特性。,冷却涡轮出口和水分离器入口温度必须高于0。,低压除水,高压除水,三轮式高压除水空气循环制冷系统应用机型,27,28,2.3系统特点,水分容易凝出，凝出的水珠颗粒较大；涡轮出口温度可以不受冰点限制。,三轮式高压除水空气循环制冷系统流程图,四轮式高压除水空气循环制冷系统应用机型,29,30,2.3系统特点,冷凝器和涡轮被冻堵的可能都大大减少，代表了国际上先进的环境控制系统。,四轮式高压除水空气循环制冷系统流程图,31,3.环境控制系统评价方法,每个乘客一把扇子,两轮简单式系统,电动环控系统,怎么选择？,选择最好的,3.环境控制系统评价方法,当量质量法起飞总质量法当量阻力法,32,当飞行器装有制冷系统后,为了运输、传动附件、克服气动阻力与完成其他要求，都需要消耗能量，最后一并归结到飞行器上唯一能源燃油消耗上。,环境控制系统具有固定的系统装置质量，可变的消耗性冷却剂制冷，还需要从发动机压气机引气，从发动机轴输出功率，并使飞行器增加阻力等，为了对系统方案进行比较，把这些因素都折算为共同的质量单位。,将环境控制系统所有影响飞行器性能代偿损失的因素都折算为阻力。,33,3.环境控制系统评价方法,协和号ACS,1969年首飞,34,（1）系统固定装置的重量（2）为运输系统固定装置重量所引起的燃油代偿损失（3）为克服冲压空气阻力所引起的燃油代偿损失（4）发动机引气所引起的燃油代偿损失,静止的,让(1)运动起来付出的代价,(1)+(2):即使不用ACS也会付出能量,3.环境控制系统评价方法,(3)+(4):利用ACS付出的代价,起飞总质量法,35,3.环境控制系统评价方法,协和号空调系统各部分占起飞重量增量计算,36,3.环境控制系统评价方法,ACS系统自身重量分别为80kg和120kg，能直接判断哪个性能更优吗？,4.环境控制技术发展方向,37,综合环境控制示例F-22环境控制系统原理图,38,5.几个重要问题的讨论,5.1热舒适5.2节能措施5.3空气品质5.4设计流程,39,5.1热舒适,40,乘员发热量,电子设备发热量,通过飞机结构的热载荷,座舱热载荷,41,5.1热舒适,1个人=100W,100个人=10kW,座舱热载荷：30kW,15kW,15kW,42,两套系统的好处,5.1热舒适,降低系统设计难度,增加可靠性,水引气排气,43,5.2节能措施,5.2节能措施水,44,1kg空气温度升高1吸收热量1.01kJ1kg水温度升高1吸收热量4.2kJ1kg水转变为蒸汽吸收热量2501kJ,汽化潜热大,影响系统性能,危害电子设备,5.2节能措施水,45,水,低压除水,减少制冷量,补偿制冷量需要加压设备,高压除水,无需加压设备,节省能源,46,5.2节能措施引气,高空巡航飞行高度：11000m飞行速度：0.79M环境压力：22.7kPa,单位增压功：90kW,单位增压功：45kW,节能？,双级引气,5.2节能措施排气,47,飞行高度：12000m飞行速度：0.8M,座舱排气,推力,升力,排气速度433m/s,推力16.8kg,升力252kg,5.3空气品质,48,油污废气污染,49,5.3空气品质,