提升民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性技術(shù)研究

張雪蘋

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

0 引 言

民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)（WWS）通過機(jī)載水箱存儲(chǔ)并提供運(yùn)營(yíng)過程中所需的飲用水，以滿足乘客的用水需求?；诂F(xiàn)代民用飛機(jī)綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念和對(duì)經(jīng)濟(jì)性的追求，減重是飛機(jī)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮因素，在WWS的設(shè)計(jì)中，減重設(shè)計(jì)一方面要降低產(chǎn)品重量，另一方面要加強(qiáng)對(duì)航線運(yùn)營(yíng)中載水重量的控制。加水量過大，航線運(yùn)營(yíng)負(fù)重增加，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增加、經(jīng)濟(jì)性降低；加水量過小，系統(tǒng)存水不足，無法滿足機(jī)上乘員的用水需求。

對(duì)于民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)開展過水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、系統(tǒng)控制建模方法及供水管路仿真計(jì)算技術(shù)等方面的研究，關(guān)于供水量的確定及系統(tǒng)減重、提升運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)，尚未對(duì)此展開詳細(xì)研究?；趯?duì)公開文獻(xiàn)的查閱結(jié)果，國(guó)內(nèi)僅《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中籠統(tǒng)地給出了各個(gè)機(jī)型的供水量信息，沒有給出供水量的計(jì)算方法，而且各同類機(jī)型的供水量差別較大；同時(shí)，《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中所提供的供水量數(shù)據(jù)均是基于較老型號(hào)的飛機(jī)，無法代表當(dāng)今先進(jìn)機(jī)型的供水量要求。隨著航空WWS技術(shù)水平的發(fā)展，WWS部件（例如水龍頭出水設(shè)計(jì)、馬桶沖洗設(shè)計(jì)）的設(shè)計(jì)傾向于更加節(jié)水、節(jié)能；目前航線供水量計(jì)算研究未見報(bào)道，國(guó)際上鮮見相關(guān)研究的公開信息。

本文從飛機(jī)級(jí)需求“提供水”出發(fā)，基于航線運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求，對(duì)加水水量確定進(jìn)行研究，給出航線所需水量計(jì)算技術(shù)；同時(shí)，依據(jù)我國(guó)航線飛行時(shí)長(zhǎng)分布特點(diǎn)，提出基于航線實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)間和載客人數(shù)為需求、為系統(tǒng)設(shè)定的分檔加水設(shè)計(jì)技術(shù)，并進(jìn)行功能驗(yàn)證。

1 航線所需水量計(jì)算技術(shù)

1.1 航線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

航線供水與飛機(jī)航程及載客數(shù)量密切相關(guān)，供水量不足，直接影響旅客舒適性；供水量過剩，將增加飛機(jī)的重量，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)，與其供水量直接相關(guān)的用水需求為：馬桶沖洗用水、洗手用水、機(jī)上乘員飲用水。

圍繞這三個(gè)用水需求，本文對(duì)載客約170人、飛行時(shí)長(zhǎng)約5.3 h的航線用水情況展開調(diào)研，經(jīng)過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的篩選、擬合，運(yùn)用分層法和直方圖對(duì)各個(gè)用水需求進(jìn)行整理。

（1）分層法

“馬桶沖洗次數(shù)”為一層；“洗手用水次數(shù)”為一層。

（2）直方圖

分析不同時(shí)間段的“馬桶沖洗次數(shù)”，將5.3 h內(nèi)不同時(shí)間段的沖洗次數(shù)進(jìn)行累計(jì)，共計(jì)239次；分析不同時(shí)間段的“洗手次數(shù)”，將5.3 h內(nèi)不同時(shí)間段的洗手次數(shù)進(jìn)行累計(jì)，共計(jì)279次。

分層法統(tǒng)計(jì)的馬桶沖洗次數(shù)和乘客洗手次數(shù)如圖1～圖2所示。

圖1 分層法統(tǒng)計(jì)馬桶沖洗次數(shù)Fig.1 Delamination method to Count the numbers of toilet Flush

圖2 分層法統(tǒng)計(jì)乘客洗手次數(shù)Fig.2 Delamination method to count the numbers of hand wash for passenger

從圖1～圖2可以看出：在5.3 h內(nèi)，所有乘員均要使用一次馬桶，40%的乘員會(huì)第二次使用馬桶；機(jī)上所有乘員均要洗一次手，65%的乘員會(huì)第二次洗手。

航線機(jī)上乘組實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)：13 h航線；平均載客量280人；人員所需飲用的水量約為170 L（包括白開水、沖泡咖啡和茶），人均飲用水量為0.607 L。

1.2 航線所需最大供水量

基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)研和分析結(jié)果，對(duì)5.3 h飛行時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的供水需求量計(jì)算方法總結(jié)如表1所示。

表1 供水需求量計(jì)算Table 1 Volume calculation of the required potable water

基于表1，可知機(jī)上總的供水需求量。

式中：為沖洗一次馬桶用水量；為洗手一次用水量；為人均飲用水量；為乘客人數(shù)；為機(jī)組人數(shù)。

以某中短程干線飛機(jī)為例：

（1）高密度級(jí)最大機(jī)上人員數(shù)為乘客174人，機(jī)組人員7人；

（2）最大持續(xù)飛行時(shí)長(zhǎng)為5.3 h；

（3）沖洗一次馬桶用水量0.237 L；使用一次水龍頭用水量0.190 L。

中短程干線機(jī)型全航程、機(jī)上滿員時(shí)所需的供水量為

典型的單通道飛機(jī)、高密度級(jí)構(gòu)型下，乘客174名，機(jī)組人員7名，最大持續(xù)飛行時(shí)間5.3 h，所需的供水量要求為173 L。在飛機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，航線所需最大供水量即為水箱設(shè)計(jì)時(shí)的可用容積，考慮到水箱增壓供水時(shí)所需一定的增壓空間及水箱內(nèi)存水發(fā)生凍結(jié)時(shí)體積增加，一般水箱的實(shí)際容積會(huì)比可用容積約大出10%～15%。

將本節(jié)的研究結(jié)果分別應(yīng)用于干線飛機(jī)和寬體飛機(jī)，并分別將其與主流機(jī)型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如表2～表3所示。

表2 干線飛機(jī)計(jì)算模型結(jié)果與主流機(jī)型對(duì)比Table 2 Comparison of the calculation result between the trunk aircraft in this document and others

表3 寬體飛機(jī)計(jì)算模型結(jié)果與主流機(jī)型對(duì)比Table 3 Comparison of the calculation result between the wide-body in this document and that of others

對(duì)于干線飛機(jī)，本文的計(jì)算結(jié)果相對(duì)于B737、A320，人均用水量最大偏差為17.75%（僅極個(gè)別機(jī)型），最小偏差為0.93%，但和大部分機(jī)型結(jié)果相當(dāng)；對(duì)于遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，本文計(jì)算結(jié)果與B787、A350相比，人均用水量略有偏高，但最大偏差僅為5.8%。

通過對(duì)比結(jié)果表明，本文的航線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及計(jì)算方法是有效的，可以用于工程計(jì)算、指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.3 航線所需實(shí)際用水量

依據(jù)2014—2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)國(guó)內(nèi)航班飛行距離主要集中在400～1 800 km范圍內(nèi)，而航程超過3 800 km的航班所占比例較少，各個(gè)飛行航程所占航班比例如圖3所示。

圖3 2014—2015年度我國(guó)航班飛行距離分布［11］Fig.3 The distribution of China flight distance during 2014—2015［11］

某干線飛機(jī)水廢水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)載重占比情況如圖4所示，可以看出：水廢水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)載重包括系統(tǒng)部件及管路重100 kg（占比37%）、沖洗廁所/洗手/乘客飲用等所用水重171.6 kg（占比63%）。

圖4 某干線飛機(jī)水廢水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)載重占比Fig.4 Proportion of operation weight of WWS for the trunk aircraft

綜上所述，如果每次飛行前均按照系統(tǒng)水箱的設(shè)計(jì)容積進(jìn)行加水，將會(huì)造成90%的航線運(yùn)營(yíng)背負(fù)額外載水量；如果能對(duì)63%的飲用水這部分運(yùn)營(yíng)載重占比進(jìn)行精確化處理，將供水量與具體航程結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的加水量，獲得的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益將變得可觀。

2 分段加水水位設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 水位設(shè)計(jì)技術(shù)

基于上述研究結(jié)果及分析，本文提出水廢水系統(tǒng)分段加水水位設(shè)計(jì)技術(shù)，使飲用水系統(tǒng)具備不同檔位的加水功能，其宗旨是在航線運(yùn)營(yíng)中依據(jù)航線的實(shí)際需求，在航前為水箱選擇合適的加水量。

結(jié)合1.2節(jié)研究結(jié)果，該型號(hào)飛機(jī)在高密度級(jí)滿員、最大持續(xù)飛行時(shí)間5.3 h情況下，需173 L水，假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)人均用水量是相同的，可以獲得單位時(shí)間人均用水量為0.18 L，則不同航線的實(shí)際用水量為

式中：為航線實(shí)際用水量；為實(shí)際飛行時(shí)長(zhǎng)。

不同乘員人數(shù)、不同持續(xù)續(xù)航時(shí)間內(nèi)所需的水位信息如圖5所示。

圖5 某型號(hào)飛機(jī)不同時(shí)間段、不同乘員數(shù)時(shí)所需水位信息Fig.5 Information of the required water level if one trunk aircraft in different time，vary passenger numbers

根據(jù)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)復(fù)雜程度及實(shí)際需求，本文提出根據(jù)不同時(shí)間的飛行需求，將所需加水量分為四檔：FILL FULL（加100%）、FILL 3/4（加75%）、FILL 1/2（加50%）、FILL 1/4（加25%）。航線負(fù)責(zé)人或地勤人員可根據(jù)航線實(shí)際需求選擇合適的加水檔位，實(shí)現(xiàn)在滿足系統(tǒng)功能的前提下，最大化地提高系統(tǒng)載水的利用率，根據(jù)單位時(shí)間一般建議按照如下原則進(jìn)行航前加水。

（1）當(dāng)航線所需實(shí)際用水量小于等于43 L時(shí)，選擇25%檔位，即：0.18×（+）×≤43。

（2）當(dāng)航線所需實(shí)際用水量大于43 L、小于等于86 L時(shí)，選擇50%檔位，即：0.18×（+）×≤86。

（3）當(dāng)航線所需實(shí)際用水量大于86 L、小于等于129 L時(shí)，選擇75%檔位，即：0.18×（+）×≤129。

（4）當(dāng)航線所需實(shí)際用水量大于129 L、小于等于171 L時(shí)，選擇100%檔位，即：0.18×（+）×≤171。

2.2 分段加水檔位設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性

2.2.1 典型航線分段加水水位經(jīng)濟(jì)性

選取“上?！獮豸斈君R”“北京—廣州”“上海—北京”“上?！戏省彼臈l航線為研究對(duì)象，對(duì)分段加水水位設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性展開研究。

通過查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)航空公司的運(yùn)營(yíng)時(shí)間表可知該四條典型航線所需的飛行時(shí)間；結(jié)合航線的分檔加水檔位信息，可以得到四條典型航線所需的加水檔位信息及可節(jié)省的運(yùn)營(yíng)載重量，如表4所示。

表4 典型航線運(yùn)營(yíng)信息Table 4 The operation information of typical course

從表4可以看出：對(duì)于“上海—合肥”“上?！本薄氨本獜V州”典型航線滿員的情況下，采用分段加水水位技術(shù)可以節(jié)省的航線運(yùn)營(yíng)質(zhì)量分別為130 kg、87 kg和44 kg，節(jié)水量占總水量百分比分別為76%、51%、24%，載重的節(jié)省是非常可觀的。

2.2.2 全航程內(nèi)分段加水水位經(jīng)濟(jì)性

結(jié)合圖3的占比結(jié)果，飛行時(shí)長(zhǎng)1.3 h范圍內(nèi)（航程0～800 km）占比為24.5%（典型航線1）；飛行時(shí)長(zhǎng)2.6 h范圍內(nèi)（航程800～1 200 km）占比為41%；（典型航線2）飛行時(shí)長(zhǎng)3.9 h范圍內(nèi)（航程1 400～3 000 km）占比為26.2%（典型航線3）；飛行時(shí)長(zhǎng)5.3 h范圍內(nèi)（航程3 000～3 800 km）占比為8.3%（典型航線4）。近86.5%的航班都處于非最大設(shè)計(jì)航程范疇，因此為不同的航線配置不同的加水水位，在飛機(jī)的航線運(yùn)營(yíng)中具有十分重要的意義，如表5所示。

表5 典型航線所需水量信息Table 5 The information of required water level of typical course

將分段加水水位分為四檔：FILL 1/4（加25%，43 L）、FILL 1/2（加50%，86 L）、FILL 3/4（加75%，129 L）、FILL FULL（加100%，171 L）。通過分段加水水位功能的設(shè)置，至少在航線上約86.5%的航線均可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的節(jié)約，累計(jì)航線當(dāng)量節(jié)省運(yùn)營(yíng)質(zhì)量為79 kg。

依據(jù)常用干線飛機(jī)運(yùn)營(yíng)直接運(yùn)營(yíng)成本（Direct Operation Cost，簡(jiǎn)稱DOC）與運(yùn)營(yíng)質(zhì)量之間的關(guān)系，累計(jì)航線當(dāng)量節(jié)省運(yùn)營(yíng)質(zhì)量79 kg所帶來的DOC如表6所示。

表6 節(jié)省運(yùn)營(yíng)重量帶來的DOC影響Table 6 The affected DOC contributed by the reduced operation weight

從表6可以看出：當(dāng)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量減少79 kg時(shí)，航段DOC可以減少87.2元。

3 分段加水水位功能設(shè)計(jì)

3.1 分段加水水位功能實(shí)現(xiàn)方式

地面加水勤務(wù)是飛機(jī)在航線運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行較為頻繁的任務(wù)之一。飛機(jī)在過站或者航線飛行開始前需由地勤人員通過水服務(wù)板上的加水接頭連接地面加水車，對(duì)水箱進(jìn)行加水操作。依據(jù)航線運(yùn)營(yíng)情況選擇合適的加水水位可以節(jié)省系統(tǒng)的地面勤務(wù)時(shí)間，地勤人員可根據(jù)2.1節(jié)中加水檔位建議信息，選擇加水水位，整個(gè)加水過程中的操作步驟分解如圖6所示。

圖6 某型飛機(jī)初步分段加水操作步驟Fig.6 The operation step of pre-selcetion

從圖6可以看出：通過步驟三進(jìn)行加水水位選擇，可以為飛機(jī)配置適應(yīng)航線運(yùn)營(yíng)需求的最小載水量，有效提高運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

3.2 分段加水水位功能控制邏輯

從實(shí)現(xiàn)分段加水水位功能操作方式、所需的信號(hào)輸入、信號(hào)內(nèi)部處理、內(nèi)部判斷輸出等方面出發(fā)，對(duì)分段加水水位控制邏輯進(jìn)行研究。

為提高系統(tǒng)傳輸過程中的準(zhǔn)確性，加水檔位信息采用“雙通道”和“雙參數(shù)”的信號(hào)傳輸方式，即選擇任一加水檔位后，每檔加水水位均設(shè)置2個(gè)信號(hào)傳輸通道，當(dāng)且僅當(dāng)2個(gè)信號(hào)輸入通道均有效且數(shù)值相同時(shí)，才認(rèn)為系統(tǒng)的分段加水水位的輸入有效；每個(gè)傳輸通道的信號(hào)包括2個(gè)參數(shù)：“檔位值”，即“Signal”；“檔位值的有效性”，即“Valid”。當(dāng)且僅當(dāng)“Signal”值 為“25%”“50%”“75%”或“100%”中的一個(gè)且“Valid”值為真時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)認(rèn)為該通道輸入有效；當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)通道的輸入均有效，且“Signal”值相同時(shí)，認(rèn)為分段加水水位信息有效，系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)檔位加水操作。

在服務(wù)面板上選擇加水檔位，系統(tǒng)接收到水位選擇指令，對(duì)加水水位輸入的“Singal”值進(jìn)行判斷，將輸入值與上次執(zhí)行加水操作的值進(jìn)行對(duì)比（是否為新的水位信息），如果是新的水位信息，則按照判斷原則對(duì)輸入的加水信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，具體的控制邏輯判斷如表7所示。如果兩組A429水位信號(hào)值均是有效且相等，則認(rèn)為系統(tǒng)的輸入是有效的，此時(shí)便將系統(tǒng)的加水水位指令設(shè)置為預(yù)先選擇的檔位值；如果系統(tǒng)輸入兩組A429水位信號(hào)值經(jīng)表7的邏輯判斷后是無效的，則認(rèn)為輸入的加水水位信息是無效的，此時(shí)預(yù)選水位值為默認(rèn)值（系統(tǒng)上次加水水位值）。只有當(dāng)水廢水系統(tǒng)控制軟件（WWSCP）判斷輸入的加水水位信息是有效的，系統(tǒng)才會(huì)按照新的分段加水水位驅(qū)動(dòng)加水/排放閥進(jìn)行加水操作。詳細(xì)的功能實(shí)現(xiàn)控制流程如圖7所示。

表7 WWSCP內(nèi)部控制判斷Table 7 The internal control decision of WWSCP

圖7 實(shí)現(xiàn)分段加水水位控制邏輯流程圖Fig.7 The control logical flow chart of pre-selection

3.3 分段加水水位功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證分段加水水位驗(yàn)證技術(shù)，以某型號(hào)飛機(jī)WWS為研究對(duì)象，通過搭建實(shí)驗(yàn)室1∶1試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)室驗(yàn)證。試驗(yàn)主體包括：水廢水系統(tǒng)控制軟件（WWSCP）模塊、水箱組件、加水閥、模擬勤務(wù)面板、相關(guān)的管路和接頭等，詳細(xì)的試驗(yàn)臺(tái)架架構(gòu)如圖8所示。

圖8 分段加水水位功能驗(yàn)證試驗(yàn)構(gòu)架Fig.8 The full-scale test rig of pre-selection

各主體對(duì)應(yīng)的功能如下：

（1）水廢水系統(tǒng)控制軟件（WWSCP）模塊：實(shí)現(xiàn)分段加水水位控制軟件的加載，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的載體。

（2）水箱組件：透明水箱，用于分段加水量的存儲(chǔ)；內(nèi)置水位傳感器，具備水位監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)時(shí)向系統(tǒng)控制軟件反饋加水量信息，當(dāng)水量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)控制軟件便會(huì)切斷加水閥的加水操作。

（3）加水閥：用于向系統(tǒng)提供加水接口和加水操作。

（4）模擬勤務(wù)面板：通過模擬界面實(shí)現(xiàn)分段加水水位的選擇，同時(shí)對(duì)水箱組件中的水位傳感器反饋過來的水量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，詳細(xì)的操作界面如圖9所示。

圖9 模擬勤務(wù)面板操作界面Fig.9 The simulated operation interface of service panel

（5）管路和接頭：由加水閥連接至水箱組件，支持加水操作。

本驗(yàn)證技術(shù)通過在模擬勤務(wù)面板上選擇不同的 加 水 檔 位“25%”“50%”“75%”“100%”，觀 察 系統(tǒng)能否在水箱的水量達(dá)到對(duì)應(yīng)檔位時(shí)自動(dòng)切斷系統(tǒng)加水，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 分段加水水位臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Table 8 The test result of pre-selection on test rig

從表8可以看出：當(dāng)選擇不同的分段加水檔位時(shí)，系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的邏輯進(jìn)行加水操作，并可以通過顯示界面正確地顯示水箱水量。試驗(yàn)結(jié)果表明本文的分段加水水位控制邏輯是可行的，可以用于型號(hào)研制。

4 結(jié) 論

（1）民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)航線需用水量與最大持續(xù)飛行時(shí)間、乘員數(shù)相關(guān)，依據(jù)航線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成的航線用水量計(jì)算技術(shù)能夠用于指導(dǎo)航線加水。

（2）分段加水水位設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)依據(jù)航線實(shí)際需求進(jìn)行航前加水，減少系統(tǒng)多余的運(yùn)營(yíng)負(fù)重，提高系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

（3）本文所提出的分段加水水位設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)方案到控制方式，再到功能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化，能夠用于民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)的研制及優(yōu)化設(shè)計(jì)。