民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

程湛 江娜 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院環(huán)控氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 200235

民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

程湛 江娜 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院環(huán)控氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 200235

本文闡述了民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量、熱載荷等設(shè)計(jì)輸入的確定，介紹了常用的通風(fēng)與加熱構(gòu)型及優(yōu)缺點(diǎn)比較，并闡述了民機(jī)貨艙設(shè)計(jì)中相關(guān)適航條款的驗(yàn)證思路。

民用飛機(jī)；貨艙；通風(fēng)系統(tǒng)；熱載荷

civil aircraft；cargo； ventilation system； heat load

引言

隨著民用航空行業(yè)的發(fā)展，貨物運(yùn)送要求的多樣化趨勢(shì)，民用飛機(jī)的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到關(guān)注，對(duì)貨艙的要求不僅僅局限于運(yùn)送普通行李，有很多航空公司提供了的活物運(yùn)送的服務(wù)，這就要求控制貨艙的環(huán)境以達(dá)到運(yùn)送活物的要求，從而必須設(shè)計(jì)具備通風(fēng)和加熱的能力的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)。

1.貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入的確定

設(shè)計(jì)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)需要確定的兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)輸入為通風(fēng)量和熱載荷，前者決定了通風(fēng)風(fēng)扇與管路的設(shè)計(jì)參數(shù)，后者則決定了加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1 貨艙通風(fēng)量

一般來(lái)說(shuō)，貨艙通風(fēng)量并不像客艙與駕駛艙一樣，要保證人員的新鮮空氣量，對(duì)于運(yùn)送動(dòng)物而言，一般保證艙內(nèi)換氣次數(shù)不小于每4分鐘一次[1]，因此，貨艙通風(fēng)量取決于貨艙艙容，當(dāng)艙容V確定后，通風(fēng)量可以按q=V/4計(jì)算。

1.2 貨艙熱載荷

飛機(jī)貨艙在飛行或地面停機(jī)狀態(tài)都會(huì)與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，確定貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的制冷或加溫能力時(shí)，首先必須對(duì)貨艙與其周圍環(huán)境間的熱交換進(jìn)行定量分析，以確定熱載荷的量值。貨艙熱載荷的數(shù)值是貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最原始的輸入?yún)?shù)，它的準(zhǔn)確程度對(duì)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)選型有重要的影響。

座艙熱載荷一般有一下幾種類型：結(jié)構(gòu)傳熱熱載荷，透明表面輻射熱載荷，乘員和設(shè)備產(chǎn)生的熱載荷[1]，座艙空氣泄漏直接帶走的座艙熱量；分析貨艙的傳熱情況：由于貨艙是在飛機(jī)蒙皮內(nèi)部增壓區(qū)中用內(nèi)飾板、貨艙地板形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，如圖1所示，不存在透明表面，也沒(méi)有人員與發(fā)熱設(shè)備的熱載荷，所以在考慮貨艙熱載荷的時(shí)候只考慮結(jié)構(gòu)熱載荷的影響。

圖1 貨艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

貨艙各個(gè)傳熱面按照其結(jié)構(gòu)可分為兩種類型：

1.平板結(jié)構(gòu)：貨艙的壁板、端板、天花板、地板

2.貨艙門結(jié)構(gòu)

貨艙的壁板、端板、天花板、地板為平板或者曲面板狀結(jié)構(gòu)，由于曲面半徑較大，且壁厚相對(duì)于曲率半徑來(lái)說(shuō)相當(dāng)小，故一般將其簡(jiǎn)化成平壁處理，如圖2所示。按平壁的一維穩(wěn)態(tài)傳熱方程，貨艙壁板熱載荷的計(jì)算公式可寫成Φ=KA(to-tc)，其中:

K 傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)

A 艙壁的面積，m2

to艙壁外表面溫度，℃

tc貨艙內(nèi)空氣溫度，℃

對(duì)于兩側(cè)為空氣的艙壁而言：

K=(δ/λ+1/ho+1/hc)-1

其中：

δ 艙壁厚度，m

λ 艙壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2.℃)

ho艙壁外對(duì)流換熱系數(shù)

hc貨艙內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)

圖2 平板壁面?zhèn)鳠崾疽鈭D

貨艙門是由外蒙皮，內(nèi)蒙皮，梁，填充在梁之間絕熱材料與貨艙門內(nèi)側(cè)內(nèi)飾板組成，由于貨艙門同樣為大平板結(jié)構(gòu)，如圖3所示，不考慮平板延伸方向的導(dǎo)熱，其熱阻可以看成各部分結(jié)構(gòu)熱阻串并聯(lián)而成，如圖4所示。

圖3 貨艙門示意圖

其熱阻可以看成各部分結(jié)構(gòu)熱阻串并聯(lián)而成，如圖4所示。

圖4 貨艙門熱阻示意圖

貨艙門處傳遞的熱載荷

其中：

A1 絕熱層面積，m2

A2 地板梁與內(nèi)蒙皮面積，m2

to艙壁外表面溫度，℃

tc貨艙內(nèi)空氣溫度，℃

δs外蒙皮厚度，m

λs外蒙皮導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2.℃)

δa絕熱層厚度，m

λa絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2.℃)

δb地板梁與內(nèi)蒙皮厚度，m

λb地板梁與內(nèi)蒙皮導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m2.℃)

δi貨艙門內(nèi)側(cè)內(nèi)飾板厚度，m

λi貨艙門內(nèi)側(cè)內(nèi)飾板導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m2.℃)

hc貨艙內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)

給定不同工況下貨艙內(nèi)溫度以及各個(gè)傳熱面外側(cè)溫度，便可計(jì)算出每個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，各傳熱面?zhèn)鬟f的熱量相加可得貨艙在不同工況下的熱載荷，從而可確定貨艙的加熱功率。

2.民機(jī)貨艙通風(fēng)加熱系統(tǒng)常見構(gòu)型

2.1 貨艙通風(fēng)系統(tǒng)常見構(gòu)型

貨艙通風(fēng)對(duì)空氣的清潔度與新風(fēng)量的要求并不如客艙那么高，因此通常利用客艙排氣進(jìn)行貨艙通風(fēng)。

按照通風(fēng)的動(dòng)力源進(jìn)行劃分，一般有兩種構(gòu)型，即：

1)利用鼓風(fēng)或抽風(fēng)風(fēng)扇抽吸客艙地板下的客艙排氣對(duì)貨艙進(jìn)行通風(fēng)，如圖5所示，采用這一構(gòu)型的飛機(jī)主要有，波音公司的757，空中客車公司的320,340等，該方案的優(yōu)點(diǎn)為貨艙通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，開關(guān)貨艙通風(fēng)不會(huì)對(duì)上下游系統(tǒng)造成影響；

2)從再循環(huán)風(fēng)扇的下游引出管路通入貨艙，利用再循環(huán)空氣進(jìn)行貨艙通風(fēng)，如圖6所示，采用這一構(gòu)型的飛機(jī)主要有空中客車公司的A380，龐巴迪公司的CRJ-700,CRJ-900等，該方案的優(yōu)點(diǎn)為利用再循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力進(jìn)行通風(fēng)，不需要專門的風(fēng)扇，因此系統(tǒng)重量較輕，機(jī)上空間占用較小。

2.2 貨艙加熱系統(tǒng)常見構(gòu)型

常見貨艙加熱系統(tǒng)，按照加熱方式區(qū)分，一般有兩種構(gòu)型，即電加熱器加熱與配平空氣加熱，系統(tǒng)示意圖如圖7,圖8所示。

甘茂回答說(shuō)：“孔子的弟子曾參，以孝著稱。一天，魯國(guó)有一個(gè)與曾參同姓同名的人殺了人，有人告訴曾參的母親：‘曾參殺了人。’當(dāng)時(shí)，他的母親正在織布，泰然自若地答：‘我的兒子不會(huì)殺人?！^(guò)了一會(huì)兒，又有一個(gè)人來(lái)說(shuō)同樣的事，曾母仍神情不變。但是當(dāng)?shù)谌齻€(gè)人告訴她曾參殺了人之后，曾母當(dāng)即扔下梭子，翻墻逃跑了。

電加熱器一般由電阻發(fā)熱元件或發(fā)熱陶瓷組成，改元件對(duì)通過(guò)加熱器的空氣進(jìn)行加溫，為防止當(dāng)停止向加熱器供氣時(shí)加熱元件的過(guò)熱和當(dāng)氣體溫度超過(guò)所需值時(shí)關(guān)閉加溫器，一般會(huì)設(shè)置過(guò)熱保護(hù)開關(guān)，在溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉加熱器。

表1 電加熱器加熱與配平空氣加熱對(duì)比表

圖9 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

配平空氣又稱旁路空氣，由發(fā)動(dòng)機(jī)引出的熱引氣從旁路繞過(guò)制冷組件的冷卻渦輪或沖壓空氣熱交換器直接供給加熱管路實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)艙體的加溫，在配平空氣管路上設(shè)置配平活門以控制加熱溫度。

為實(shí)現(xiàn)溫度控制，在貨艙入口或出口管路上安裝管路溫度傳感器，根據(jù)傳感器的反饋，控制電加熱器或者配平活門的開關(guān)。

兩種加熱方式的特點(diǎn)比較見表1：

3.民機(jī)C級(jí)貨艙通風(fēng)相關(guān)適航條款淺析

一般民用客機(jī)的貨艙等級(jí)均為C級(jí)，F(xiàn)AR 127修正案中，與C級(jí)貨艙相關(guān)的條款主要有25.855c，25.857c和25.855i，下面就這三個(gè)條款的內(nèi)容與驗(yàn)證思路進(jìn)行分析。

3.1 25.855c條款

25.855 c條款為：C級(jí)貨艙的天花板和側(cè)壁的襯墊必須滿足本部附錄F第III部分規(guī)定的試驗(yàn)或其他經(jīng)批準(zhǔn)的等效試驗(yàn)方法的要求。

而在附錄F第III部分中有如下規(guī)定：

(1)必須至少試驗(yàn)3塊貨艙側(cè)壁或天花板襯墊板試樣。

(2)每一試樣必須模擬側(cè)壁或天花板襯墊板，包括其失效會(huì)影響襯墊安全包容火焰能力的任何設(shè)計(jì)特征，如接合部位，照明裝置等。

(3)施加火焰后5分鐘內(nèi)，任何試樣均不得被燒穿，且在水平試樣上表面上方102毫米(4英寸)處測(cè)得的峰值溫度不得超過(guò)203℃(400°F)。

試驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示：

貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的組件，包括關(guān)斷活門、管路以及用于安裝活門和管路的支座等，通常布置在貨艙的側(cè)壁板或者端板上，如圖10所示，由于關(guān)斷活門與管路的安裝必須要求安裝位置的內(nèi)飾板開孔以便通風(fēng)，從而導(dǎo)致內(nèi)飾板在開孔位置處失去安全包容火焰的能力，按照“每一試樣必須模擬側(cè)壁或天花板襯墊板，包括其失效會(huì)影響襯墊安全包容火焰能力的任何設(shè)計(jì)特征”的要求，貨艙通風(fēng)組件的失效會(huì)影響到安裝貨艙通風(fēng)組件處的內(nèi)飾板的火焰包容能力，因此，需進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)表明包含貨艙通風(fēng)組件的試樣在施加火焰后5分鐘內(nèi)，任何試樣均不得被燒穿。

在貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了能通過(guò)火焰燒穿試驗(yàn)，可有兩種設(shè)計(jì)思路，一是從通風(fēng)組件的材料選擇上考慮，二是從通風(fēng)組件的安裝形式上考慮。

第一種設(shè)計(jì)思路：通風(fēng)組件的材料選擇。參考FAR 127號(hào)修正案附錄F第3部分，火焰溫度控制在927±38℃，因此為了保證試驗(yàn)的通過(guò)，可選擇熔點(diǎn)溫度大于965℃的材料來(lái)制造活門支座、活門以及管路，如選用不銹鋼，鈦合金等。

第二種設(shè)計(jì)思路，通風(fēng)組件的安裝形式。由于貨艙通風(fēng)組件中，關(guān)斷活門與管路通常為成品件，材料不能自由選擇，熔點(diǎn)往往達(dá)不到965℃以上，在選擇的關(guān)斷活門與管路達(dá)不到熔點(diǎn)要求的情況下，考慮安裝形式的設(shè)計(jì)來(lái)避免關(guān)斷活門與管路在試驗(yàn)中被燒穿；在試驗(yàn)臺(tái)架上，貨艙通風(fēng)組件位于火焰的側(cè)面，因此考慮設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的活門支座或者將活門支座設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)角形式，避免關(guān)斷活門與管路直接面對(duì)火焰，如圖11所示。

3.2 25.857c

25.857 c規(guī)定了C級(jí)貨艙的定義：

C級(jí)貨艙或行李艙是指不符合A級(jí)和B級(jí)要求的艙，但是這類艙應(yīng)具備下列條件：

圖10 貨艙通風(fēng)組件安裝示意圖

圖11 貨艙通風(fēng)組件安裝形式示意圖

(1) 有經(jīng)批準(zhǔn)的、獨(dú)立的煙霧探測(cè)或火警探測(cè)器系統(tǒng)，可在駕駛員或飛行工程師工作位置處給出警告；

(2) 有從駕駛艙處可操縱的、經(jīng)批準(zhǔn)的固定式滅火或抑制系統(tǒng)；

(3) 有措施阻止危險(xiǎn)量的煙、火焰或滅火劑進(jìn)入任何有機(jī)組或旅客的艙；

(4) 有控制艙內(nèi)通風(fēng)和抽風(fēng)的措施，使所有滅火劑能抑制艙內(nèi)任何可能的著火。

其中與貨艙通風(fēng)相關(guān)的為(3)，(4)條，對(duì)于第(3)條，如果要阻止危險(xiǎn)量的煙、火焰或滅火劑進(jìn)入任何有機(jī)組或旅客的艙；就要求貨艙的通風(fēng)系統(tǒng)具備隔離功能，即在通風(fēng)的進(jìn)出口布置關(guān)斷活門，在貨艙發(fā)生火情時(shí)能夠關(guān)斷通風(fēng)。對(duì)于第(4)條，為了保證滅火劑能夠抑制艙內(nèi)任何可能的著火，需能保證噴射滅火劑后貨艙內(nèi)的滅火劑濃度，則要求貨艙通風(fēng)系統(tǒng)在滅火劑噴射以后能夠關(guān)斷通風(fēng)。

3.3 25.855i

25.855 i條款為：

(i) 進(jìn)行上述試驗(yàn)時(shí)必須表明，在滅火過(guò)程中或滅火后，任何貨艙內(nèi)的煙霧探測(cè)器或火警探測(cè)器不會(huì)由于任何另一貨艙內(nèi)的著火而產(chǎn)生誤動(dòng)作，除非滅火系統(tǒng)同時(shí)向每個(gè)貨艙噴射滅火劑。

其中的上述試驗(yàn)指的是：

(h) 必須進(jìn)行飛行試驗(yàn)以表明符合第25.857條中涉及下列方面的規(guī)定：

(1) 艙的可達(dá)性；

(2) 阻止危險(xiǎn)量的煙或滅火劑進(jìn)入機(jī)組艙或客艙；和

(3) C級(jí)艙內(nèi)滅火劑的消散。

25.855 i條與貨艙防火與貨艙通風(fēng)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)相關(guān)；一方面，如果貨艙防火系統(tǒng)可以做到同時(shí)向每個(gè)貨艙噴射滅火劑，則“任何貨艙內(nèi)的煙霧探測(cè)器或火警探測(cè)器不會(huì)由于任何另一貨艙內(nèi)的著火而產(chǎn)生誤動(dòng)作”可以被允許；另一方面，如果貨艙防火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)法做到同時(shí)向每個(gè)貨艙噴射滅火劑，就要求兩個(gè)貨艙在滅火過(guò)程或者滅火后能夠互相通風(fēng)隔離，以保證滅火劑或者煙霧不會(huì)通過(guò)連接兩個(gè)貨艙的管路互相竄流，從貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面考慮，就要求不能設(shè)計(jì)之間無(wú)法隔斷的串聯(lián)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)，即一個(gè)貨艙是以另一個(gè)貨艙的排氣作為供氣源進(jìn)行通風(fēng)。

4.結(jié)論

本文從民用飛機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)方法的角度進(jìn)行了介紹與分析，對(duì)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的常用構(gòu)型進(jìn)行了比較與分析，當(dāng)然，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)還需通過(guò)性能計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)試驗(yàn)等方法進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化；對(duì)與貨艙通風(fēng)相關(guān)的適航條款進(jìn)行了分析，并闡述了從設(shè)計(jì)角度貫徹適航條款的要求的思路與方法。

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].第1版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004

[2]FAR 127號(hào)修正案

The calculation of flow rate and heat load of civil aircraft cargo is introduced. Common ventilation configuration and heating configuration are described and compared. Relative certification provisions and design thought is also introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.037