淺談大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)

彭瑩

【摘 要】大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)和液體冷卻系統(tǒng)相結(jié)合，可以為客機(jī)艙室環(huán)境、客機(jī)大功率電子設(shè)備和廚房餐車提供制冷，并維持適宜的溫度，以保障飛機(jī)電子設(shè)備正常工作和旅客舒適性。本文詳細(xì)闡述了大型客機(jī)的輔助冷卻系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)，以期為相關(guān)工作的發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵字】大型客機(jī);輔助冷卻;蒸發(fā)循環(huán)制冷;液體冷卻

中圖分類號(hào)： V245.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0029-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.012

【Abstract】Supplement cooling system for large commercial aircraft includes vapor cycle refrigeration system and liquid cooling system， provides cooling capacity for aircraft cabin environment， high power electronic equipment and galley carts to keep in appropriate temperature， to make sure electronic equipment normal operation and passenger comfort. The analysis of supplement cooling system and key technology shall provide reference for the development of the supplement cooling system in China.

【Key words】Large commercial aircraft; Supplemental cooling system; Vapor cycle refrigeration; Liquid cooling

輔助冷卻系統(tǒng)可用于冷卻客機(jī)艙室環(huán)境、客機(jī)大功率電子設(shè)備和廚房餐車等用冷用戶，是商用客機(jī)航線運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代先進(jìn)民用客機(jī)性能和舒適性要求的提高，以及電子元器件高度集成化的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)載電子設(shè)備不斷增多、功率也越來(lái)越大，導(dǎo)致熱載荷成倍增長(zhǎng)，同時(shí)廚房餐車用冷用戶需求日益增多，全機(jī)冷卻需求日益增長(zhǎng)，使得輔助冷卻系統(tǒng)的作用愈來(lái)愈重要。

1 技術(shù)背景

在新型大型客機(jī)A380、B787、A350上，由于飛機(jī)朝著多電化方向發(fā)展，機(jī)載發(fā)熱設(shè)備多、功率大，若仍使用傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)冷卻廚房和電子設(shè)備，則存在送風(fēng)管路大、噪聲大等問(wèn)題，且大功率電子設(shè)備熱流密度激增，冷卻需求大幅增加，傳統(tǒng)空氣循環(huán)冷卻已經(jīng)無(wú)法滿足要求。輔助冷卻系統(tǒng)由于其制冷量大、制冷效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)逐漸得到廣大研究者的青睞。國(guó)外先進(jìn)的機(jī)載輔助冷卻系統(tǒng)多采用液體冷卻系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行冷卻降溫。F-22戰(zhàn)斗機(jī)、AH-64“阿帕奇”直升機(jī)、E-2C“鷹眼”預(yù)警機(jī)等機(jī)型都采用了蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，其中，美國(guó)的 F-22 采用機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)和液體冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的飛機(jī)綜合熱能管理系統(tǒng)TMS（Thermal Management System）[1]，該環(huán)境控制系統(tǒng)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷方式與燃油液體循環(huán)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，滿足了先進(jìn)飛機(jī)中電子設(shè)備環(huán)境控制要求。國(guó)外專家為了在下一代飛機(jī)上更廣泛地應(yīng)用蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)進(jìn)行液冷，美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室、Dayton大學(xué)研究院和Fairchild 公司共同研發(fā)了一臺(tái)室內(nèi)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，旨在開發(fā)和驗(yàn)證蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的最優(yōu)控制方案和運(yùn)行機(jī)理，為蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)冷卻航空電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)控制規(guī)律進(jìn)行了研究[3]。隨后有學(xué)者[2]采用空氣循環(huán)系統(tǒng)與蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)相結(jié)合的方式，提出了一種飛機(jī)綜合熱能管理系統(tǒng)的方案，包括燃油循環(huán)系統(tǒng)、高溫防凍液循環(huán)系統(tǒng)、低溫防凍液循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)、滑油循環(huán)系統(tǒng)、液壓油循環(huán)系統(tǒng)等，空氣循環(huán)系統(tǒng)主要用于飛機(jī)座艙環(huán)境控制和小功率電子設(shè)備艙的冷卻，而蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)主要與液冷系統(tǒng)配合用于大功率電子設(shè)備的冷卻。B787電動(dòng)環(huán)境控制系統(tǒng)中應(yīng)用蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)和輔助液體冷卻技術(shù)，是未來(lái)民用飛機(jī)發(fā)展的重要方向[4]。

典型飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷、液體冷卻循環(huán)相結(jié)合[5]原理圖如圖1所示。

輔助冷卻系統(tǒng)由蒸發(fā)循環(huán)制冷和液體冷卻（液冷）循環(huán)兩個(gè)重要組成部分。蒸發(fā)循環(huán)制冷的功能是產(chǎn)生冷量，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥及連接管路組成，制冷工質(zhì)為R134a。液冷循環(huán)的功能是冷量傳輸，由泵、儲(chǔ)液罐、換熱器及管路附件組成，供冷工質(zhì)一般為熱容較高的液體，其從蒸發(fā)器中獲取冷量，在泵的推動(dòng)下將冷量傳輸至終端換熱器冷卻熱源。相比于空氣制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)循環(huán)制冷具有更高的系統(tǒng)效率，經(jīng)濟(jì)性好;且由于液冷循環(huán)工質(zhì)熱容較高，液冷系統(tǒng)管路尺寸及重量相對(duì)較小，終端換熱器為氣-液換熱器，比氣-氣換熱器具有更高的換熱效率。由于現(xiàn)代飛機(jī)需要的冷量不斷增加，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在某些大型旅客機(jī)上的應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，蒸發(fā)循環(huán)制冷/液體冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、具有較強(qiáng)的擴(kuò)展適應(yīng)性，能用于客機(jī)廚房設(shè)備冷卻、客機(jī)電子設(shè)備艙通風(fēng)冷卻、空調(diào)組件艙通風(fēng)冷卻、再循環(huán)空氣冷卻和大功率電子設(shè)備冷卻等。

2 B787飛機(jī)輔助冷卻技術(shù)

B787飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)包括蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)和液體冷卻系統(tǒng)。液體冷卻系統(tǒng)主要為高壓直流電子設(shè)備提供冷卻，采用沖壓空氣作為熱沉，通過(guò)沖壓空氣換熱器直接制冷，并將冷量轉(zhuǎn)移至液體載冷劑，利用電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)載冷劑液體流經(jīng)各個(gè)需液體冷卻的電子設(shè)備，載冷劑吸熱后再回到?jīng)_壓空氣換熱器進(jìn)行降溫;B787飛機(jī)廚房取消了傳統(tǒng)的冷氣機(jī)，取而代之是一套集中的蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)利用電動(dòng)制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷劑相變換熱，為廚房餐車制冷、座艙快速降溫、大功率電子設(shè)備冷卻提供冷量;提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)降低了廚房冷卻系統(tǒng)的重量，避免了各個(gè)冷氣機(jī)產(chǎn)生的熱空氣在飛機(jī)內(nèi)的傳播[6]。

3 A380輔助冷卻系統(tǒng)技術(shù)

A380輔助冷卻系統(tǒng)的其架構(gòu)特點(diǎn)主要與其液體冷卻用戶相關(guān)，輔助冷卻系統(tǒng)架構(gòu)采用沖壓空氣作為蒸發(fā)循環(huán)制冷模塊的熱沉，蒸發(fā)循環(huán)制冷模塊產(chǎn)生的冷量通過(guò)液體冷卻回路依次流經(jīng)各個(gè)廚房冷卻用戶，帶走廚房熱量，最后進(jìn)入再循環(huán)空氣換熱器，吸收再循環(huán)空氣熱量后回到蒸發(fā)循環(huán)制冷模塊中的換熱器進(jìn)行降溫循環(huán)。

4 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

輔助冷卻系統(tǒng)在國(guó)外民機(jī)上已逐步成熟應(yīng)用，但由于機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)是國(guó)外重點(diǎn)保密技術(shù)，實(shí)際可以查找并且運(yùn)用的資料比較少;我國(guó)與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，在適航規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證等方面仍有很大差距，我國(guó)大型客機(jī)正處于研制階段，在該領(lǐng)域缺乏相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于民用大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)的研究還處于起步階段，停留在部件模型理論研究。國(guó)內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)供應(yīng)商基于寬體客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)需求，開展了部分輔助冷卻系統(tǒng)研究工作，具有部分部件的技術(shù)積累，但尚無(wú)民用飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)獨(dú)立研制研制經(jīng)驗(yàn)。

5 關(guān)鍵技術(shù)研究

大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究方向主要包括大型客機(jī)能量綜合熱管理、輔助冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件研制、輔助冷卻系統(tǒng)仿真平臺(tái)的開發(fā)。

5.1 大型客機(jī)綜合能量熱管理研究

12345由于無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)還是采用蒸發(fā)循環(huán)制冷的輔助冷卻系統(tǒng)，其制冷能力取決于所需要的座艙熱載荷或大功率電子設(shè)備熱載荷。因此，需要通過(guò)綜合能量熱管理分析，將空氣循環(huán)制冷和蒸發(fā)循環(huán)制冷有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化全機(jī)熱載荷分布及制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完善輔助冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低全機(jī)能耗。

5.2 輔助冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件研制

國(guó)內(nèi)正在研發(fā)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和技術(shù)包括高性能雙級(jí)膨脹制冷技術(shù)、高效組合型線渦旋壓縮技術(shù)、微通道高效熱交換技術(shù)以及高可靠長(zhǎng)壽命流體密封技術(shù)等。在跟蹤國(guó)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)盡快立項(xiàng)開展相關(guān)研究，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主研發(fā)的大型飛機(jī)制冷系統(tǒng)的裝機(jī)服役提供貨架產(chǎn)品，逐步實(shí)現(xiàn)大型客機(jī)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化、系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。

5.3 輔助冷卻系統(tǒng)仿真平臺(tái)的開發(fā)

在整個(gè)飛行包線內(nèi)，飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及機(jī)載設(shè)備外界環(huán)境不斷變化，為適應(yīng)機(jī)載設(shè)備運(yùn)行狀況，保障系統(tǒng)及設(shè)備外部運(yùn)行環(huán)境，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，要求對(duì)輔助冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。輔助冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷包括電子設(shè)備散熱、廚房餐車、再循環(huán)空氣等，在不同飛行狀態(tài)及運(yùn)行工況下，系統(tǒng)熱載荷不斷變化，同時(shí)，蒸發(fā)循環(huán)熱沉溫度也隨高度不斷變化，為保證系統(tǒng)制冷量動(dòng)態(tài)管理，滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求，要求通過(guò)控制蒸發(fā)冷卻循環(huán)制冷劑過(guò)熱度、過(guò)冷度控制熱力膨脹閥開度以及沖壓空氣活門開度，通過(guò)液冷循環(huán)溫度及制冷量變化，控制泵轉(zhuǎn)速以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)制冷能力動(dòng)態(tài)變化。因此，應(yīng)搭建輔助冷卻系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā)，開展系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，找到一種使蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)始終能高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的控制率，使之能夠適應(yīng)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)熱負(fù)荷多變的情況，滿足機(jī)載環(huán)境要求。

6 結(jié)論

結(jié)合國(guó)外大型客機(jī)對(duì)輔助冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及大型客機(jī)系統(tǒng)多電化發(fā)展趨勢(shì)，可預(yù)測(cè)未來(lái)機(jī)載系統(tǒng)發(fā)熱量將持續(xù)增長(zhǎng)，飛機(jī)制冷需求也將不斷增加，對(duì)于輔助冷卻系統(tǒng)的制冷能力要求不斷提高，輔助冷卻系統(tǒng)應(yīng)用趨勢(shì)將更為廣泛，作用也將更加重要。本文對(duì)國(guó)外主流飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并分析了其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向，以期為國(guó)內(nèi)大型客機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)的研制提供指導(dǎo)，早日實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。

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