民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

肖曉勁 林石泉 袁建新 吳成云

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為民用飛機(jī)提供健康、安全和舒適的艙室環(huán)境，本文介紹了機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析方法，對民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和需求分析過程進(jìn)行了初步研究。

空調(diào)系統(tǒng)是民用飛機(jī)的一個(gè)重要機(jī)載系統(tǒng)，其主要作用是為機(jī)上成員提供健康、安全和舒適的環(huán)境，并滿足機(jī)載設(shè)備對工作環(huán)境溫度的要求?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由飛機(jī)對空調(diào)系統(tǒng)的需求決定。在民用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)和規(guī)劃論證階段，只有正確實(shí)施空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析，才能將飛機(jī)的需求完整傳遞給空調(diào)系統(tǒng)，從而為空調(diào)系統(tǒng)方案的確定、研發(fā)和驗(yàn)證打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)需求分析概述

設(shè)計(jì)需求分析的概念起源于系統(tǒng)工程。隨著對其關(guān)鍵地位與作用的認(rèn)識(shí)日趨深入，設(shè)計(jì)需求分析的概念目前已經(jīng)在科技創(chuàng)新、產(chǎn)品型號(hào)設(shè)計(jì)、行業(yè)發(fā)展規(guī)劃、體系建設(shè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。民用飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的復(fù)雜性要求采用系統(tǒng)工程的概念來確保獲得可生產(chǎn)、可使用和有保障的機(jī)載系統(tǒng)，并滿足功能的要求。

目前，設(shè)計(jì)需求分析過程無權(quán)威和統(tǒng)一的方法，較為常見的方法有：預(yù)測分析法、運(yùn)籌分析法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)法、評(píng)價(jià)分析法、邏輯分析法、層次分析法、費(fèi)用獨(dú)立變量法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、質(zhì)量功能配置法和系統(tǒng)分析法等。綜合各種方法在適用性、直觀性、受主觀影響程度、對早期信息的依賴性、對先前經(jīng)驗(yàn)的依賴性、時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)型、可靠性和運(yùn)用難度等方面的優(yōu)劣，民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)需求分析宜采用系統(tǒng)分析法。

按照系統(tǒng)分析方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析的基本步驟如下：

（1）需求的捕獲。需求捕獲是收集、獲取、發(fā)掘客戶需求的過程，是需求工程的核心，也是民用飛機(jī)型號(hào)研制過程中最困難、最關(guān)鍵、最容易出錯(cuò)的環(huán)節(jié)。

（2）需求的識(shí)別。需求識(shí)別是理解和正確表達(dá)客戶需求的過程。將捕獲的需求加以仔細(xì)甄別，忽略與型號(hào)研制無直接關(guān)系的需求，提取出客戶關(guān)于型號(hào)研制的真實(shí)要求，并完成客戶確認(rèn)過程。

（3）需求的定義與歸類。需求定義是將識(shí)別出與型號(hào)研制直接相關(guān)的需求以書面、工程化的語言固定下來的過程。需求有多種類別，將需求劃定為不同的類別，以便型號(hào)研制的不同階段、不同專業(yè)使用。

（4）功能分解。功能是指由某項(xiàng)系統(tǒng)組成要素完成的某項(xiàng)特性活動(dòng)。功能分解就是要從明確頂層功能（飛機(jī)級(jí)功能）開始，最終把這些功能分配到系統(tǒng)組成要素上去。系統(tǒng)組成要素則是指硬件、軟件、設(shè)施、人員、程序性資料或其任意組合。在考慮通用化、系列化、模塊化的基礎(chǔ)上，民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)功能分解工作的重要內(nèi)容是在給定的任務(wù)目標(biāo)（需求和功能要求）和約束條件（標(biāo)準(zhǔn)限值）下，確定空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)要求，構(gòu)造空調(diào)系統(tǒng)方案，并以可承受的費(fèi)用滿足進(jìn)度要求。

民用飛機(jī)與系統(tǒng)功能的分解與傳遞

功能分解與傳遞以一種自上而下的方法進(jìn)行，把飛機(jī)分解成一個(gè)個(gè)功能區(qū)，每個(gè)區(qū)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)基本功能分配給它的那部分功能，確定功能區(qū)之間的界面和接口，這些功能區(qū)和接口集中起來構(gòu)成該層次系統(tǒng)的完整描述。一個(gè)層次上的各個(gè)功能區(qū)可以再分解為更低層次功能區(qū)，功能分解一直進(jìn)行到最低層次。功能分解產(chǎn)生的各級(jí)技術(shù)要求隨之傳遞給下一層次。

空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足飛機(jī)對空氣環(huán)境的需求和功能要求?；谙到y(tǒng)分析的理念，通過民用飛機(jī)設(shè)計(jì)需求分析，可將飛機(jī)級(jí)功能逐步分解，例如可分為基礎(chǔ)功能、功能和子功能等3 個(gè)層級(jí)。功能分解沒有統(tǒng)一的方法，但應(yīng)滿足如下原則（這些原則也同樣適用于系統(tǒng)級(jí)功能的進(jìn)一步分解）：

（1）確保功能完整性；

（2）盡量減少功能層級(jí)；

（3）盡量減少功能的重疊和交叉。

通常，空調(diào)系統(tǒng)直接服務(wù)于“控制飛機(jī)座艙內(nèi)部環(huán)境”的飛機(jī)級(jí)功能，由此派生出實(shí)現(xiàn)座艙壓力調(diào)節(jié)、座艙溫度控制、座艙通風(fēng)和空氣品質(zhì)控制等4 項(xiàng)飛機(jī)級(jí)子功能。這些飛機(jī)級(jí)功能要求傳遞給空調(diào)系統(tǒng)，使空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下主要的系統(tǒng)級(jí)功能：

（1）座艙增壓及壓力控制：為座艙增壓區(qū)域提供充足的增壓空氣，保持合理的座艙壓力，在最大使用高度范圍內(nèi)可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)座艙壓力及座艙壓力變化率；

③對于那些建成在年以下的建筑區(qū)域，其負(fù)荷在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生太大的變化，也可以參照5年以上的建筑區(qū)域進(jìn)行電力負(fù)荷的預(yù)測。對工業(yè)負(fù)荷的預(yù)測需要注意的是，工業(yè)負(fù)荷的預(yù)測應(yīng)根據(jù)該城市截止到預(yù)測年份的工業(yè)規(guī)劃來進(jìn)行，要充分結(jié)合城市中的工業(yè)規(guī)劃分布。如果在未來幾年城市的工業(yè)沒有明顯的增加，那么，就可以采用工業(yè)用電用戶上報(bào)的裝容量數(shù)據(jù)對工業(yè)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。

（2）提供新鮮空氣，控制污染物濃度：為乘員提供充足的、無污染的新鮮空氣；

（3）座艙通風(fēng)：為乘員提供舒適的溫度環(huán)境，為機(jī)載設(shè)備提供合適的工作溫度；

（4）座艙空氣再循環(huán)：利用循環(huán)空氣，最大限度減少發(fā)動(dòng)機(jī)引氣代償損失；

（5）座艙溫度控制：保證正常運(yùn)行時(shí)的座艙環(huán)境空氣溫度的設(shè)定和實(shí)現(xiàn)，在冷天或熱天環(huán)境下快速實(shí)現(xiàn)座艙升溫或冷卻；

（6）應(yīng)急操作：具有在應(yīng)急狀態(tài)（例如座艙產(chǎn)生煙霧）下保護(hù)乘員安全的應(yīng)急工作方法；

（7）提供系統(tǒng)工作信息：通過信號(hào)指示、控制面板及告警燈等，向機(jī)組人員提供系統(tǒng)的工作狀態(tài)和告警信息等。

空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)需求的類別

安全性要求

由于涉及飛行和旅客安全，因此空調(diào)系統(tǒng)的安全性需求是由飛機(jī)強(qiáng)制決定的，主要包括：維持座艙增壓、座艙溫度控制和座艙通風(fēng)。適航規(guī)章及相關(guān)文件對安全性要求進(jìn)行了明確規(guī)定，詳見運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25.831、25.832、25.841 和25.843 條 款 及 咨 詢 通 告AC25-20。但由于適航規(guī)章僅規(guī)定了航空產(chǎn)品的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，若要使民用飛機(jī)產(chǎn)品具有較強(qiáng)的綜合市場競爭力，滿足更高的安全性要求是途徑之一。例如，Boeing 公司針對200～250 座的客機(jī)市場推出了全新理念的“夢幻飛機(jī)”Boeing-787 將座艙壓力高度限制在6000ft 以下，從而可以營造比大多數(shù)客機(jī)更為舒適的座艙壓力環(huán)境，這也成為其主要賣點(diǎn)之一。

客戶需求

客戶通常要求系統(tǒng)采用高度成熟的產(chǎn)品，盡量提高經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性，降低使用成本。另外，客戶基于商業(yè)運(yùn)營的特定需要，往往對飛機(jī)功能和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)提出一些定制需求，例如貨艙運(yùn)載活物、飛機(jī)滿足高原起降要求等。

運(yùn)行需求

空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)滿足飛行機(jī)組在各種使用和操控要求，其控制面板和監(jiān)視器應(yīng)與系統(tǒng)的各項(xiàng)功能相適應(yīng)，滿足系統(tǒng)功能關(guān)斷、調(diào)節(jié)、協(xié)同或獨(dú)立工作等要求。另外，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有機(jī)上自檢、顯示和監(jiān)控功能，用以檢查系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、表明其功能實(shí)現(xiàn)程度和系統(tǒng)狀態(tài)、判斷可能的故障原因。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮未來可能發(fā)生故障的情況，在設(shè)計(jì)允許的條件下增設(shè)防錯(cuò)或故障隔離裝置，并為運(yùn)行和維護(hù)人員提供方法判別其故障并進(jìn)行維修。

性能需求

根據(jù)上文所述飛機(jī)傳遞給空調(diào)系統(tǒng)的4 項(xiàng)子功能要求，空調(diào)系統(tǒng)的主要性能需求可按3 個(gè)層級(jí)劃分，如圖1 所示。

物理安裝需求

物理和安裝需求將空調(diào)系統(tǒng)物理屬性與飛機(jī)環(huán)境聯(lián)系起來，包括：尺寸、安裝規(guī)定、動(dòng)力、冷卻、環(huán)境約束、可視程度、可達(dá)性、判斷、處理和儲(chǔ)存等多種要素。

可維護(hù)性需求

圖1 空調(diào)系統(tǒng)性能需求示意

民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)及其設(shè)備必須具有良好的可維護(hù)性。系統(tǒng)設(shè)備盡量設(shè)計(jì)成航線可更換單元（LRU）形式，以便于維修更換，提高航班的簽派率。同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的自檢和信息反饋措施，以方便維護(hù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)和排故。

接口需求

空調(diào)系統(tǒng)的正常工作需要與之相交聯(lián)系統(tǒng)的配合。系統(tǒng)之間應(yīng)有完整可靠的接口定義，以劃分出設(shè)計(jì)界面，同時(shí)有利于飛機(jī)級(jí)功能的分配。這些接口信息應(yīng)能被飛行機(jī)組監(jiān)控。

附加審定需求

適航規(guī)章和AC 除對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的強(qiáng)制要求之外，還規(guī)定了一些空調(diào)系統(tǒng)表明適航符合性的程序、方法和工具，主要文件包括AP-21-03《航空器型號(hào)合格審定程序》、AP-21-05《民用航空產(chǎn)品和零部件適航證件的頒發(fā)和管理程序》、AP-21-06《民用航空材料、零部件和機(jī)載設(shè)備的合格審定程序》、AC25-20《Pressurization，Ventilation and Oxygen Systems Assessment for Subsonic Flight including High Altitude Operation》、AC25-22《Certification of Transport Airplane Mechanical Systems》和AC25.1309-1A《系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析》等。

衍生需求

為了滿足空調(diào)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)研發(fā)活動(dòng)進(jìn)行的一些決策和產(chǎn)生的結(jié)果會(huì)成為下一階段設(shè)計(jì)研發(fā)工作的需求，即衍生需求。由于衍生需求來自于設(shè)計(jì)研發(fā)活動(dòng)本身，因此空調(diào)系統(tǒng)衍生需求與特定型號(hào)的研制過程有關(guān)，并無統(tǒng)一模式。

結(jié)語

本文對民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和需求分析過程進(jìn)行了研究，初步梳理出空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。