現(xiàn)代民航客機座艙增壓原理簡析

張志鐸　姚紅澤

【摘 要】民航客機座艙增壓系統(tǒng)的正常工作對于飛機的安全飛行以及飛機的適航性的符合有著重要的作用。本文對民航客機座艙增壓系統(tǒng)的工作原理做出介紹和分析，對于本系統(tǒng)原理的深入學(xué)習(xí)有一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】飛機；座艙高度；座艙增壓；數(shù)字式座艙壓力控制器

中圖分類號： V221 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.022

現(xiàn)代民航客機座艙增壓系統(tǒng)的功能是飛機在計劃的飛行高度范圍內(nèi)，使座艙高度①及座艙高度變化率（爬升率和下降率）能夠符合飛機結(jié)構(gòu)的安全要求，并滿足人體對座艙環(huán)境壓力和氧氣密度的基本生理需求。

1 增壓系統(tǒng)原理

增壓系統(tǒng)中，空調(diào)組件迫使空氣由空氣分配系統(tǒng)進(jìn)入飛機座艙，經(jīng)外流活門流出機外。座艙包括駕駛艙和客艙等，增壓控制系統(tǒng)能夠使座艙壓力高于外界環(huán)境壓力。飛行中，空調(diào)系統(tǒng)提供經(jīng)過調(diào)定溫度和流量的空氣進(jìn)入座艙，壓力的控制可通過控制外流活門的排氣量來實現(xiàn)。外流活門開度變大，排氣量增加，艙內(nèi)壓力減??；外流活門開度變小，排氣量減小，艙內(nèi)壓力增加。飛行中，外流活門的開度決定了增壓艙內(nèi)絕對壓力，外流活門的開關(guān)速率決定了增壓艙壓力變化率。

根據(jù)適航法規(guī)規(guī)定，飛機的座艙高度不能大于8000feet（英尺），飛機巡航高度一般在30000～40000feet之間，此時座艙內(nèi)外存在較大正余壓，外流活門處壓差最大。為保證座艙內(nèi)的壓力：飛機處于巡航狀態(tài)時，外流活門開度最小，座艙高度大；飛機在地面時，外流活門開度大，座艙高度低。

在起飛爬升和下降階段，人體對于增壓率和減壓率的適應(yīng)能力不同。增壓控制系統(tǒng)除了對座艙高度的限制外，對于座艙高度的變化率嚴(yán)格控制，座艙高度爬升率不得超過500feet/min，下降率不得超過350feet/min。座艙高度的變化率可通過外流活門關(guān)閉和開啟的速度來控制：活門關(guān)閉速度越大，座艙高度下降率越大；活門開啟速度越大，座艙高度爬升率越大。

2 座艙壓力制度

座艙壓力制度指在不同的飛行高度下，飛機座艙高度有規(guī)律的進(jìn)行控制。同時也表明在靜態(tài)調(diào)節(jié)特性下，壓力控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。現(xiàn)代民航飛機有兩種座艙壓力制度：三段式和直線式。前者用于低速飛機，本文只針對現(xiàn)代民航客機廣泛使用的直線式壓力制度進(jìn)行原理解析。

圖1為直線式座艙壓力制度，飛機在地面起飛爬升到巡航階段（a點到b點）時，飛行高度增加時與之對應(yīng)的座艙高度呈近似線性規(guī)律；在起飛爬升階段，座艙內(nèi)外壓差緩增，巡航階段時，壓差最大，并通過余壓限制器限制，防止飛機結(jié)構(gòu)受損。例如波音737飛機采用數(shù)字式座艙壓力控制器（CPC）對座艙壓力進(jìn)行控制，實現(xiàn)直線式壓力制度。

3 座艙增壓控制

現(xiàn)代民航客機的座艙增壓控制系統(tǒng)作用是控制空氣流出客艙的速率，其主要部件包括座艙壓力控制組件、數(shù)字式座艙壓力控制器（CPC）、外流活門。CPC是中央控制計算機，是實現(xiàn)壓力控制以及調(diào)節(jié)的核心元件，作為CPC執(zhí)行機構(gòu)的外流活門接受其指令執(zhí)行活門開度大小以及開關(guān)速率的動作。數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)采用電機驅(qū)動的外流活門，包括直流電機和交流電機?，F(xiàn)代大型民航客機采用的是數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)，其控制的座艙壓力以及變化率更能根據(jù)不同的飛行高度得到高精度的控制，因此的得到了廣泛的使用。

現(xiàn)代民航客機座艙增壓系統(tǒng)具有正常壓力控制和應(yīng)急壓力控制兩大功能，其中正常壓力控制系統(tǒng)為數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)。

3.1 座艙正常壓力控制系統(tǒng)

正常壓力控制系統(tǒng)采用數(shù)字式壓力控制（CPC）系統(tǒng)，它的組成部件包括程序編制器、座艙高度變化率限制器（限制座艙爬升率和下降率）和最大余壓限制器（監(jiān)控正余壓和負(fù)余壓）。起飛前，駕駛員將巡航高度、著陸高度等參數(shù)輸入數(shù)字式壓力控制器。增壓控制系統(tǒng)將根據(jù)起落架“空/地”傳感器和和飛行電門的信號自動編制本次飛行的增壓程序，在不同的飛行階段對座艙壓力進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3.2 座艙應(yīng)急壓力控制系統(tǒng)

正常增壓控制系統(tǒng)失效時，座艙高度、座艙高度變化率易超過限制值，使飛機處于不適航狀態(tài)。座艙內(nèi)壓力過低，人體對壓力和氧氣密度的基本生理需求得不到保障，嚴(yán)重時危及生命。另外隨著飛行狀態(tài)的改變，沒有得到有效控制的座艙壓力會使得座艙內(nèi)外壓差值（包括正壓和負(fù)壓）過大，對飛機結(jié)構(gòu)造成損傷。

座艙應(yīng)急增壓控制系統(tǒng)包括：正向壓力釋壓活門、負(fù)壓釋壓活門、壓力均衡活門和座艙高度警告系統(tǒng)。

1）正向壓力釋壓活門

正向壓力釋壓活門是失效安全裝置（又被稱為安全活門），當(dāng)活門故障卡阻于關(guān)位時，座艙內(nèi)壓力大于座艙外環(huán)境壓力一定值時，活門打開，將座艙內(nèi)空氣噴出，釋放了座艙壓力。例如波音737飛機艙內(nèi)壓力大于艙外壓力8.95psi②時，正向壓力釋壓活門打開，從而防止損壞飛機結(jié)構(gòu)。

2）負(fù)壓釋壓活門

負(fù)壓釋壓活門防止飛機快速下降期間產(chǎn)生負(fù)的壓差（座艙外的壓力高于座艙內(nèi)的壓力產(chǎn)生的真空壓力）損壞飛機結(jié)構(gòu)。例如波音737飛機，當(dāng)飛機外的壓力比飛機內(nèi)的壓力大1.0psi時，負(fù)釋壓活門打開。

3）壓力均衡活門

前后貨艙都安裝有壓力均衡活門，壓力均衡活門由兩個控制空氣流向不同的單向活門組成。其中一個單向活門控制空氣進(jìn)入貨艙，一個單向活門控制空氣排出貨艙，從而使得客艙和貨艙壓力保持一致。

4）座艙高度警告系統(tǒng)

座艙高度警告是指座艙高度10000feet時，座艙高度警告電門閉合，接通警告電路并發(fā)出音響警告，駕駛員可以切斷音響警告，直到座艙高度音響警告再次響起。當(dāng)座艙高度大于等于14000feet時，客艙乘客氧氣面罩自動釋放。

3.3 增壓工作模式

工作模式包括：自動模式、交替模式（備用模式）、人工模式。正常工作為自動模式，當(dāng)自動模式失效時，CPC將增壓系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為備用模式。當(dāng)系統(tǒng)檢測自動模式和備用模式都存在故障無法進(jìn)行自動增壓時，飛機增壓警告面板給出警告，提醒駕駛員使用人工模式進(jìn)行人工操作。

對于波音737機型，有2個外流活門。位于電子設(shè)備艙的前排氣活門除了輔助后外流活門對座艙進(jìn)行增壓外，還可實現(xiàn)對電子設(shè)備艙的冷卻功能。后外流活門有2個28V直流電機和一個48V交流電機，每次只有一個電機帶動活門進(jìn)行開關(guān)運動。在自動模式和備用模式下，CPC通過2個28V直流電機驅(qū)動后外流活門。當(dāng)自動模式和備用模式失效時，駕駛員可通過人工模式對48V交流電機對后外流活門進(jìn)行人工超控，實現(xiàn)對座艙壓力的人工控制。在增壓控制系統(tǒng)工作時，由于后外流活門向后排出空氣，因此可以產(chǎn)生一定推力，又被稱為推力回收活門。

波音737飛機前排氣活門彈簧將活門保持在開位，當(dāng)飛機開始增壓，流過活門的空氣流量逐漸增加30lb/min鐘時，活門關(guān)閉。此時產(chǎn)生的1psi的壓差將活門保持在關(guān)閉位置。

3.4 自動模式座艙高度剖面

圖2為波音737飛機飛行中自動模式下的座艙高度剖面，增壓系統(tǒng)在自動模式中對飛機所有飛行階段進(jìn)行座艙壓力控制，包括六個飛行階段：地面、起飛、爬升、巡航、下降和著陸。增壓系統(tǒng)通過起落架“空/地”電門和兩臺發(fā)動機N1軸轉(zhuǎn)速的信息來判斷飛機處于地面還是空中，從而執(zhí)行了五種增壓程序：地面不增壓、地面預(yù)增壓、爬升程序、巡航程序和下降程序[1]。

1）地面不增壓程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，且兩臺發(fā)動機的N1③轉(zhuǎn)速小于50%至少1.5秒，這時CPC判斷飛機在地面狀態(tài)。此時外流活門全開，座艙處于自由通風(fēng)不增壓狀態(tài)。

2）地面預(yù)增壓程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，并且兩臺發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速至少在1.5秒內(nèi)增加到60%以上，這時CPC判斷飛機處于起飛前或者著陸前時的狀態(tài)。此時CPC將座艙增壓到低于場壓高度0.1psi（即輸出189feet的偏壓信號），外流活門部分關(guān)閉，這樣防止飛機在起飛時沖擊氣流對座艙造成的壓力瞬時增加。

3）起飛爬升程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在空中狀態(tài)時，座艙增壓系統(tǒng)執(zhí)行起飛爬升程序。CPC根據(jù)飛行前輸入的巡航高度自動編制增壓程序，不斷調(diào)節(jié)后外流活門的開度以及關(guān)閉速率，使得每一個飛行高度都有一個與之對應(yīng)的座艙高度以及座艙高度變化率，直到飛機到達(dá)設(shè)定的巡航高度。

4）巡航程序

當(dāng)飛機外部環(huán)境的壓力降低到飛行巡航高度選擇的壓力0.25psi時（即與巡航高度相差400feet時），CPC控制系統(tǒng)進(jìn)入巡航狀態(tài)。飛機在巡航狀態(tài)時，飛機不可能時刻精準(zhǔn)的保持在巡航高度上，飛機的飛行高度會改變。設(shè)置0.25psi控制信號的目的是為了防止飛機（下轉(zhuǎn)第35頁）（上接第59頁）由于飛行高度的改變造成CPC頻繁的工作切換，造成使用壽命減少。因此在巡航高度上下相差800feet的范圍內(nèi)，CPC使后外流活門處于全關(guān)位[2]。

5）下降程序

當(dāng)飛機外部壓力增加到大于飛行高度選擇的0.25psi時（即飛機的飛行高度低于巡航高度400feet時），CPC執(zhí)行下降階段增壓程序。此時CPC控制后外流活門開度逐漸增大，并控制外流活門開啟的速率，此程序按照壓力制度預(yù)定的座艙高度與飛機高度的線性關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證座艙高度和座艙高度變化率不超限。當(dāng)飛機接地時，CPC將座艙壓力增加到比選定的著陸高度低0.15psi的壓力（即輸出300feet的偏壓信號）。飛機接地后，起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，CPC執(zhí)行地面預(yù)增壓程序。當(dāng)飛機停機時，兩臺發(fā)動機的N1轉(zhuǎn)速小于50%至少1.5秒，CPC執(zhí)行地面不增壓程序。至此，座艙增壓控制系統(tǒng)完成了對飛機不同飛行階段完整的增壓控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李元鏡，飛續(xù)飛試驗載荷譜（5乘5譜）編制方法初探[J].《民用飛機設(shè)計與研究》，2002，3，1-11.

[2]任仁良，張鐵純.渦輪發(fā)動機飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.11，292-302.

注釋：

①座艙高度是指座艙內(nèi)部氣壓所對應(yīng)的所在高度的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力.

②psi，英制壓強單位，磅每平方英寸.

③N1軸，CFM56-7B發(fā)動機發(fā)動機低壓軸.