飞行器制冷系统的发展与展望

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1、 302 飞行器制冷系统的发展与展望 摘摘 要要 总 结 了 近 年 来 飞 行 器 制 冷 系统的发展趋势，介绍了飞行器制冷系统的组成 的 各 个 分 系 统 并 分 析 了 各 类 飞 行 器 制 冷 系统的优缺 点，综述了 飞行器环境 制冷系统的 发展 趋势。 关 键 词关 键 词 飞行 器 制冷系统 热沉 0 引言 0 引言 飞行器环境控制系统(ECS)即飞行器空气调节系统，主要功能是为旅客、空勤人员 和电子设备提供调节空气，以满足舱内加热、冷却、增压、通风和湿度调节的要求。 其中，核心部分是飞行器的制冷系统，随着时代的发展，人们对飞行器制冷系统提出 了更高的要求。 1 飞行器制冷系统

2、介绍 1 飞行器制冷系统介绍 飞行器制冷系统直接与飞机的性能有关。因此，ECS 的发展是与制冷系统的发展 密切相关的。ECS 中的制冷系统主要有两大类型：蒸发循环制冷系统和空气循环制冷 系统。由于飞机上空气循环制冷的综合优势，目前大部分的飞机几乎都采用了空气循 环制冷系统。 空气循环制冷系统是利用高压源供给的空气来制冷的高压空气通过一个涡轮，由 于在涡轮中膨胀作功，空气本身的温度和压力大大降低，从而达到降温或制冷的目的。 为了利用这部分功，涡轮可以带动风扇、压气机、泵或其它辅助装置，这样高压空气 中的热能就转换成可用的机械功 飞机上采用的空气循环制冷系统主要有以下几种型式： 1.1 升压式空气

3、循环冷却系统 现在在喷气式飞机上用发动机作为增压供气源较多地采用升压式冷却系统。这是 由于：升压式空气循环冷却系统可以部分解决在高空中发动机压气机出口压力低的问 题，保证为座舱增压；提高了冷却涡轮进口处的压力，增大的涡轮的膨胀比，使得其 制冷能力较简单式空气循环冷却系统的大；在相同制冷能力下其供气压力可以较低， 对飞机的影响小，飞机的燃油代偿性能损失小；其涡轮运转比较平稳，使用寿命较长。 但是该系统在地面静止或起飞滑跑时的制冷能力小 10。 1. 2 简单式空气循环冷却系统 由于飞机发动机由活塞式向喷气式转变，使得发动机压气机出口压力高，引气不 仅可以增压还可以提供空调制冷气源，巩固了空气循环

4、制冷在飞机上的应用。这种系 筑 龙 网 w w w . z h u l o n g . c o m 303 统也是目前最简单、最轻的一种冷却系统。这种系统采用涡轮驱动风扇作为耗能和抽 风的工具，随着飞行高度的增加，风扇端负荷减少，从而使涡轮冷却器转速增加，所 以其飞行高度受到限制。 1.3 升压式与简单式组合的空气循环制冷系统（又称为三轮式空气循环冷却系统） 随着喷气式发动机的发展，空气循环制冷系统提出了把升压式和简单式组合起来 的一种冷却系统。这种系统的特点是：冷却涡轮用以传动一根轴上的冷却空气风扇和 升压式压气机，这样既吸收了升压式系统的优点，供气压力小，节省功率，制冷量较 大；又吸收了简

5、单式系统的优点，在地面有冷却能力；并且升压式压气机吸收了冷却 涡轮的主要功率（85） ，可防止冷却装置和风扇过速。 1.4 除水式空气循环制冷系统 当空气循环制冷系统在地面或低空应用时（如直升机、旅客机等） ，外界环境的高 湿条件会对飞机座舱和设备舱产生影响：使得电子设备发生故障，降低环境控制系统 的制冷量。因此需要将水分除去。除水式空气循环系统主要是基于前述的几种空气循 环制冷系统，将相应的除水设备结合进来。通常有两种除水系统：低压式除水系统和 高压式除水系统。 （1） 低压式除水系统 在简单式升压式和三轮升压式空气循环制冷系统中都应用过低压除水系统。低压 除水系统存在一系列的缺点：系统引气

6、量大，水分离器的维修工作量大制冷能力有限， 低压水分离器的除水效率低等。但是其与高压除水系统相比，有如下优点：系统附件 数少，相当高压除水系统的 82%；系统重量轻，相当高压除水系统的 63%；相对销价低， 只是高压除水系统的 83%；工作可靠性高，MTBF 值相当高压除水系统的 140% 6。这些 优点受到了许多厂商的青睐。 （2） 高性能空气循环制冷系统（即高压除水空气循环制冷系统） 为解决上述低压除水系统的问题，出现了高压除水空气循环制冷系统。高压除水 系统大大减少了发动机的引气量，提高了系统的性能系数，在高压端除去水分，除水 效率高，可改善系统的制冷效果和冷却涡轮的工作条件，并可明显降

7、低通风冷却空气 的含湿量。从 70 年代末由于开式空气循环制冷系统采用了高压除水技术，与此同时， 空 气 动 压 轴 承 使 涡 轮 冷 却 器 的 转 速 由 原 来 的5104 6104r/min 提 高 到1 106r/min 以上，涡轮冷却器的效率由原来的 60%70%提高到 85%以上，使得空气循环 制冷技术在 ECS 的应用中取得了突破性的进展 6。 目前采用的高压除水系统主要有：两轮简单式高压除水系统，两轮升压式除水系 统，三轮升压式高压除水系统，四轮升压式高压除水系统，并已经用于各种飞机上。 这些高压除水系统都是在原有的空气循环制冷系统中在压缩机和冷却涡轮之间增设了 一些设备（

8、例如回热器、冷凝器和水分离器等） 。 三轮升压式高压除水系统是目前采用的高性能制冷系统，它可以充分利用涡轮的 304 制冷能力和回流部分座舱空气，与低压除水系统相比可以节省 30%左右的发动机压气 机的引气量，除水效率要提高 10%15% 7，这部分能量又可以回收利用，从节约能量 的观点出发，这种系统是最好的。 四轮升压式高压除水系统是在三轮式基础上发展起来的一种系统形式，该系统增 加了一个冷却涡轮，由一级膨胀变为两级膨胀，可以降低气流通过涡轮的能量损失。 这种系统将冷凝器装在两个涡轮之间，大大降低了冷凝器冻堵的可能性。 上述介绍的高压式除水系统存在一些问题：系统布置上采用开式循环，发动机引

9、气量大，增加了系统性能代偿损失；采用第一、二级热交换器作为预冷器，引气的预 先冷却，高温气体的能量通过传热带走，损失了一大部分可利用的能量；此外冲压空 气冷源也存在大的系统性能代偿损失。 而动力涡轮驱动部分闭式环控系统(简称为动力 涡轮系统)可较好地解决上述问题，它具有以下特点：发动机引气不经过预冷而直接在 引气温度、压力下进入动力涡轮，系统充分利用了发动机压气机引气的能量驱动空气 循环机系统，因此，可以有效提高系统性能系数；引气在动力涡轮中热能转化为机械 功输出给压气机，利用了引气的可用能量，而且引气经动力涡轮膨胀温度降低,故动力 涡轮还起到了预冷的作用，其性能优于预冷热交换器 3。 1.5

10、 空气循环与蒸发循环组合式制冷系统 为了更好地满足飞机在地面停机及巡航式的各种制冷要求，并发挥空气循环和蒸 发循环各自的优点，有时采用空气循环与蒸发循环组合式制冷系统。随着蒸发循环部 件制造技术的进步，蒸发循环在飞机上的应用将日趋成熟。 2 飞行器制冷系统的发展趋势 2 飞行器制冷系统的发展趋势 现代发动机的发展对引气量变得越来越敏感，而机载电子设备对制冷量的要求在 不断增加。为了满足需要，飞行器制冷系统研究面临新的突破。具体表现在以下几个 方面： 2.1 飞行器制冷系统的动力源 目前研究较多的是动力涡轮驱动的飞行器制冷系统和以电力驱动的飞行器制冷系 统。动力涡轮或高速电动机均可直接驱动压气机

11、和空气循环机，可按能量需求控制压 气机和涡轮机的输出能力，以实现节能要求；可按流程要求构成空气闭式循环。 动力涡轮驱动的环境控制系统，可显著提高系统性能系数。由于可调喷嘴动力涡 轮，在设计制造技术上有很大的继承性，在 F-15 现役机的改进环境控制系统方案以及 在机载机电系统的 T/EMM 系统方案中均拟采用可调喷嘴动力涡轮驱动技术方案。该系 统能大幅度地降低冲压空气引气量、减少发动机引气量、降低起飞总重及增加系统性 能系数。因此具有很好的应用前景 5。 80 年代初期已有高速电动机驱动的环境控制系统方案研究报告。它具有节能、可 控性好等优点，更有利于构成闭式空气循环、空气/蒸发循环混合式闭式

12、循环等不同方 305 案。其工程应用有待于高速电动机驱动制造技术的突破，该项技术近几年发展很快。 结合多电飞机系统的发展方向，高速电动机驱动技术对环境控制系统发展可能带来较 大的影响 5。 动力涡轮驱动与高速电动机驱动相比，虽在节能和控制的实现处于劣势，但在设 计制造的继承性、结构简单及紧凑性、体积等方面均占优势。无论是哪种驱动方式都 要解决支撑、效率及可靠性等一系列问题。 2.2 闭式循环制冷系统 闭式空气循环制冷系统形式上与开式系统非常相似，其驱动形式有发动机高温高 压引气驱动的三轮动力涡轮、电机驱动和发动机齿轮箱驱动等。其中以高温高压引气 驱动的三轮动力涡轮的闭式循环较其它两种驱动形式在

13、设计点对飞机性能代偿损失最 大，但其重量最轻，结构简单，尺寸小，可靠性高。动力涡轮具有可调截面喷嘴，通 过调节进气道喷管面积使引气压力与所需制冷量相匹配。电子设备冷却系统中引入闭 式空气循环后，能满足高性能军用机大功率电子设备的冷却要求 4。 蒸发循环只是早先在飞机上应用短暂时间后，由于重量、体积、维护性等问题， 40 年代以来一直在飞机上是应用空气循环制冷。随着电子设备热负荷的增加，空气循 环制冷系统已不能满足其制冷量的要求，而蒸发循环的制冷系数大于空气循环制冷， 从目前来看，如果能够解决蒸发循环在空中使用所遇到的技术问题，则蒸发循环制冷 系统具备冷却电子设备的优势。随着蒸发循环制冷技术，特

14、别是制冷压缩机技术的进 步，并且采用高压直流电的高效永磁电机和电源技术，以及压缩机的气体轴承支撑， 消除了油与制冷剂相容的问题，使得蒸发循环具备了在飞机上进一步应用的条件。 闭 式蒸发循环制冷已经在 F-22 飞机的电子设备冷却上得到了使用 56。 2.3 飞行器制冷系统的热沉技术的发展 为了满足越来越大的冷负荷要求，早在 60 年代，美国就提出了以燃油作为热沉的 环境控制系统方案。燃油循环中燃油作为热沉吸收电子设备冷却液、液压油和发动机 润滑油的热量后，一部分去发动机，另一部分则经冲压空气散热后回到油箱，一方面 弥补一次循环燃油冷负荷的不足，另一方面对燃油温度起到调节作用，使发动机效率 最高

15、。 燃油作为热沉重点解决的是安全问题。 目前研究的方法是热交换器中设置缓冲区， 一种时设置中间换热流体循环，另一种是设置细小的缓冲通道，以排掉任何泄漏。同 时燃油作为热沉，是对环境控制系统带来的热载荷、液压部件带来的热载荷和发动机 中需要冷却部件带来的热载荷的综合管理，大大增加了系统动态特性的复杂性。有效 的热管理技术是发挥燃油作为热沉高效性能的必要保证，因此应用先进的能量交换效 率和热经济性分析技术，合理准确给出各个部件发热量、热交换效率及之间的相互影 响，设计并使用高效的能量交换系统，是发挥该系统潜能的关键。 综合机载机电系统将多电飞机作为将来的一种发展趋势。多电飞机的发展将彻底 306

16、改变整个飞机系统及其各个子系统的结构和设计方法，使部分取消主动降温方式成为 可能，同时机上燃油的缺乏和超负荷运转现状，促使寻找其它可替代热沉,如飞机机体 结构本身,以及新型制冷技术，如空间飞行器回路热管热控技术在战斗机上的应用，成 为当今军用飞机环境控制系统技术研究的热点 7。 2.4 制冷系统附件 在系统附件方面，空气动压轴承涡轮冷却器技术已趋成熟，并且具有效率高、寿 命长、无需维护等优点，是今后制冷系统中首选的涡轮冷却器 7。 3 结束语 3 结束语 飞行器制冷系统正面临着较大的突破，目前研究的一些新的技术成果在理论上是 可行的，但是在实用方面还需要进一步去研究。我国应结合实际发展需求制定发展计 划，学习借鉴国外已成熟的先进技术，重点开展关键技术的研究，如闭式或部分闭式 循环制冷系统，以燃油为热沉的热管理技术。并应该结合飞机上其它子系统的发展研 究，充分利用现在先进的计算机仿真技术、并行设计以及模拟技术，要发展能耗低、 经济性好、可靠性好、飞机整体性能又可得到改善的先进制冷系统及相关技术，这样 才能更