淺析飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

牛 元 源

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京　210094)

1　飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)由來(lái)

飛上藍(lán)天像鳥(niǎo)兒一樣自由翱翔曾經(jīng)一直是人類的夢(mèng)想，而飛上天際之后怎樣適應(yīng)那里的環(huán)境，這就誕生了飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的雛形——保暖飛行服。在20世紀(jì)初，英吉利海峽被一名來(lái)自法國(guó)，名叫路易·布萊里奧所征服，因?yàn)榧夹g(shù)條件的限制，飛行的距地高度與飛機(jī)承載能力都有一定的局限性，所以當(dāng)時(shí)他所穿的便是保暖飛行服。直到1936年，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)始逐漸被安裝與使用，大大改善了飛行員的飛行條件，讓他們?cè)谌f(wàn)丈高空也能如魚(yú)得水般施展自己的飛行能力。

2　安裝飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的必要性

2.1　高空低壓

空氣的重量產(chǎn)生了壓力，地球引力又造成了大氣分布的不均勻，越靠近地表的大氣密度越大，故其壓力就越大，而距離地表越遠(yuǎn)，則空氣越稀薄，大氣壓力也就隨著減小。當(dāng)飛行員飛上高空后，大氣壓力便會(huì)漸漸降低，組織氣腫、胃腸脹氣之類的高空減壓癥便會(huì)接踵而來(lái)。人體之中的氣體在壓力降低的情況下會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和的情況，與之相隨的是氣泡的產(chǎn)生，血液循環(huán)就會(huì)受到阻礙，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)也會(huì)有一定的壓迫性，緊接著就會(huì)引起關(guān)節(jié)和頭部的疼痛。當(dāng)飛行員飛行到19 200 m時(shí)，大氣壓力就會(huì)降到47 mm Hg，37 ℃是水在這個(gè)壓力下的沸點(diǎn)，可以看出它和人體的正常體溫相等，在這樣一種環(huán)境中暴露的人，其體內(nèi)的液體會(huì)因?yàn)檫_(dá)到了其沸點(diǎn)而沸騰，汽化后的人體內(nèi)液體會(huì)使人的皮膚出現(xiàn)水腫的現(xiàn)象，人體溫度會(huì)逐漸降低，一直到無(wú)法生存的境地，所以改善高空低壓是房間空調(diào)系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。

2.2　高空低溫

平流層的溫度大致是-56.5 ℃，在這樣寒冷的環(huán)境下，冷凍損傷或者誘發(fā)加重某些病癥如哮喘、缺血性心臟病、腦卒中等情況會(huì)發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到生命安全。

2.3　高空缺氧

隨著飛行高度的增加、大氣壓力的降低和空氣密度的降低，單位體積氧含量的下降直接導(dǎo)致人體血氧飽和度降低，從而發(fā)生高原缺氧現(xiàn)象。當(dāng)飛行到6 km時(shí)，會(huì)有嚴(yán)重缺氧的現(xiàn)象，這時(shí)人體的新陳代謝功能已經(jīng)在很大程度上被破壞。繼續(xù)飛行到7 km時(shí)，此時(shí)大腦皮層耗氧量的最小值已經(jīng)無(wú)法被人體的新陳代謝活動(dòng)所滿足，大腦很快就會(huì)失去知覺(jué)，產(chǎn)生突然虛脫。所以為飛行員補(bǔ)充充足的氧氣是飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的必然要求。

3　常用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀

3.1　蒸發(fā)循環(huán)

工質(zhì)是液態(tài)制冷劑，并且可以在常溫下發(fā)生相變。蒸發(fā)循環(huán)閉式系統(tǒng)由四大部分組成：蒸發(fā)器，壓縮機(jī)，冷凝器和膨脹閥。低溫低壓的制冷劑通過(guò)蒸發(fā)器變成氣態(tài)并且?guī)ё呤覂?nèi)多余熱量，通過(guò)壓縮機(jī)使低溫低壓氣態(tài)制冷劑變成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，之后再進(jìn)入冷凝器使制冷劑與熱媒交換熱量后變成高溫高壓液態(tài)制冷劑，此時(shí)熱量已經(jīng)被傳遞出去。此時(shí)的高溫高壓進(jìn)入膨脹閥后被節(jié)流成低溫低壓的液態(tài)制冷劑后進(jìn)入蒸發(fā)器開(kāi)始下一輪循環(huán)?？梢?jiàn)蒸發(fā)閉式循環(huán)中的制冷劑是“熱量的搬運(yùn)工”，將蒸發(fā)器一端的空氣中的熱量吸收然后搬運(yùn)到冷凝器一端，將冷凝器一端的空氣加熱，從而實(shí)現(xiàn)了熱量的交換與溫度的更迭。

此系統(tǒng)在民用機(jī)上的普遍性不及高性能飛機(jī)，不過(guò)它的經(jīng)濟(jì)性較好，具有節(jié)省燃油的優(yōu)點(diǎn)，可以作為飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)化選擇之一。

3.2　空氣循環(huán)

工質(zhì)是隨處可見(jiàn)的空氣，此循環(huán)利用壓縮空氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹從而得到低溫氣流。它由冷空氣管與熱空氣管兩段氣體管路組成。其中熱空氣管中是由壓氣機(jī)直接引來(lái)的氣體，根據(jù)冷回路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，由冷回路系統(tǒng)中透平冷卻器的類型來(lái)分，將空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)分為三類：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、透平壓縮機(jī)和渦輪壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)。其原理是由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)引氣，將冷空氣氣流與熱空氣氣流在混合腔中混合，從而達(dá)到獲得理想溫度送風(fēng)溫度的氣體。根據(jù)和旋轉(zhuǎn)空調(diào)面板的溫度控制旋鈕至適當(dāng)位置路徑的季節(jié)特征的不同需求試點(diǎn)，溫度控制器連接到輸入命令飛行員，與接收管道溫度傳感器和溫度傳感器相比，熱也在降溫，從而控制冷空氣和熱空氣混合室滿足人體生理和工作的比例需要空氣。

此系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)行業(yè)之中，因?yàn)槠渚哂械妮^多優(yōu)點(diǎn)成為了被飛機(jī)制造商及飛機(jī)生產(chǎn)公司十分青睞的對(duì)象。

4　飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展淺析

空氣循環(huán)系統(tǒng)與蒸發(fā)系統(tǒng)相比，具有如下三個(gè)突出性優(yōu)點(diǎn)。

4.1　制冷工質(zhì)的環(huán)保和無(wú)變相變性

通過(guò)以上兩種循環(huán)比較可以看出，空氣不僅是容易得到的工質(zhì)，而且在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變，最重要的是空氣不會(huì)污染大氣，而制冷劑中被廣泛使用的氟利昂等對(duì)臭氧層會(huì)造成不可逆的損害，所以要盡量減少此類制冷劑的使用，并且對(duì)于航空來(lái)說(shuō)，就地取材不僅環(huán)保，而且經(jīng)濟(jì)效益也是十分可觀的。

4.2　制冷范圍較寬并且低溫下運(yùn)行性能好

現(xiàn)代的大型飛機(jī)從地面飛到10 000 m的高空之上，溫差變化之大所以必須用有較寬制冷機(jī)溫度范圍的空氣制冷循環(huán)來(lái)支持其系統(tǒng)的順利運(yùn)行。而且和蒸汽循環(huán)相比，在-72 ℃以下的制冷性能要強(qiáng)很多，所以在低溫條件的情況下，空氣制冷循環(huán)是不二之選。

4.3　空氣制冷設(shè)備可靠度較高并且維護(hù)方便

從上面敘述可以看到，空氣制冷裝置的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以可靠性與安全性都較高。由于該循環(huán)的制冷劑是隨處可得的空氣，不僅方便而且無(wú)需有泄露的擔(dān)憂。而在裝置維護(hù)方面，其移動(dòng)方便而且制冷劑也不需要回收，可見(jiàn)其擁有較高的便捷性。

就以上三點(diǎn)來(lái)說(shuō)，目前飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)在空氣循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展上可以投入大量資源，就其本身具有的優(yōu)點(diǎn)，將其優(yōu)點(diǎn)最大化，從而在創(chuàng)造最大效益的同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了能源，是一舉兩得的最佳途徑。