基于Matlab的駕駛艙門泄壓板評(píng)估和仿真計(jì)算方法

徐 佳，王天斌

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，陜西西安710089)

0 引言

現(xiàn)代民用飛機(jī)通常將艙室劃分為非增壓艙和增壓艙。非增壓艙在整個(gè)飛行過(guò)程中艙內(nèi)壓力與外界壓力相同。增壓艙艙內(nèi)壓力通常高于外界壓力，其內(nèi)外壓差隨飛行高度的增加而增加，在最大飛行高度上達(dá)到壓差峰值。在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，增壓艙有可能因鳥撞或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆裂而出現(xiàn)破孔[1]，而導(dǎo)致增壓艙泄壓。由于駕駛艙面積較小，對(duì)壓力波動(dòng)反應(yīng)迅速，因此駕駛艙出現(xiàn)破孔時(shí)較客艙出現(xiàn)破孔時(shí)對(duì)飛行安全的影響更大。當(dāng)駕駛艙出現(xiàn)面積較大的破孔時(shí)將引起駕駛艙壓力急劇降低，而客艙對(duì)壓力反應(yīng)較駕駛艙滯后，導(dǎo)致駕駛艙和客艙之間的壓差在短時(shí)間內(nèi)急劇增大。當(dāng)達(dá)到駕駛艙門結(jié)構(gòu)承載極限時(shí)，駕駛艙門將遭到破壞，破壞產(chǎn)生的沖擊力和碎片有可能對(duì)飛行機(jī)組人員的生命安全造成威脅。為避免駕駛艙門在高壓差載荷下破裂，可根據(jù)需要在駕駛艙門上選裝泄壓板以在爆炸減壓中對(duì)駕駛艙門結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。然而并非所有的駕駛艙門都需要安裝有泄壓板對(duì)駕駛艙門進(jìn)行防護(hù)。只有當(dāng)駕駛艙和客艙之間的補(bǔ)氣通道不足，在爆炸減壓過(guò)程中，駕駛艙和客艙之間的壓差超過(guò)了駕駛艙門的承壓限值時(shí)，才需要加裝駕駛艙門泄壓板以增大駕駛艙和客艙之間的補(bǔ)氣通道。本文提出一種仿真分析計(jì)算方法，該方法基于全機(jī)泄壓計(jì)算模型，對(duì)駕駛艙門泄壓板設(shè)置的必要性和泄壓板最優(yōu)面積進(jìn)行確定。

1 駕駛艙泄壓計(jì)算模型建立

為進(jìn)行駕駛艙泄壓計(jì)算，首先要建立飛機(jī)增壓艙模型，對(duì)增壓艙進(jìn)行區(qū)域劃分。飛機(jī)增壓艙通常包括有駕駛艙、客艙、設(shè)備艙、貨艙等，在計(jì)算中可將飛機(jī)的增壓艙室劃分為若干個(gè)獨(dú)立的艙室。圖1為某型民用飛機(jī)的增壓艙室劃分。其中A為駕駛艙，B為客艙，C為后貨艙，D為前貨艙，E為前設(shè)備艙，F(xiàn)為后設(shè)備艙，G艙為尾艙。

A-駕駛艙;B-客艙;C-后貨艙；D-前貨艙；E-前設(shè)備艙；F-后設(shè)備艙；G-尾艙。圖1 某型民用飛機(jī)艙室劃分

當(dāng)增壓艙A艙(駕駛艙)出現(xiàn)破孔時(shí)，A艙空氣外泄，導(dǎo)致的A艙壓力急劇下降，其他增壓艙室空氣通過(guò)各艙室間的補(bǔ)氣通道直接或者間接向A艙補(bǔ)氣。由于各艙室容積和艙室間流通面積不同，導(dǎo)致各艙室的壓力下降相較于A艙有一定的滯后，最終造成各艙室的泄壓曲線和各艙室之間的壓差變化曲線不同。在計(jì)算模型中需要明確各艙室的體積以及各艙室之間的流通面積和流通關(guān)系。

2 基本方程建立

根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

(1)

式中 ：P—艙室內(nèi)壓力，V—艙室體積，n—?dú)怏w物質(zhì)的量，T—艙內(nèi)溫度，R—理想氣體常數(shù)。

由于駕駛艙發(fā)生破孔瞬間，從孔口流出的氣體速度非常快，過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間很短，可以將氣流從孔口流出視為一維等熵流動(dòng)，其伯努利方程為：

(2)

假設(shè)艙內(nèi)氣體初速度為零，上述公式變?yōu)椋?/p>

(3)

得到出口速度v2的計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中：Q—兩相鄰艙室之間的補(bǔ)氣量；A—兩相鄰艙室之間的補(bǔ)氣面積；P1—壓力較高的艙室內(nèi)的艙壓；P2—壓力較低的艙室內(nèi)的艙壓；T1—壓力較高的艙室內(nèi)的艙溫；R—?dú)怏w常數(shù)；K—絕熱指數(shù)。

(6)

Pcr稱之為臨界壓力，此時(shí)得到最大質(zhì)量流量為：

(7)

當(dāng)外界環(huán)境壓力P1小于等于臨界壓力Pcr時(shí)，兩艙之間的補(bǔ)氣量將保持Qmax不變。當(dāng)外界環(huán)境壓力P1大于臨界壓力Pcr時(shí)，可按式(5)計(jì)算兩艙之間的補(bǔ)氣量。

3 駕駛艙門泄壓板必要性的評(píng)估

根據(jù)上述基本方程以及整機(jī)模型的劃分，運(yùn)用Matlab軟件建立計(jì)算流程并進(jìn)行初始條件的定義?；贛atlab軟件平臺(tái)的計(jì)算流程如圖2。

圖2 Matlab軟件平臺(tái)的計(jì)算流程圖

計(jì)算初始條件的定義中，駕駛艙破孔面積和破損發(fā)生高度的確定對(duì)計(jì)算結(jié)果起決定性作用。根據(jù)美國(guó)聯(lián)航空管理局在民用飛機(jī)補(bǔ)充型號(hào)合格審定中的常規(guī)做法，當(dāng)駕駛艙主風(fēng)擋面積較根據(jù)FAR25.365(e)條[2]計(jì)算得到的破孔尺寸大時(shí)，F(xiàn)AA認(rèn)為主風(fēng)擋發(fā)生破裂的最大高度不超過(guò)8000ft。而在飛機(jī)最大巡航高度下發(fā)生的破孔，大部分為由于機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞破壞造成的。這種情況下破孔尺寸需根據(jù)FAR25.365(e)條計(jì)算得到。根據(jù)FAA對(duì)野生動(dòng)物撞機(jī)事件的調(diào)查報(bào)告[3]中提到在8000ft高度上造成主風(fēng)擋破裂的最主要原因?yàn)轼B撞事件，F(xiàn)AA咨詢通告AC25-20第8d節(jié)[4]中認(rèn)為在鳥撞情況下主風(fēng)擋完全喪失可能性非常小，建議取主風(fēng)擋喪失75%作為評(píng)估條件。通常主風(fēng)擋破裂邊緣為不規(guī)則型，需要取流量系數(shù)對(duì)破損面積進(jìn)行折算。根據(jù)FAA25-20 中建議流量系數(shù)選取為0.75，實(shí)際計(jì)算中采用的駕駛艙破損面積為實(shí)際破損面積*流量系數(shù)。而計(jì)算中需要輸入的各艙室體積和各艙室之間的流通面積可根據(jù)飛機(jī)模型測(cè)量得到。

在Matlab中運(yùn)行程序可得到各泄壓工況下駕駛艙和客艙的泄壓曲線。如圖3所示為某型號(hào)民機(jī)在8000ft高度由于駕駛艙主風(fēng)擋破裂以及在最大飛行高度25000ft下由于機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞破損時(shí)的駕駛艙和客艙泄壓曲線。

圖3 不同工況下的駕駛艙和客艙壓差曲線

由圖3可知，由于示例飛機(jī)最大飛行高度較低，其駕駛艙和客艙壓差峰值較8000ft高度下主風(fēng)擋破裂小。在決定是否在駕駛艙門上設(shè)置泄壓板時(shí)，可選取兩者中較嚴(yán)酷的壓差峰值，與駕駛艙門結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行比較。當(dāng)壓差峰值超過(guò)駕駛艙門結(jié)構(gòu)壓差承載限值時(shí)，則需在駕駛艙門上加裝泄壓板。

4 駕駛艙門泄壓板面積計(jì)算

圖4 計(jì)算流程圖

當(dāng)計(jì)算表明需在駕駛艙門上加裝泄壓板時(shí)，可采用如圖4所示計(jì)算流程進(jìn)行泄壓板面積的確定。駕駛艙門泄壓板面積確定的原則為既能將駕駛艙和客艙的壓差限制在駕駛艙門最大承壓限值內(nèi)，又要盡可能減少對(duì)駕駛艙門本身的強(qiáng)度削弱影響。計(jì)算開始時(shí)在程序中輸入初始的泄壓板面積和駕駛艙門上最大允許的開口面積，通過(guò)二分查找算法進(jìn)行迭代計(jì)算，最終輸出合適的泄壓板面積。為得到更精確的計(jì)算結(jié)果，對(duì)泄壓板開啟的工作壓差以及泄壓板的響應(yīng)時(shí)間也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行考慮。有效面積相同的泄壓板，開啟的工作壓差越小，響應(yīng)時(shí)間越短，越能在有限時(shí)間內(nèi)降低駕駛艙和客艙兩側(cè)的壓差。最終通過(guò)程序計(jì)算結(jié)果可得到對(duì)駕駛艙門強(qiáng)度削弱影響最小的最優(yōu)泄壓板面積。

需要注意的是，采用上述計(jì)算得到泄壓板面積為有效面積。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于泄壓板多為方形開口，需根據(jù)泄壓板形狀將有效泄壓面積轉(zhuǎn)化為幾何面積進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)座艙泄壓計(jì)算為民用飛機(jī)是否設(shè)置駕駛艙門泄壓板提供了判斷準(zhǔn)則，同時(shí)提出了一種駕駛艙門泄壓板面積評(píng)估和確定的計(jì)算方法，為駕駛艙門泄壓板的尺寸選擇提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。本文中所提出的全機(jī)泄壓計(jì)算模型、計(jì)算方法以及判斷準(zhǔn)則除應(yīng)用于駕駛艙門泄壓板的設(shè)計(jì)外，還適用于民用飛機(jī)增壓艙內(nèi)貨艙泄壓板，貨艙壓力平衡活門等相似作用的釋壓口蓋尺寸設(shè)計(jì)和計(jì)算。