飛行器環(huán)境控制技術

飛行器環(huán)境控制技術

飛行器環(huán)境控制技術又稱飛行器空調技術，是指在各種飛行條件下，使飛行器座艙〔或設備艙〕內空氣的壓力、溫度、濕度、潔凈度及氣流速度等參數(shù)適合人體生理衛(wèi)生要求，保證乘員生命平安、舒適，滿足設備冷卻、增壓要求和設備正常工作的技術。.飛行器環(huán)境控制原理〔熱力循環(huán)〕.飛行器空氣調節(jié)組成部份1、氣源分系統(tǒng)--用以保證座艙增壓、通風的供氣源；2、加溫和制冷分系統(tǒng)--保證艙內加溫和制冷，以使艙內溫度獲得良好的調節(jié)；3、空氣分配分系統(tǒng)--用以保證經過調溫的通風空氣均勻地輸入和分布于座艙內，使艙內產生適宜的溫度場和速度場，以獲得艙內適宜的熱力環(huán)境條件；4、調節(jié)控制設備或分系統(tǒng)--用以保證艙內壓力調節(jié)、溫度調節(jié)、濕度調節(jié)以及供氣調節(jié)等的各種調節(jié)器或控制器，包括傳感器、放大器和執(zhí)行機構等；5、平安輔助設備--用以保證系統(tǒng)可靠工作和防止系統(tǒng)與艙內產生故障的各種設備和裝置；6、指示和訊號設備--用以顯示各種壓力、溫度、流量、高度等的指示儀表和設備。.飛機空氣調節(jié)歷史1944年美國在P-80戰(zhàn)斗機上首次采用了簡單式空氣循環(huán)冷卻技術，利用風扇產生的抽風或引射作用冷卻熱交換器的冷邊。由氣源來的高溫、高壓空氣預冷后，通過渦輪膨脹作功降溫，供給座艙或電子設備艙。簡單式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)結構簡單、重量輕、易安裝并能在地面停機狀態(tài)工作。但由于渦輪轉速和效率隨飛行高度有較大的變化，因此性能不能充分滿足低空和高空飛行要求。多用于早期的飛機上，如：F-101、F-105、F-5E、B-52等。.飛機空氣調節(jié)開式空氣循環(huán)冷卻技術閉式空氣循環(huán)冷卻技術閉式蒸發(fā)循環(huán)冷卻技術

.升壓開式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)1950年代末出現(xiàn)了升壓式空氣循環(huán)冷卻技術，利用渦輪輸出功驅動同軸上的壓氣機以升高渦輪進口空氣的壓力，使渦輪膨脹比增大，獲得較低的渦輪出口溫度。在相同的供氣條件下，升壓式比簡單式制冷能力大，飛行高度變化時，升壓式渦輪冷卻器轉速變化小、工作平穩(wěn)、使用壽命長。升壓式空氣冷卻技術在早期的英、美飛機上被廣泛使用，如：F-14、F-15、F-16等。.逆升壓開式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)逆升壓式空氣循環(huán)冷卻技術與升壓式的流程相反。渦輪膨脹作功驅動的壓氣機不是用來升高渦輪進口空氣壓力，而是用于降低渦輪出口空氣壓力，同樣可增大渦輪的膨脹比，提高制冷能力。此技術主要應用于飛機外掛的導彈和電子設備吊艙的冷卻。.簡單－升壓式冷卻系統(tǒng)1960年代出現(xiàn)了三輪式空氣循環(huán)冷卻技術，又稱簡單-升壓式。它利用空氣在渦輪中膨脹作功驅動同軸壓氣機與風扇進行制冷。由氣源來的高溫高壓空氣在初級熱交換器中預冷后進入壓氣機升壓、升溫，再經次級熱交換器冷卻后進入渦輪膨脹作功，并進一步降溫，最后供座艙或電子設備艙使用。它綜合了簡單式和升壓式的優(yōu)點，所需的供氣壓力低、功率小、渦輪功率大局部為壓氣機吸收，充分利用能量，解決地面停機狀態(tài)下的座艙制冷問題。三輪式空氣循環(huán)冷卻技術多用于大型民用飛機，如：A-300、DC-10等。.開式空氣冷卻系統(tǒng)除濕1960年代出現(xiàn)了低壓除水空氣循環(huán)冷卻技術。利用在渦輪冷卻器出口〔低壓處〕安裝一個水別離器的方法進行除水。低壓除水空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)結構簡單、重量輕、價格廉價，在1970年代飛機上廣泛采用這種技術。低壓除水技術的效率低、降低了制冷能力，被1970年代開展起來的高壓除水技術取代。高壓除水就是指除水發(fā)生在渦輪進口的高壓處。氣源的高溫高壓空氣經過初級熱交換器預冷后，經壓氣機壓縮，進入次級熱交換器降溫，再流入冷凝器熱邊，利用渦輪出口的冷空氣再次降溫。.閉式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)閉式空氣循環(huán)冷卻技術與開式非常相似，可分為發(fā)動機高溫高壓引氣驅動的三輪動力渦輪、電機驅動和發(fā)動機齒輪箱驅動等。發(fā)動機高壓引氣驅動的三輪動力渦輪的閉式循環(huán)較其它兩種驅動形式在設計上對飛機性能代償損失最大，但它的重量輕，結構簡單，尺寸小，可靠性高。核心部件是動力渦輪/壓氣機/制冷渦輪的三輪裝置，改變動力渦輪的噴嘴開度或使用進口壓力調節(jié)器都可以方便地調節(jié)制冷量。.F－22戰(zhàn)斗機的空調系統(tǒng)空調系統(tǒng)為開式空氣/閉式蒸發(fā)循環(huán)混合冷卻技術，整個環(huán)境控制系統(tǒng)的制冷能力可達60kW。1、空氣循環(huán)利用了高壓和低壓兩級分水的兩輪升壓開式空氣循環(huán)冷卻技術，次級換熱器用冷卻液作為熱沉。2、蒸發(fā)循環(huán)利用兩級蒸汽壓縮技術。制冷劑的冷凝器是用第一個回路中的冷卻液作熱沉，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收電子雷達設備冷卻液循環(huán)中的冷卻液的熱量。3、冷卻液作為載冷體分為兩路獨立循環(huán)，一路作為次級熱交換器和制冷劑冷凝器的熱沉，另一路冷卻雷達電子設備。4、燃油循環(huán)中燃油作為熱沉吸收冷卻液、液壓油和發(fā)動機潤滑油的熱量后，一局部去發(fā)動機，另一局部經沖壓空氣散熱后回到油箱。.空天飛行器的空調系統(tǒng)超高速〔Ma≧5〕飛行技術將深刻影響未來戰(zhàn)爭。戰(zhàn)場空間更加廣闊：超高速偵察機對幾百公里或上千公里外的目標實施偵察，最多只需10多分鐘；超高速轟炸機可在短時間內實施大范圍轟炸；超高速導彈能對敵較遠縱深內的加固或地下目標實施精確打擊；空天飛機既能作為航空兵參加空地聯(lián)合作戰(zhàn)，又能參加天軍行列，征戰(zhàn)太空。突防能力更加強大：超高速飛行器的飛行速度將使得防空系統(tǒng)的攔截概率因反響時間太短而大幅度下降，具有較高的突防成功率，因而可有效地制約預警和武器系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。當巡航導彈以Ma=4的速度在24km以上的高空高速飛行時，俄羅斯最先進的SA－10和SA－12防空導彈的攔截概率為0.3，當速度升至Ma=6時，攔截概率只有0.01。精確作戰(zhàn)效能更高：超高速動能武器不僅通過熱輻射和沖擊波造成毀傷，而且依靠直接命中來破壞目標的內部結構，精確打擊時附帶的損傷比常規(guī)精確制導武器要小得多，超高速炮彈只有1.5kg就能使一座橋梁解體。.國外的空天飛行器研究方案目前在高超聲速飛行器方面的研究主要有美國的Hyper－X方案、法國PREPHA方案、德國的高超聲速導彈方案〔簡稱HFK技術方案〕、俄羅斯高超聲速技術飛行試驗方案【“冷〞〔Холод〕方案、“鷹〞(Орел)方案、“彩虹－D2〞(Радуга－д2)和“鷹－31〞〔Орел－31〕等4個飛行試驗方案】、日本的高超聲速運輸機研究方案、印度的先進吸氣式跨大氣層研究〔AVATAR方案〕等。.美國波音公司的X－43A美國波音公司開展的超高速飛行器X－43A，飛行速度約10倍音速，到目前已經做過了7次試驗，每次試驗都是10秒左右的短時間飛行，其主要目的是驗證超燃發(fā)動機，短時高速飛行由于飛行加熱時間很短，飛行器體表的總加熱量較小，X－43A的鼻錐使用了鎢合金材料，機身大量采用碳－碳復合材料，使用低溫氫燃料冷卻飛行器體表。在2004年11月16日X－43AMa=9.8的自由飛行中，這次飛行更高的速度產生的氣流滯止溫度大約為3038℃，飛行器鼻錐外表溫度到達1982℃，加熱速率提高到了2004年3月27日的飛行的2倍，那次飛行機翼前緣產生了1427℃的最高溫度。.美國波音公司的X－43A.美國的常規(guī)彈頭洲際導彈方案2006年5月29日，?紐約時報?披露，美軍為了對全球敵手實施先發(fā)制人打擊，五角大樓正在敦促國會批準部署一種新型非核洲際彈道導彈，以便在發(fā)現(xiàn)敵方目標一個小時之內實施快