航空地面空調(diào)液冷綜合保障車研制

李 旭， 吳勇川， 胡方亮， 雷金果， 張永亮

(1. 空軍勤務學院航空四站系， 江蘇 徐州 221000； 2. 95829部隊， 湖北 孝感 432111； 3. 95825部隊， 湖北 孝感 432111 )

隨著我國綜合國力的日益強大，部隊裝備的科學化、現(xiàn)代化和精煉化已成為提高軍力及增強部隊戰(zhàn)斗力的必然課題[1]。因此，飛機的戰(zhàn)勤維護保障及飛機大修任務也成為航空兵部隊、空軍場站及飛機修理單位面臨的迫切任務。然而，部隊現(xiàn)役的航空地面保障裝備集成化程度普遍較低，一般只有某一項保障功能，這使得部隊飛行保障時間較長，保障效率較低。因此，加強裝備的集成化建設，研制出能夠提供多種功能的航空地面保障裝備，對提高部隊保障效率、節(jié)省保障時間具有重要意義。

在進行飛行保障時，尤其在對飛機進行地面維護和起飛前檢查時，通常需要為飛行員座艙和氣冷電子設備艙提供空調(diào)保障[2]，或者為飛機液冷系統(tǒng)和液冷電子設備艙提供液冷保障[3]。特別是，隨著四代戰(zhàn)機的研制和裝備部隊，往往需要提供空調(diào)與液冷的綜合保障。此時，若用現(xiàn)有飛機地面保障裝備，需要飛機地面空調(diào)車和飛機液冷車2臺大型保障車輛同時圍機工作，不僅增加了工作強度、降低了工作效率，還會帶來安全隱患，造成安全事故?；诖?，筆者研制了一款集飛機地面空調(diào)保障和液冷保障為一體的航空地面空調(diào)液冷綜合保障車(簡稱“空調(diào)液冷車”)，以期能夠減少飛機地面保障裝備的種類，提高裝備的效費比，并減少保障人員的工作強度和飛行保障過程中的安全隱患。

1 主要功能和技術指標

1.1 主要功能

該空調(diào)液冷車是一款集飛機座艙，氣冷電子設備艙空調(diào)保障，液冷系統(tǒng)循環(huán)清洗、加/排液，以及液冷電子設備艙液冷保障等為一體的航空地面綜合保障車。飛機在地面維護、發(fā)動機或輔助動力不工作時，該款車可為飛機提供氣冷通風和液冷冷卻，并可向飛機液冷系統(tǒng)加注液體介質(zhì)。

1.2 技術指標

需要達到的技術指標如下：

1)同時滿足氣冷、液冷冷卻要求；

2)使用環(huán)境條件為-40～50 ℃；

3)方艙外形尺寸不大于6 350 mm×2 400 mm×1 800 mm；

4)空調(diào)系統(tǒng)技術指標見表1；

5)液冷系統(tǒng)技術指標見表2。

表1 空調(diào)系統(tǒng)技術指標

表2 液冷系統(tǒng)技術指標

2 基本組成

根據(jù)文獻[2]的要求,并參考文獻[3-5]，將空調(diào)液冷車設計為自行式移動裝備，其由動力電源系統(tǒng)、介質(zhì)輸送系統(tǒng)、制冷換熱系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、車載底盤和車廂體等6部分組成，如圖1所示。

圖1 空調(diào)液冷車基本組成

2.1 動力電源系統(tǒng)

動力電源系統(tǒng)負責為制冷換熱系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)等提供動力源。動力源主要由車載自備柴油發(fā)電機組提供，也可由外接電源提供。

1)內(nèi)接電源

內(nèi)接電源設計為柴油發(fā)電機組，其由柴油機、同步發(fā)電機和操作控制箱組成，其中操作控制箱包括電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和柴油機發(fā)電機電器箱2部分。柴油發(fā)電機組安裝在車廂體的右前側(cè)，為空調(diào)液冷系統(tǒng)提供合格的電源，并滿足空調(diào)液冷系統(tǒng)各種工況所需的功率。

2)外接電源

外接電源設計由電力連接器以及相序保護和轉(zhuǎn)換箱組成，可方便連接外接三相電源，并具有相序保護和自動轉(zhuǎn)換功能。

2.2 介質(zhì)輸送系統(tǒng)

介質(zhì)輸送系統(tǒng)是負責為飛機輸送氣體和(或)液體進行循環(huán)的管路系統(tǒng)，分為氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)和液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)2部分。

1)氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)

氣體介質(zhì)輸送系統(tǒng)負責提供通風空氣的風量和風壓，滿足飛機對通風量和壓力的要求，分為氣源和供風2部分。氣源部分以環(huán)境空氣為空調(diào)氣源，從外界吸入環(huán)境空氣進入空調(diào)液冷車空氣管道，由空調(diào)液冷車的制冷換熱系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)；供風部分將溫度調(diào)節(jié)后的空氣由排風管排出，并最終供給飛機。在此過程中，空氣流經(jīng)的所有設備都會對空氣的流動產(chǎn)生阻力。因此，氣源系統(tǒng)提供的氣流必須具有足夠的流動能量。空調(diào)液冷車氣源系統(tǒng)采用三葉羅茨式鼓風機組，其主要由羅茨式鼓風機、變頻電動機、進氣消音器、排氣消音器、空氣過濾器、安全閥、單向閥和彈性接頭等組成。

2)液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)

液體介質(zhì)輸送系統(tǒng)由多級變頻液體泵、膨脹水箱、貯液罐、液體輸送管卷盤、液體過濾器各種閥門和管路等組成[6]。液體泵選用多級變頻不銹鋼泵，安裝在車廂體的中部左側(cè)，其過濾器拆卸方便，濾芯可清洗，便于重復使用，過濾精度為40 μm。膨脹水箱及貯液罐安裝在車廂體的中后部，液體直接與不銹鋼接觸。液體輸送管卷盤分為送液軟管卷盤和回液軟管卷盤，安裝在車廂體尾部兩側(cè)，為多排多層卷繞結(jié)構，卷盤架上有防止螺栓自轉(zhuǎn)的固定卷盤，軟管收放時應將固定螺栓處于松開位置，工作完成后應將螺栓處于緊固卷盤狀態(tài)，可防止軟管回繞和電動收放輸液軟管，有效減少勞動強度。

2.3 制冷換熱系統(tǒng)

制冷換熱系統(tǒng)由制冷機組(由氣液耦合式蒸發(fā)器、制冷壓縮機、冷凝器、膨脹閥等構成)、空氣電加熱器、干燥過濾器和管道式液體電加熱器等組成，用于空調(diào)氣源和(或)液體介質(zhì)制冷降溫或加熱升溫，滿足飛機保障所需的空調(diào)和(或)液冷的溫度要求。

3 各系統(tǒng)工作原理

3.1 制冷換熱系統(tǒng)

制冷換熱系統(tǒng)由空調(diào)系統(tǒng)和液冷調(diào)節(jié)系統(tǒng)2部分組成，其工作原理如圖2所示。

1—壓力傳感器；2—溫度傳感器；3—流量傳感器；4—膨脹閥；5—制冷壓縮機；6—單向閥；7—電動蝶閥。圖2 制冷換熱系統(tǒng)工作原理

3.1.1 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)液冷車空調(diào)系統(tǒng)的工作過程分為制冷循環(huán)和制熱循環(huán)2種。

1)制冷循環(huán)

空調(diào)液冷車空調(diào)系統(tǒng)由3套結(jié)構相同、并行且可單獨工作的制冷循環(huán)系統(tǒng)組成。單級制冷循環(huán)系統(tǒng)工作流程如圖3所示，該系統(tǒng)采用R134a作為制冷劑。在制冷循環(huán)過程中，制冷劑由接近飽和狀態(tài)(狀態(tài)點“1”)進入壓縮機絕熱壓縮(狀態(tài)點“2”)；然后，在冷凝器中經(jīng)空氣冷卻放熱冷凝成液體(狀態(tài)點“3”)，進而通過節(jié)流閥節(jié)流膨脹降溫(狀態(tài)點“4”)；最后，低溫的制冷劑在氣液耦合式蒸發(fā)器內(nèi)吸收外界空氣的熱量，使空氣溫度降低，而其本身由于吸收外界熱量而溫度升高，變成飽和蒸氣流回壓縮機[7]，參與第2次制冷循環(huán)，如此循環(huán)往復。

圖3 單級制冷循環(huán)系統(tǒng)工作流程

在制冷循環(huán)過程中，空調(diào)氣源(空氣)由鼓風機吸入空調(diào)液冷車的空調(diào)管道，經(jīng)空氣過濾器清除空氣中的機械雜質(zhì)、灰塵等后進入制冷機組吸收熱量，使空氣溫度降低，這時空氣中的水分凝結(jié)到集水盤，經(jīng)管道排出；空氣通過鼓風機提壓后進入空氣電加熱器進行溫度調(diào)節(jié)，直到達到狀態(tài)設定的通風溫度和濕度：最后，在空調(diào)系統(tǒng)的通風口經(jīng)通風軟管向飛機輸入合格的通風氣體。此外，通風管道可進行密封性處理，以防止未經(jīng)過濾的空氣從通風管道的泄漏處進入管道內(nèi)而影響空氣的純凈度。鼓風機設置在靠近飛機處以保證空調(diào)液冷車的供氣壓力，防止因壓力不足而導致空氣無法進入飛行員座艙或飛機電子設備艙中。

2)制熱循環(huán)

由于R134a不能用作熱泵型空調(diào)的制冷劑[8]，因此空調(diào)液冷車采用電加熱爐制熱。其工作過程為：空氣在鼓風機的作用下，經(jīng)空氣過濾器除塵和制冷機組、濾水器除濕后，進入空氣電加熱器，在電加熱爐的調(diào)節(jié)下達到設定溫度，最后經(jīng)通風口由通風軟管輸入到飛機。

3.1.2 液冷調(diào)節(jié)系統(tǒng)

空調(diào)液冷車液冷系統(tǒng)的工作過程分為制冷循環(huán)、制熱循環(huán)、加注液體和自循環(huán)清洗4部分。

1)制冷循環(huán)

首先，空調(diào)液冷車經(jīng)通液軟管與飛機液冷介質(zhì)進出口相連接，使飛機內(nèi)部液冷系統(tǒng)與空調(diào)液冷車內(nèi)部的液冷系統(tǒng)形成一個閉合回路，液冷介質(zhì)通過液體泵在飛機與空調(diào)液冷車中循環(huán)運行；然后，空調(diào)液冷車制冷機組通過氣液耦合式蒸發(fā)器對介質(zhì)進行冷卻，介質(zhì)經(jīng)液體泵推動而循環(huán)流動；最后，達到循環(huán)介質(zhì)持續(xù)降溫的目的。

3組氣液耦合式蒸發(fā)器處于并聯(lián)狀態(tài)，可根據(jù)空調(diào)液冷車介質(zhì)實際出口溫度與設定值的比較，啟閉1～2臺制冷壓縮機，以控制液冷系統(tǒng)的制冷量，對介質(zhì)溫度進行初步調(diào)節(jié)，并通過液體電加熱器進一步調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度，直到達到狀態(tài)設定的通液溫度要求。經(jīng)過上述工作過程，在液冷系統(tǒng)的通液口就可用通液軟管向飛機輸入合格的液冷介質(zhì)。

2)制熱循環(huán)

當空氣過濾器除去介質(zhì)內(nèi)的機械雜質(zhì)后，循環(huán)介質(zhì)在液體泵的作用下，經(jīng)閥門7進入液體電加熱器中，在液體電加熱器的調(diào)節(jié)下達到設定溫度后，再經(jīng)通液口由通液軟管輸入到飛機的液冷系統(tǒng)中。

3)加注液體

通過循環(huán)液體泵將儲液罐中高純度的液體介質(zhì)加注到飛機的儲液箱內(nèi)，實現(xiàn)為飛機液冷系統(tǒng)加注液體介質(zhì)的目的。

4)自循環(huán)清洗

將空調(diào)液冷車的供回液接頭和自循環(huán)接頭連接，以使循環(huán)液體泵驅(qū)動(包括儲液罐內(nèi))的液體介質(zhì)循環(huán)流動，然后通過液體過濾器清除液體介質(zhì)內(nèi)的機械雜質(zhì)，以保證液體介質(zhì)塵埃度符合要求。

3.1.3 氣液耦合式蒸發(fā)器

氣液耦合式蒸發(fā)器是制冷換熱系統(tǒng)中最重要的部件之一，它主要為空氣和液體介質(zhì)提供制冷降溫，其基本結(jié)構[9-10]如圖4所示。其中：外部為翅片式換熱通道，空氣由此進入蒸發(fā)器進行熱交換；內(nèi)部為單套管(如圖5所示)，套管內(nèi)、外側(cè)分別為液體介質(zhì)通道和制冷劑通道。3條通道氣密性良好，通道內(nèi)的物質(zhì)相互隔離，可防止空氣或液體介質(zhì)中因混入其他物質(zhì)而降低純凈度。該蒸發(fā)器工作過程為：制冷換熱系統(tǒng)工作時，制冷劑通道中的低溫制

1—空調(diào)氣源通道;2—液體介質(zhì)通道; 3—制冷劑通道;4—外套管;5—內(nèi)套管;6—翅片換熱通道。圖4 氣液耦合式蒸發(fā)器基本結(jié)構

R1—液體介質(zhì)通道半徑；R2—制冷劑通道半徑；R3—套管外管半徑。圖5 單套管截面

冷劑與空調(diào)氣源通道中的高溫空氣以及液體介質(zhì)通道中的高溫液體介質(zhì)進行熱交換，低溫制冷劑吸收空氣和液體介質(zhì)的熱量，從而使其熱量減少，溫度降低。

3.2 操作控制系統(tǒng)

操作控制系統(tǒng)是空調(diào)液冷車的操作和控制部分。該系統(tǒng)可對供風和供液的壓力、溫度和流量等信號進行采集、顯示和監(jiān)測，同時控制系統(tǒng)的運行。通過顯示儀表可觀測到空調(diào)系統(tǒng)的供風流量、溫度和壓力，液冷系統(tǒng)的供液壓力、流量和溫度，發(fā)電機組轉(zhuǎn)速、水溫和機油壓力等參數(shù)，還可對空調(diào)液冷車的工作信息、工作故障和工作時間等參數(shù)進行存儲和查詢。該系統(tǒng)包括人工操作系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)2部分，其中：人工操作系統(tǒng)由操作面板和顯示器組成，主要負責設備操作和參數(shù)顯示，它們均設置在操作面板上，便于使用者觀察和操作；電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器、信號采集元件和執(zhí)行器等組成，主要負責空調(diào)液冷車各種參數(shù)的采集、車內(nèi)各類設備的自動控制和來自操作面板控制信號的處理。

4 結(jié)論

筆者設計了一種飛機地面空調(diào)和液冷集成的航空地面綜合保障車，整車采取內(nèi)接柴油發(fā)電機組結(jié)

合外接電源的方式作為整車的動力，具備野外無市電情況下的伴隨保障能力；空調(diào)氣源和液體介質(zhì)輸送管路分離，防止冷卻介質(zhì)相互混合，避免介質(zhì)純凈度的降低；制冷換熱系統(tǒng)實現(xiàn)在線測量，實時監(jiān)控其壓力、溫度、流量和塵埃度等參數(shù)；使用可偏程控制器集中控制及監(jiān)控方式，具有較強的抗干擾能力和簡便的操作方法。航空地面空調(diào)液冷綜合保障車機動性強，可實現(xiàn)全天候無障礙保障，能夠滿足航空兵部隊和空軍場站對飛機空調(diào)、液冷綜合保障的需要，適應現(xiàn)代化的軍事活動和飛機地面保障需求，具有廣泛的軍事應用前景。

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