民機(jī)地面氣源的需求設(shè)計

王旭陽

【摘 要】本文介紹了民機(jī)地面氣源的設(shè)計依據(jù)和需求確定方法，并基于440 座機(jī)典型寬體飛機(jī)進(jìn)行了地面氣源的需求設(shè)計，與市面上已商業(yè)運(yùn)營的相似飛機(jī)進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明本文介紹的設(shè)計方法在工程上是可執(zhí)行的，也是可靠的。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；地面氣源

中圖分類號： V267；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.010

【Abstract】Design method is introduced to define the ground pneumatic power requirement for civil aircraft. And this method is applied to classic wide body civil aircraft with 440 passengers. Result are compared with the similar commercial aircraft in the market. The comparison shows that the introduced design method is engineering executable and reliable.

【Key words】Civil Aircraft； Ground Pneumatic

0 引言

地面長時間停機(jī)維護(hù)，或者侯機(jī)階段，需要維持民機(jī)艙內(nèi)的溫度在舒適范圍內(nèi)，以保障長時間機(jī)上工作或者等候登機(jī)階段艙內(nèi)人員的熱舒適性。

采用機(jī)上氣源，如發(fā)動機(jī)引氣或者輔助動力裝置（APU）引氣，將帶來極大的地面能源消耗，而且在廊橋附近啟動發(fā)動機(jī)或者輔助動力裝置，對機(jī)場穿行車輛和人員帶來安全隱患。因此一般民用飛機(jī)均采用地面氣源為座艙供氣。

在民機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須明確給出地面氣源的匹配需求，以方便航空公司在運(yùn)營相關(guān)機(jī)型時，配備供氣能力足夠的地面氣源。

1 地面氣源需求的設(shè)計方法

地面氣源裝置（如地面空調(diào)車）通過地面低壓接頭與飛機(jī)混合腔連接，混合腔出口為遍布飛機(jī)的送風(fēng)管網(wǎng)。地面氣源裝置連接地面低壓接頭后，可為座艙提供特定溫度和特定流量的空氣，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度控制。

一般寬體飛機(jī)地面接頭有兩個，業(yè)內(nèi)大多參考MS33562D標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，接口內(nèi)徑為8inch（20.32cm）。典型的民用飛機(jī)地面氣源供氣示意圖如圖1所示。

1.1 地面氣源供氣量的限制

根據(jù)寬體客機(jī)典型三艙布局，一般將客艙分為7 個溫控區(qū)域：頭等艙（1個）、商務(wù)艙（2個）、經(jīng)濟(jì)艙（4個）。一般一個溫控區(qū)域配備左右各一根送風(fēng)主管，故寬體飛機(jī)粗略估計為14 根送風(fēng)主管。

按照工程經(jīng)驗(yàn)，寬體飛機(jī)地板以下主送風(fēng)管路的管徑為6inch（15.24cm）。且為抑制管路噪聲，主管路內(nèi)的空氣流速不超過15m/s[1]。因此客艙內(nèi)的總送風(fēng)體積流量不超過Vmax=3.831m3/s。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和24℃溫度工況下，空氣密度為1.18kg/m3。故客艙的總送風(fēng)體積流量不超過Qmax=4.52kg/s。

1.2 地面氣源供氣需求的設(shè)計方法

地面氣源的供氣需求，包括供氣溫度與供氣流量，是隨著外界環(huán)境溫度、艙內(nèi)熱載荷情況而變化的。必須由飛機(jī)制造商給出兩者的匹配關(guān)系，作為航空公司進(jìn)行機(jī)型運(yùn)營時的操作輸入。

地面氣源提供的制冷或制熱量，應(yīng)滿足艙內(nèi)的溫控場景需求。一般需考慮如下應(yīng)用場景：

a）地面冷熱天，基于座艙溫度控制的穩(wěn)態(tài)工況；

b）地面冷熱天，基于座艙快速加溫和快速冷卻的瞬態(tài)工況；

地面氣源供氣時，座艙的一維熱平衡計算方法如下式所示：

Σφi為其他艙內(nèi)熱載荷，包括：通過透明介質(zhì)（舷窗）進(jìn)入艙內(nèi)的太陽輻射量；個人娛樂設(shè)施以及燈光等引起的發(fā)熱量；座艙內(nèi)外溫差的驅(qū)動下通過機(jī)體結(jié)構(gòu)傳到的熱量；再循環(huán)開啟后，再循環(huán)風(fēng)扇帶來的熱載荷；乘客在艙內(nèi)活動時的生理發(fā)熱量；

Vcabin為座艙容積；

ρ為座艙內(nèi)空氣密度；

Cp為空氣比熱容，一般取1005J/（kg·K）；

hA為艙內(nèi)內(nèi)飾（座椅）與空氣的總換熱系數(shù)，w/℃；

Mseat Cv seat，為艙內(nèi)內(nèi)飾（座椅）的總熱容，w/℃；

Tseat為艙內(nèi)內(nèi)飾（座椅）的平均溫度，℃；

各熱載荷的計算應(yīng)依據(jù)實(shí)際機(jī)型開展，本文不做討論。

對于穩(wěn)態(tài)工況，不用考慮內(nèi)飾熱容對座艙的影響，即（2）式為零。

對于瞬態(tài)工況，則必須考慮快速加溫或者快速冷卻過程中，內(nèi)飾（座椅）熱容對座艙溫度的影響。

2 典型440座級寬體客機(jī)的地面氣源設(shè)計需求設(shè)計

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下的地面氣源設(shè)計需求算例

依據(jù)上文給出的設(shè)計方法，對典型440座機(jī)寬體客機(jī)的地面氣源供氣需求進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖2 所示：

其中各曲線的工況定義為：

C1—OAT ISA+30℃，446乘客和機(jī)組，個人娛樂設(shè)備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

C2—OAT ISA+23℃，446乘客和機(jī)組，個人娛樂設(shè)備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

C3—OAT ISA℃，446乘客和機(jī)組，個人娛樂設(shè)備開啟，燈光開啟，考慮太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

C'1—與C1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

C'2—與C2同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

C'3—與C3同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H1—OAT ISA-38℃， 機(jī)上無人，個人娛樂設(shè)備關(guān)閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

H2—OAT ISA-49℃，機(jī)上無人，個人娛樂設(shè)備關(guān)閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

H3—OAT ISA-55℃，機(jī)上無人，個人娛樂設(shè)備關(guān)閉，燈光開啟，無太陽輻射，再循環(huán)風(fēng)扇開啟；

H'1—與H1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H'2—與H2同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

H'3—與H3同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

2.2 瞬態(tài)工況下的地面氣源設(shè)計需求算例

依據(jù)上文給出的設(shè)計方法，對典型440 座機(jī)寬體客機(jī)的地面氣源供氣需求進(jìn)行設(shè)計，快速加溫的設(shè)計結(jié)果如圖3 所示：

其中各曲線的工況定義為：

U1—OAT ISA-45℃，地面氣源供氣溫度70℃。

U'1—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

U2—OAT ISA-38℃，地面氣源供氣溫度70℃。

U'2—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

座艙快速加溫的設(shè)計計算結(jié)果如圖4 所示：

其中各曲線的工況定義為：

D1—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度2℃。

D'1—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

D2—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度-10℃。

D'2—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

D3—OAT ISA+23℃，地面氣源供氣溫度-20℃。

D'3—與U1同工況，為A350的數(shù)據(jù)；

結(jié)合圖1、圖2、圖3，本文計算的結(jié)果與等座級的A350 數(shù)據(jù)對比表明：

a）在相同工況下，兩者的趨勢一致；

b）相同供氣流量下，兩者的需求供氣溫度或時間有所差異，該差異是由于A350的熱載荷計算輸入與本文算例假設(shè)值不一致造成；

c）但有理由認(rèn)為計算偏差在可接受的范圍內(nèi)，本文推薦的設(shè)計方法在工程上是可實(shí)施

和可信的。

3 總結(jié)

本文給出了民用飛機(jī)地面氣源的需求確定方法，并以典型440座級為例進(jìn)行了需求設(shè)計。設(shè)計結(jié)果與相同座級的A350的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明，本文介紹的民用飛機(jī)地面氣源需求設(shè)計方法在工程上是可實(shí)施、可信任的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Air Conditioning Systems for Subsonic Airplanes. SAE ARP85F. 2012.