基于IMA的輔助冷卻系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用研究

段春　薛戰(zhàn)東

【摘 要】本文對民用飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)控制駐留IMA系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，首先分析了系統(tǒng)駐留IMA的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，然后設(shè)計(jì)了輔助冷卻系統(tǒng)原型樣機(jī)，并基于樣機(jī)和IMA平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，對駐留應(yīng)用的開發(fā)與驗(yàn)證工作內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。本研究內(nèi)容對權(quán)衡分析系統(tǒng)駐留IMA方案和輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】輔助冷卻系統(tǒng)；航電系統(tǒng)；應(yīng)用駐留

中圖分類號： V245.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.015

【Abstract】The application of civil aircraft Supplemental Cooling System （SCS） control technology based on IMA is researched. Firstly the design and develop process of the system hosted in IMA is analyzed ， and then the SCS prototype is designed. Based on the prototype and IMA structure the control system is designed. It then analyzes the key technology， the develop and verification work content of the hosted application. This research content can be used for reference during trade-off study between proposals of system hosted in IMA and design of SCS.

【Key words】Supplemental Cooling System；Avionics system；Hosted application

0 前言

民用飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)是為機(jī)載電子設(shè)備、餐車等用冷單元提供冷量的系統(tǒng)，已逐漸成為現(xiàn)代大型民用客機(jī)不可或缺的組成部分，是大型客機(jī)商務(wù)運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代大型客機(jī)熱負(fù)荷的不斷增加，使得輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為重要。將更多的非航電系統(tǒng)進(jìn)行控制綜合，將功能駐留于IMA系統(tǒng)（綜合模塊化航電系統(tǒng)）是現(xiàn)代大型客機(jī)發(fā)展的趨勢；其中輔助冷卻系統(tǒng)是大型客機(jī)的重要組成部分，該系統(tǒng)的功能駐留IMA系統(tǒng)是發(fā)展方向[1-3]。

國外民用飛機(jī)領(lǐng)先企業(yè)波音、空客公司有著深厚的民機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，已成功設(shè)計(jì)了多種機(jī)型的輔助冷卻系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的部分功能均駐留于IMA系統(tǒng)，具備節(jié)省重量、模塊化、更改和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，已在飛機(jī)上得到了良好的應(yīng)用。國內(nèi)民機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)研究起步較晚，在適航規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)可靠性和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面缺乏經(jīng)驗(yàn)[4-6]。有必要開展輔助冷卻系統(tǒng)功能駐留IMA的技術(shù)應(yīng)用研究，以識別并掌握基于IMA平臺的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求并形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)頂層要求和技術(shù)積累，作為現(xiàn)代先進(jìn)大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和IMA系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的重要支撐，為未來大型客機(jī)的研制工作奠定基礎(chǔ)。

1 駐留設(shè)計(jì)與開發(fā)過程

IMA平臺是高度綜合、開放和模塊化的平臺，其中包括遠(yuǎn)程接口單元、核心處理模塊和符合航空通信協(xié)議的龐大網(wǎng)絡(luò)等，其接口單元可以支持多種類型的數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)控制駐留IMA可減少系統(tǒng)控制器及電纜、提高模塊化程度、具備良好的擴(kuò)展性和可靠性。開展非航電系統(tǒng)仿真駐留研究是大型客機(jī)IMA系統(tǒng)集成研究的重要一環(huán)。

仿真輔助冷卻系統(tǒng)功能駐留IMA平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程如圖1所示。整個(gè)過程主要完成輔助冷卻系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制功能分解、駐留IMA的功能分析確定、基于IMA的控制邏輯設(shè)計(jì)、駐留應(yīng)用軟件開發(fā)、軟硬件集成調(diào)試和IMA平臺集成綜合測試。在開發(fā)與驗(yàn)證過程中，模擬部分信號激勵(lì)、開發(fā)部分仿真模型和研制相關(guān)試驗(yàn)件是必要的支撐；IMA平臺作為駐留應(yīng)用的載體，需對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源分配、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、安全性設(shè)計(jì)與評估、系統(tǒng)集成試驗(yàn)等工作。

仿真系統(tǒng)駐留IMA并進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)與驗(yàn)證，是多系統(tǒng)IMA集成研究的重要組成，有助于權(quán)衡分析潛在系統(tǒng)駐留IMA方案，提升飛機(jī)主制造商IMA多系統(tǒng)集成能力，提升非航電系統(tǒng)駐留IMA控制系統(tǒng)正向分析與設(shè)計(jì)能力，提升軟件開發(fā)及測試能力。

2 駐留系統(tǒng)原型

輔助冷卻系統(tǒng)將廚房冷卻模塊、大功率電子設(shè)備等的熱負(fù)載轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)由制冷單元和冷卻回路組成，制冷單元的主要作用是產(chǎn)生冷源；冷卻回路作用是將制冷單元產(chǎn)生的冷量輸送到個(gè)熱載荷。輔助冷卻系統(tǒng)的原理樣機(jī)架構(gòu)示意如圖2所示，采用沖壓空氣冷卻，通過冷卻回路將各熱載荷的熱量傳遞給制冷單元，再通過制冷單元將熱量排至機(jī)外，以滿足各熱載荷的冷卻需求。

輔助冷卻系統(tǒng)分為兩部分。系統(tǒng)控制層級和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層級。風(fēng)扇、作動(dòng)器和泵等自身都具備驅(qū)動(dòng)控制，通過總線與系統(tǒng)控制層通訊，完成接收命令、執(zhí)行和反饋狀態(tài)等。

3 駐留技術(shù)應(yīng)用仿真

基于IMA平臺架構(gòu)，結(jié)合前文所述輔助冷卻系統(tǒng)原理樣機(jī)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制架構(gòu)，如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)級的控制基于IMA平臺設(shè)計(jì)，應(yīng)用開發(fā)符合IMA平臺的規(guī)范要求；開發(fā)的駐留應(yīng)用在IMA系統(tǒng)中運(yùn)行，通過遠(yuǎn)程接口單元連接系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制命令和接收反饋狀態(tài)。另外需要設(shè)置必要的外部環(huán)境模擬設(shè)備，用于模擬外部輸入條件和顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

輔助冷卻系統(tǒng)功能駐留IMA系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)與驗(yàn)證工作包含以下內(nèi)容：

（1）基于IMA平臺進(jìn)行輔助冷卻系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)；

（2）開發(fā)駐留于IMA系統(tǒng)的輔助冷卻系統(tǒng)應(yīng)用軟件；

（3）完成輔助冷卻系統(tǒng)駐留應(yīng)用軟件的調(diào)試；

（4）完成外部環(huán)境信號模擬設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)；

（5）開展集成試驗(yàn)，完成對輔助冷卻系統(tǒng)控制功能的驗(yàn)證。

仿真輔助冷卻系統(tǒng)駐留應(yīng)用開發(fā)與驗(yàn)證過程中的技術(shù)關(guān)鍵包含系統(tǒng)駐留IMA功能分析、基于IMA的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、基于IMA的駐留應(yīng)用軟件開發(fā)及測試、基于IMA平臺的系統(tǒng)級集成測試與驗(yàn)證。

4 結(jié)語

隨著客機(jī)性能和運(yùn)載能力的不斷提升，機(jī)載電子設(shè)備及用冷單元的熱負(fù)荷不斷加大，控溫需求日益提升。現(xiàn)代民用飛機(jī)朝著多電化和綠色節(jié)能的方向發(fā)展，非航電系統(tǒng)功能駐留IMA亦是發(fā)展趨勢。輔助冷卻系統(tǒng)具備制冷量大，且能效比高、不需要發(fā)動(dòng)機(jī)引氣、燃油代償損失小等優(yōu)勢。本文對輔助冷卻系統(tǒng)功能駐留IMA的技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用探索，為大型客機(jī)機(jī)載輔助冷卻系統(tǒng)研制打下基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集成具有重要意義。

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