民機(jī)貨艙壓差載荷的分析與解決方案

王旭陽　林石泉　李革萍

【摘 要】本文建立了一維的貨艙壓差載荷計(jì)算方法，并對(duì)貨艙容積和貨艙等效泄漏面積等因素對(duì)貨艙壓差載荷的影響進(jìn)行了分析。介紹了我國(guó)民機(jī)貨艙壓差平衡裝置的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，簡(jiǎn)介了我國(guó)自主研制的貨艙壓差平衡裝置結(jié)構(gòu)。最后提出了一種新穎的貨艙壓差載荷解決方案，即把貨艙壓差平衡功能集成至貨艙出口關(guān)斷活門中。該方案可減少一定的飛機(jī)重量，并節(jié)省原貨艙壓力平衡裝置的研制成本。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；貨艙壓差載荷；解決方案

【Abstract】One-dimension model is built up for cargo differential pressure calculation in this article， and then the effect of cargo volume and cargo leakage areas on cargo differential pressure load is analyzed. Secondly， this article brief introduces the internal design guide of cargo pressure equalization equipment. And the configurations of pressure equalization valves equipped on China self-developed civil aircraft are presented then. At last， a novel solution of cargo differential pressure load is proposed. The outlet of cargo ventilation shut-off valve is considered to keep open in normal condition to achieve differential pressure relief for cargo. This novel solution will bring some decrease of A/C weight and cost.

【Key words】Civil aircraft； Cargo differential pressure load； The solution

0 引言

貨艙位于地板以下，由結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾板圍成一個(gè)獨(dú)立的空間。為滿足防火要求，民機(jī)貨艙往往采用密封設(shè)計(jì)，在不開啟貨艙通風(fēng)時(shí)，貨艙與三角區(qū)之間的流通能力較差，可能導(dǎo)致貨艙內(nèi)的壓力變化滯后于客艙，進(jìn)而形成了貨艙與三角區(qū)之間的一個(gè)壓差載荷。

當(dāng)飛機(jī)爬升時(shí)座艙壓力高度逐步增高，貨艙壓力變化滯后導(dǎo)致貨艙內(nèi)外存在一個(gè)正壓差載荷；當(dāng)飛機(jī)下降時(shí)座艙壓力高度逐步降低，貨艙壓力變化滯后導(dǎo)致貨艙內(nèi)外存在一個(gè)負(fù)壓差載荷。飛機(jī)完成一次航線運(yùn)行，貨艙就像進(jìn)行了一次呼吸。周而復(fù)始，該壓差載荷可能引起貨艙結(jié)構(gòu)的疲勞問題。

因此對(duì)該貨艙壓差載荷進(jìn)行分析并尋找貨艙壓差載荷解決方案具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 貨艙壓差載荷的影響因素

正常飛行時(shí)，實(shí)際貨艙內(nèi)外壓差載荷大小與多種因素有關(guān)，如：

a）貨艙容積V；

b）貨艙內(nèi)飾等效泄漏面積So；

c）三角區(qū)（客艙）的壓力變化Pcabin（t）；

d）貨艙門的泄漏；

e）貨艙通風(fēng)量與通風(fēng)面積；

為簡(jiǎn)化分析，本文只考慮前三者對(duì)貨艙循環(huán)壓差載荷的影響。圖1為貨艙壓差載荷計(jì)算一維孔流模型。

分析結(jié)果表明：

a）貨艙的密封性越好，則壓差載荷越大；

b）隨著泄漏面積增加，貨艙所承受的壓差載荷急劇下降；

2 我國(guó)民機(jī)貨艙壓差載荷的現(xiàn)有解決方案

從保護(hù)貨艙結(jié)構(gòu)出發(fā)，應(yīng)盡量減少貨艙壓差載荷值，即增加貨艙泄漏面積。但貨艙防火要求貨艙應(yīng)保持一定的密封性。貨艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，貨艙防火系統(tǒng)所噴灑的滅火劑需在一定的時(shí)間內(nèi)維持一定的濃度，這就對(duì)貨艙的內(nèi)飾泄漏面積提出了一個(gè)上限值Smax。

如圖3所示，若SmaxSo時(shí)，通過上文方法確認(rèn)貨艙壓差載荷，以評(píng)估該壓差載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。若結(jié)構(gòu)難以接受該循環(huán)壓差載荷，則需進(jìn)行貨艙壓差平衡裝置設(shè)計(jì)。

如我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)中，均采用了純氣動(dòng)的機(jī)械閥門作為貨艙壓力平衡裝置，如圖4所示：

當(dāng)貨艙內(nèi)外壓差超過限定值時(shí)，壓差載荷克服彈簧扭力推開壓力平衡閥板，實(shí)現(xiàn)貨艙內(nèi)外通風(fēng)。一個(gè)壓力平衡閥組件帶有正負(fù)兩個(gè)平衡閥，分別實(shí)現(xiàn)貨艙的正負(fù)壓差平衡功能。

在設(shè)計(jì)貨艙壓差平衡裝置時(shí)，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)為彈簧扭力的預(yù)緊值和閥板的尺寸。彈簧的預(yù)緊力設(shè)計(jì)需求來于貨艙的防火設(shè)計(jì)：貨艙在發(fā)現(xiàn)火情時(shí)會(huì)噴灑滅火劑，并需在一定時(shí)間內(nèi)保持特定濃度，該過程將形成一個(gè)明顯的貨艙內(nèi)外壓差，壓力平衡裝置在該壓差下應(yīng)不能開啟。閥板的尺寸大小決定了貨艙內(nèi)外通風(fēng)面積大小，即決定了貨艙壓差平衡的速率，尺寸越大則壓差平衡能力越強(qiáng)，但需兼顧設(shè)備重量和安裝因素，尋找合理的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

利用前文推薦的一維貨艙壓差載荷計(jì)算方法，并考慮壓差平衡裝置的彈簧預(yù)緊力，可分析得到貨艙壓差平衡閥對(duì)減小平衡貨艙壓差載荷的積極作用，如表1所示：

3 一種新穎的貨艙壓差載荷的解決方案

如前文所言，貨艙結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和貨艙防火設(shè)計(jì)對(duì)貨艙氣密性的需求趨勢(shì)是相互矛盾的。貨艙的氣密性越好，則貨艙滅火劑擴(kuò)散越慢，其濃度保持越容易滿足防火相關(guān)條款要求，發(fā)生火災(zāi)時(shí)噴灑的滅火劑量則可越少，從而存在一定的減重空間；但同時(shí)引起的壓差載荷也越大，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求越高，可能引起結(jié)構(gòu)增重。

而且目前普遍使用的機(jī)械式貨艙壓力平衡閥在使用中處于頻繁開啟和關(guān)閉的作動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備存在疲勞和噪聲的問題。

為此，本文提出了一種新穎的貨艙壓差載荷的的解決方案。貨艙通風(fēng)系統(tǒng)具備兩個(gè)電控關(guān)斷活門（BBSOV），對(duì)出口BBSOV控制邏輯進(jìn)行更改：在正常狀態(tài)下，無論貨艙是否進(jìn)行通風(fēng)，出口BBSOV處于全開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)貨艙壓差平衡功能，從而降低正常飛行周期內(nèi)的貨艙循環(huán)壓差載荷；當(dāng)出現(xiàn)貨艙煙霧告警信號(hào)時(shí)（即貨艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)）關(guān)閉出口BBSOV，防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。即在保留BBSOV原有貨艙通風(fēng)功能的同時(shí)，也兼?zhèn)淞朔腔鹁闆r下的貨艙壓差平衡功能。

由圖2可知，對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷都將小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。我國(guó)自主設(shè)計(jì)的某支線飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為30cm2，某干線大飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為81cm2，采用該新穎的壓差載荷解決方案時(shí)，無需對(duì)BBSOV設(shè)備硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

這種新穎的貨艙壓差平衡設(shè)計(jì)思路利用了已有的民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，省去傳統(tǒng)的機(jī)械式氣動(dòng)壓力平衡閥設(shè)計(jì)。一方面減輕了飛機(jī)重量，節(jié)省了機(jī)械閥門設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、設(shè)備鑒定等一系列的費(fèi)用成本，另一方面也避開了貨艙結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和貨艙防火設(shè)計(jì)對(duì)貨艙氣密性需求趨勢(shì)不一致的這個(gè)矛盾，現(xiàn)有貨艙防火和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能存在一定的優(yōu)化空間。

4 總結(jié)

本文建立了貨艙壓差載荷的一維計(jì)算方法，并對(duì)貨艙容積和貨艙等效泄漏面積等因素對(duì)貨艙壓差載荷的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：貨艙的密封性越好，貨艙壓差載荷越大；隨著泄漏面積增加，貨艙所承受的壓差載荷急劇下降；對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷均小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。

后續(xù)介紹了我國(guó)民機(jī)貨艙壓差平衡裝置的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，簡(jiǎn)介了我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)的貨艙壓差平衡裝置結(jié)構(gòu)。

最后提出了一種新穎的貨艙壓差載荷解決方案，即把貨艙壓差平衡功能集成至出口貨艙通風(fēng)關(guān)斷活門（BBSOV）上，在貨艙未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，讓出口BBSOV處于常開位（無論貨艙是否通風(fēng)），保證貨艙內(nèi)外的壓差平衡；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，關(guān)閉BBSOV防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。在我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)上實(shí)施該新穎的解決方案，無需對(duì)BBSOV硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該新穎的解決方案可減輕飛機(jī)重量，并節(jié)省研制成品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱春玲.飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

而且目前普遍使用的機(jī)械式貨艙壓力平衡閥在使用中處于頻繁開啟和關(guān)閉的作動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備存在疲勞和噪聲的問題。

為此，本文提出了一種新穎的貨艙壓差載荷的的解決方案。貨艙通風(fēng)系統(tǒng)具備兩個(gè)電控關(guān)斷活門（BBSOV），對(duì)出口BBSOV控制邏輯進(jìn)行更改：在正常狀態(tài)下，無論貨艙是否進(jìn)行通風(fēng)，出口BBSOV處于全開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)貨艙壓差平衡功能，從而降低正常飛行周期內(nèi)的貨艙循環(huán)壓差載荷；當(dāng)出現(xiàn)貨艙煙霧告警信號(hào)時(shí)（即貨艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)）關(guān)閉出口BBSOV，防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。即在保留BBSOV原有貨艙通風(fēng)功能的同時(shí)，也兼?zhèn)淞朔腔鹁闆r下的貨艙壓差平衡功能。

由圖2可知，對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷都將小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。我國(guó)自主設(shè)計(jì)的某支線飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為30cm2，某干線大飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為81cm2，采用該新穎的壓差載荷解決方案時(shí)，無需對(duì)BBSOV設(shè)備硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

這種新穎的貨艙壓差平衡設(shè)計(jì)思路利用了已有的民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，省去傳統(tǒng)的機(jī)械式氣動(dòng)壓力平衡閥設(shè)計(jì)。一方面減輕了飛機(jī)重量，節(jié)省了機(jī)械閥門設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、設(shè)備鑒定等一系列的費(fèi)用成本，另一方面也避開了貨艙結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和貨艙防火設(shè)計(jì)對(duì)貨艙氣密性需求趨勢(shì)不一致的這個(gè)矛盾，現(xiàn)有貨艙防火和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能存在一定的優(yōu)化空間。

4 總結(jié)

本文建立了貨艙壓差載荷的一維計(jì)算方法，并對(duì)貨艙容積和貨艙等效泄漏面積等因素對(duì)貨艙壓差載荷的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：貨艙的密封性越好，貨艙壓差載荷越大；隨著泄漏面積增加，貨艙所承受的壓差載荷急劇下降；對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷均小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。

后續(xù)介紹了我國(guó)民機(jī)貨艙壓差平衡裝置的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，簡(jiǎn)介了我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)的貨艙壓差平衡裝置結(jié)構(gòu)。

最后提出了一種新穎的貨艙壓差載荷解決方案，即把貨艙壓差平衡功能集成至出口貨艙通風(fēng)關(guān)斷活門（BBSOV）上，在貨艙未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，讓出口BBSOV處于常開位（無論貨艙是否通風(fēng)），保證貨艙內(nèi)外的壓差平衡；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，關(guān)閉BBSOV防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。在我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)上實(shí)施該新穎的解決方案，無需對(duì)BBSOV硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該新穎的解決方案可減輕飛機(jī)重量，并節(jié)省研制成品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱春玲.飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

而且目前普遍使用的機(jī)械式貨艙壓力平衡閥在使用中處于頻繁開啟和關(guān)閉的作動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備存在疲勞和噪聲的問題。

為此，本文提出了一種新穎的貨艙壓差載荷的的解決方案。貨艙通風(fēng)系統(tǒng)具備兩個(gè)電控關(guān)斷活門（BBSOV），對(duì)出口BBSOV控制邏輯進(jìn)行更改：在正常狀態(tài)下，無論貨艙是否進(jìn)行通風(fēng)，出口BBSOV處于全開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)貨艙壓差平衡功能，從而降低正常飛行周期內(nèi)的貨艙循環(huán)壓差載荷；當(dāng)出現(xiàn)貨艙煙霧告警信號(hào)時(shí)（即貨艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)）關(guān)閉出口BBSOV，防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。即在保留BBSOV原有貨艙通風(fēng)功能的同時(shí)，也兼?zhèn)淞朔腔鹁闆r下的貨艙壓差平衡功能。

由圖2可知，對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷都將小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。我國(guó)自主設(shè)計(jì)的某支線飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為30cm2，某干線大飛機(jī)的貨艙通風(fēng)活門流通面積為81cm2，采用該新穎的壓差載荷解決方案時(shí)，無需對(duì)BBSOV設(shè)備硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

這種新穎的貨艙壓差平衡設(shè)計(jì)思路利用了已有的民機(jī)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，省去傳統(tǒng)的機(jī)械式氣動(dòng)壓力平衡閥設(shè)計(jì)。一方面減輕了飛機(jī)重量，節(jié)省了機(jī)械閥門設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、設(shè)備鑒定等一系列的費(fèi)用成本，另一方面也避開了貨艙結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和貨艙防火設(shè)計(jì)對(duì)貨艙氣密性需求趨勢(shì)不一致的這個(gè)矛盾，現(xiàn)有貨艙防火和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能存在一定的優(yōu)化空間。

4 總結(jié)

本文建立了貨艙壓差載荷的一維計(jì)算方法，并對(duì)貨艙容積和貨艙等效泄漏面積等因素對(duì)貨艙壓差載荷的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：貨艙的密封性越好，貨艙壓差載荷越大；隨著泄漏面積增加，貨艙所承受的壓差載荷急劇下降；對(duì)于容積在15—480m3范圍內(nèi)的貨艙，當(dāng)貨艙等效泄漏面積大于25cm2時(shí)，貨艙所承受的壓差載荷均小于0.5psid，有理由認(rèn)為貨艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾完全可承受該量級(jí)的循環(huán)壓差載荷。

后續(xù)介紹了我國(guó)民機(jī)貨艙壓差平衡裝置的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，簡(jiǎn)介了我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)的貨艙壓差平衡裝置結(jié)構(gòu)。

最后提出了一種新穎的貨艙壓差載荷解決方案，即把貨艙壓差平衡功能集成至出口貨艙通風(fēng)關(guān)斷活門（BBSOV）上，在貨艙未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，讓出口BBSOV處于常開位（無論貨艙是否通風(fēng)），保證貨艙內(nèi)外的壓差平衡；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，關(guān)閉BBSOV防止滅火劑和煙霧過多從貨艙逃逸。在我國(guó)自主研制的某支線飛機(jī)和某干線大飛機(jī)上實(shí)施該新穎的解決方案，無需對(duì)BBSOV硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該新穎的解決方案可減輕飛機(jī)重量，并節(jié)省研制成品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱春玲.飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]