8第八章 飞机空调系统

#从左图的飞行剖面曲线可以看出，在从起飞、爬高、巡航到着陆的整个飞行过程，飞行高度和座舱高度（座舱压力）相对于时间的关系规律，飞行高度用虚线表示，座舱高度用实线表示。应当注意座舱高度与座舱压力的关系，座舱高度较高意味着座舱压力相对较低。在正常工作情况下，巡航时座舱压力与飞机所在高度处的外界大气压力之差约为7.8psi。在飞机上升和下降期间，座舱压力的变化与飞行高度上升和下降成比例变化。右图是飞机所在飞行高度外界空气的绝对压力与高度的关系曲线。由曲线可以看出，随飞行高度的增大，大气压力减小，即飞机上升时其环境压力下降。飞机在30,000ft飞行高度巡航时，外界大气压力是4.36psi,余压为7.8psi，因此，这时座舱内的空气压力为4.36+7.8=12.16（psi）,这相当于座舱高度5,150ft。二、座舱压力控制系统的类型目前，旅客机座舱压力控制系统有多种类型，按照系统的控制部件（压力控制器）与执行部件（排气活门）的工作原理，主要可分成下列几类：气动式，如运七飞机的座舱增压系统；电控气动式，如波音-707和BAe-146飞机；微机电动式，如波音-737、757、767和A-310等飞机的座舱增压系统。这里就如何实现前述的压力制度简要介绍气动式压力控制装置和微机控制的电动式座舱增压装置。（一）气动式座舱压力控制系统1、气动式座舱压力调节装置的基本结构图8-14为气动式座舱压力调节装置的结构原理，它包括压力调节盒（控制机构）和排气活门（执行机构）两个基本部分。压力调节盒是一个密封盒，盒内有绝对压力调节机构和余压调节机构。绝对压力调节机构由活门1、弹簧1和真空膜盒组成；余压调节机构由活门2、弹簧2和压差膜盒组成。压力调节盒上有与座舱空气Pc连通的小孔，称为定径孔，还有通大气的管路。排气活门是由压力调节盒控制工作的，它由膜片1、膜片2、弹簧3和活门3组成。膜片1上腔与调节盒A腔相通，下腔则与座舱空气连通，经过放气活门可将座舱空气排放到座舱外面去。图8-14气动式座舱压力调节装置原理图2、气动式座舱压力调节装置的工作原理系统工作时，通过定径孔压力调节盒A腔内为座舱空气压力，同时A腔内的空气可经活门1或2排入大气，这两个活门的开度控制排气量的大小，即控制A腔压力的大小。当飞机起飞及飞行高度变化时，绝对压力调节机构和余压调节机构相继工作，使调节盒A腔内的压力按一定规律变化，从而实现前述压力制度中acde曲线的变化，各区段工作原理如下：（1）自由通风区在到达调定的起始增压高度之前，余压机构的活门2处在关闭位置，余压控制机构不起作用，而绝对压力调节机构的活门1在真空膜盒收缩的带动下处于全开位，这样座舱空气通过定径孔进入调节盒后可以无阻碍地通过活门1进入大气，所以调节盒内不增压，即处于自由通风状态。在这种情况下，由于存在有空气流动的阻力，实际的座舱压力（等于A腔压力）比外界大气压力高4〜5mmHg。（2）等绝对压力调节区随着飞行高度的增加，当到达起始增压高度后，绝对压力调节机构的真空膜盒由于压力调节盒内压力的逐渐降低而慢慢膨胀，使活门1临近关闭，这时A腔压力与起始增压高度上的压力一样。实际上，因为空调组件仍在不断地向座舱供气，所以活门1在一定时间内会保留一个小的开度以起节流作用，不过此开度也随飞行增加而逐渐减小，节流作用逐渐加大，因此调节盒内余压增大，此时，活门2仍不参加工作。这便是等绝对压力调节区cd段的工作情况。（3）等余压调节当飞行高度继续升高，在座舱余压达到预定值的高度之后，活门1关死，余压调节机构开始工作。因为压差膜盒内腔通大气，外腔为压力调节盒的压力P，在两者形成的a压差作用下（高度增加，压差增大），压差膜盒使活门2左移而打开，保持调节盒内的压力P与外界大气压力Ph之差值不变，这即是等余压调节。与此同时，由于调节盒A腔的ah绝对压力随飞机爬高而下降，绝对压力调节机构便使活门1关闭而退出工作。在上述几种情况下，排气活门的工作都是受调节盒控制的，膜片1的上腔（B腔）通调节盒A腔，下腔通座舱。由于活门3的重量和弹簧3的张力都很小，而薄膜1面积大，所以只要座舱压力稍微超过调节盒的压力，就可将排气活门3打开，使座舱空气排出。由此可见，排气活门机构可以使座舱压力近似地等于调节盒A腔的压力。这样，当飞行高度变化时，座舱压力就能跟随调节盒内的压力按相同的规律变化。所以，对气动式座舱增压系统而言，飞机座舱压力的调节规律，实际上就是压力调节盒内压力的调节规律。（4）座舱压力变化率的控制座舱供气量的变化将引起座舱压力变化率的变化。同时，飞机飞行状态的变化也将引起座舱压力变化速率的改变，如dp/dt随垂直升降速度v的变化而变化；此外，飞机cy在地面滑跑起飞时，由于飞机姿态的改变，排气活门出口反压的变化，也会引起座舱压力的波动。如何控制dp/dt值呢？我们知道，座舱压力是按调节器A腔的压力控制的，排气活C门只是它的一个随动执行机构，所以与上述压力大小的调节原理类似，只要限制A腔的压力变化率dp/dt就可以限制座舱压力变化率dp/dt。（二）微机电动式座舱压力控制系统这种座舱压力控制系统采用微处理机作为控制部件，它能根据预先调定的座舱参数与实际的飞行状态及外界环境参数，为系统提供自动和非自动增压程序；系统的执行部分是由电动马达驱动的排气活门，它接收控制指令，以实现座舱压力制度。现以波音-737飞机的增压系统为例介绍如下。1、组成和功能飞机的座舱增压系统分为正常压力控制和非正常压力控制两大部分。正常压力控制具有四种工作模式：自动模式、备用模式、人工交流模式和人工直流模式。正常工作为自动模式，备用模式为半自动，作为自动模式的备份，两个人工模式分别通过独立的电马达直接控制排气活门，作为自动与备用模式的备份。所有工作模式都通过调节排气活门的位置，保持座舱压力为要求值。正常飞行时，飞机到达巡航高度保持座舱余压Ap为7.8psi。C非正常情况下的压力控制由外释活门（即安全活门）、内释压活门（负压活门）作为执行元件。外释压活门为气动式，用来防止座舱余压Ap〉8.5psi,内释压活门用来防止C座舱内负余压超过1psi。此外，当座舱高度h超过10,000ft时，由座舱高度警告系统C发出座舱高度警告信号。前后排气活门的构造相同，它们是一种由一个交流马达和一个直流马达分别带动的活门机构。在自动与人工交流工作模式操纵交流马达，而在备用及人工直流工作模式操纵直流马达。任一马达工作时，另一马达的离合器脱开。在工作过程中，后排气活门经常处于调节状态，用以调节座舱内的空气压力，当它在全开位置时，可以回收一部分推力，但飞机在巡航时，活门开度很小，这样可以满足发动机经济性的要求。前排气活门辅助后排气活门工作，它接收后排气活门的控制信号，当后排气活门距全关位0.5度时，前排气活门关闭；当后排气活门从关位打开到大于4.5度时，前排气活门打开。2、自动工作模式时的压力制度和工作程序（1）自动工作模式时的压力制度图8-13给出的是最基本的压力制度，实际上，工作模式不同时，压力制度也不同。图8-15给出了波音-737飞机座舱增压系统自动工作模式时的压力制度。自动工作模式是正常情况下的工作模式，只要驾驶员在压力控制面板上通过“着陆高度”旋钮选定着陆机场的高度（相应的着陆高度值显示在数字显示器上），通过“飞行高度”旋钮选定飞机的巡航高度（巡航高度值显示在数字显示器上），则压力控制器内的微机将计算出一个自动增压程序，其输出信号用于操纵排气活门的交流马达工作。起飞和着陆信号是由起落架的“空中/地面”感应电门自动给出的。图8-15典型的自动方式座舱增压压力制度由图可见，在飞机起飞离地前，其座舱高度大约低于跑道场压O.lpsi(189ft)。这种在起飞前(还包括着陆后)使座舱压力比机场场压还高的增压方式叫做座舱预增压。随后，飞机开始爬升程序，根据压力控制器计算出的座舱压力指令工作，随着飞行高度增加，座舱高度增加，座舱压力减小。为什么要对飞机进行预增压呢？其主要目的是为了防止飞机姿态突然改变时产生座舱压力波动。因为飞机姿态改变时，如飞机起飞由滑跑拉起时，排气活门出口反压也会突然变化，引起排气活门的开度变化，从而导致座舱压力波动；当预增压后，排气活门接近关闭，在起飞抬起前轮时刻，冲压气流不会对排气活门产生影响。所以，波音系列飞机和麦道、空中客车等系列飞机都有预增压功能，使座舱内预先建立微小的余压值。飞机巡航过程中，增压系统进入等压控制阶段。若巡航高度选定值低于或等于28,000ft时，控制最大余压为7.45psi；若选定巡航高度大于28,000ft时，则座舱余压值为7.8psi。飞机从巡航转入下降时，压力控制系统给出下降程序，座舱高度将从等压程序下降到大约比调定的着陆机场场压低300ft的高度。将座舱压力增高一点，也是为了确保进场着陆时排气活门处于关闭状态，从而避免座舱压力出现波动。爬升时，座舱高度上升的最大速率为500ft/min；下降时，座舱高度的最大下降速率为350ft/min。飞机下降时的座舱高度最大变化速率小于上升时的座舱高度最大变化速率，这是符合人体对压力变化快慢的适应性的。自动模式工作程序飞行前，按要求调定着陆机场高度和巡航高度，这时排气活门全开，座舱处于自由通风状态，即为图中压力制度的起始点。滑行时，关闭所有舱门，驾驶员将“空/地”电门放在“空中”位，座舱开始预增压。起飞与爬升阶段，当飞机离地时，起落架“空/地”感应电门转换，使压力控制器转入爬升程序。爬升程序自动控制座舱高度变化率使之与飞机爬升率成比例；当飞机平飞时，座舱高度保持适时值。巡航阶段实行等压程序，当压力控制器感受到外界环境压力与选定的“飞行高度”标准大气压力之差等于或小于0.25psi时，爬升程序结束而自动转换到巡航程序。巡航程序是一种“恒定压力”程序，它是根据座舱压力比选定的巡航高度环境压力大一定值(选定巡航高度低于等于28,000ft时为7.45psi,若选定巡航高度大于28,000ft时为7.8psi),即保持座舱余压不变。在巡航期间，如果实际的飞行高度高于选定的飞行高度，当座舱余压达到7.9psi时，压力控制器将发出信号，使排气活门打开，以保持最大余压不超过7.9psi。当飞机恢复到选定的飞行高度时，控制器将使座舱压力恢复到原来的等压值。下降程序是从压力控制器感受到环境压力超过选定巡航高度标准大气压0.25psi开始，到座舱高度下降到比着陆机场高度低300ft而结束。当飞机着陆接地时，起落架“空/地”感应电门转换，压力控制器输出信号，排气活门具有一定开度，使座舱余压为0.1psi，即座舱高度低于着陆机场场压高度189ft。在飞机滑行到终点时，驾驶员将“空/地”电门扳回至“地面”位，压力控制器使排气活门全开，这时座舱高度等于着陆机场高度。3、安全措施现代民用飞机为保证安全，安装有以下活门：外释压活门(安全活门)：控制最大余压值，释放超出最大余压的压力，如波音-737飞机的余压值为7.8psi，当Ap〉8.5psi时，外释压活门工作；内释压活门(负释压活门)：防止出现过大的负余压，当厶p<-0.1psi时，打开；C压力均衡活门：空调系统对地板下货舱的增压是经过压力均衡活门来进行调节的。所以座舱空调系统必须有下列控制座舱压力的活门：外释压活门、负释压活门、排气活门、压力均衡活门。三、增压系统的维护(一)座舱增压系统工作检查检查系统中有无橡胶元件的腐蚀、金属元件的锈蚀、管道接头、电气接口、传动装置的安全性；对压力调节器进行工作检查；对活门的表面及活门座进行检查，用维护手册规定的方法除去积灰和烟碱焦油，清洗工作完成之后，应擦去所有液体痕迹，用干的软棉布拭擦所有表面，不能用高压气流吹干膜片控制类型的排气活门的支座表面，因为有可能损坏膜片；座舱应进行气密性检查(动压试验)，按照维护手册规定，对座舱进行气密试验；检查座舱的完整性，即检查座舱结构强度，利用静压试验进行检查，给座舱增压到规定值，并保持压力稳定，观察飞机蒙皮外部有无裂纹、变形、凸超，铆钉是否有变形松动等情况。若发现增压舱外表面蒙皮上铆钉周围有明显的沾污，则表明此处有少量漏气。（二）座舱增压故障查找利用故障分析图表进行故障的查找，该图表是在飞机维护手册中给出的一种图表，它给出了常见的可能原因，查找程序和排除方法如下：（1）在表中找出与系统发生实际故障最接近、最类似的故障现象及原因；（2）按表中所列查找程序逐个完成查找程序，直到发现故障为止；（3）按表中所列方法排除故