1、第六章 飛機空調系統現代科技廣泛采用密封增壓艙，這些增壓密封艙包括駕駛艙、客艙、設備艙以及貨艙部分。飛機座艙空氣調節系統是為這些區域創造良好的座艙環境，這是現代大、中型客機高空、高速飛行是保障旅客舒適性的必備條件，該系統的工作性能對于飛機的性能及其上座率有著重要的影響。第一節 概述一、大氣環境條件及其對人體生理的影響(一)大氣溫度和壓力隨高變化的規律地球的外表面被大氣層所包圍，大氣層總厚度約為3000km，但分布不均勻。將大氣分為五層，從地球表面向上分別是：對流層、平流層、中間層、電離層和散逸層。民用飛機基本上是在對流層飛行，最高升限接近平流層的下部。Atmospheric levels 對流

2、層 中間層平流層Ionosphere（電離層）熱層對流層頂平流層頂中間層頂exosphere 散逸層（外層）不同航空器的運行高度811 km1、大氣溫度與高度的關系由于太陽輻射使地表面溫度升高，地表受熱后，通過傳導和紅外輻射向其附近空氣散發熱量，而其中的紅外輻射大部分被大氣層部的二氧化碳和水蒸汽所吸收。對流層的主要特征是：空氣發生強烈的水平和垂直運動。高度每增加1km，氣溫平均下降6.5C，即氣溫隨高度的平均遞減率為-6.5C/km；另外，因為溫度下降，空氣的飽和含濕量下降。溫度隨高度的變化15C-56C11Z(km)t(C)0-0,65/100m202、大氣成分及大氣壓力與高度的關系大氣是多

3、種氣體和水蒸氣的混合物。從海平面到90km之間，大氣成分極為穩定，稱為均勻大氣層。在90km以上，大氣的相對成分開始隨高度和時間而變化，稱為非均勻大氣層。干潔大氣的主要成分 大氣壓力的單位為帕(Pa)或千帕(KPa)。在空調系統中，空氣的壓力是用儀表測出的，但儀表指示的壓力不是空氣壓力的絕對值，而是與環境大氣壓力的差值，稱為工作壓力(或表壓)，工作壓力與絕對壓力的關系為：絕對壓力=環境壓力+工作壓力(二)濕空氣的狀態參數和標準大氣1、濕度的概念及濕空氣的狀態參數濕度時表示空氣中水蒸氣含量多少的尺度。表征空氣濕度的狀態參數通常有以下四種：水蒸汽分壓力、絕對濕度、相對濕度及含濕量。所謂水蒸汽分壓力

4、是指水蒸氣在空氣中所占的分壓力，符號為pq，單位為Pa。由于空氣是由干空氣和水蒸氣組成的，那么它也符合道爾頓定律，大氣壓力等于水蒸汽分壓力和干空氣分壓力之和，即p=pq+pg從氣體分子運動觀點來看，氣體分子愈多，即撞擊容器壁的機會愈多，表現出來的壓力也愈高。因此，水蒸汽分壓力的大小反映了空氣中水蒸氣含量的多少。絕對濕度是用單位體積濕空氣中所含的水蒸氣的質量表示，符號為E，單位為g/m3或kg/m3。飽和空氣的含濕量稱為飽和含濕量。空氣的飽和含濕量隨著溫度的下降而減少。2、標準大氣標準大氣是由權威性機構頒布的一種“模式大氣”，它根據實測資料，用簡化方式近似地表示大氣溫度、壓力和密度等參數的平均垂

5、直分布。國際性組織頒布的稱為國際標準大氣，國家頒布的稱為國家標準大氣。通用的國際標準大氣的主要內容包括：(1)大氣是靜止的，空氣是干燥潔凈的理想氣體。(2)海平面大氣物理屬性的主要常數：溫度空氣密度空氣壓力音速標準重力加速度干空氣的氣體常數30/225.1mkg)760(325.1010mmHgPap sma/294.340020/80665. 9smg kgKJR/05278.287)15.288(1500KTCt(3)大氣溫度、壓力、密度隨高度的計算式為：在對流層（0H11km）在平流層（11kmH20km）HTTH0RHHpp/10)4430/1 ( RHH/10)4430/1 ( Ct

6、H5 .56KTH65.21663401100011.22613HHep6340110003636. 0HHe(三)大氣參數變化對人體生理的影響1、低氣壓對人體的影響高空大氣壓力降低對人體主要有兩方面的影響：一是由于大氣中氧氣分壓力降低所引起的高空缺氧；另一方面是低氣壓本身對人體產生的物理影響。(1)高空缺氧由于缺氧是由于高空吸入分壓降低所引起的，故亦稱為“高空缺氧”。人體在不同高度上缺氧反應的癥狀表現比較復雜，起決定意義的因素是上升的高度。按功效與安全的系統要求，根據不同程度急性缺氧對人體的影響，確定了六種生理界限值：v最佳值對人體無任何缺氧效應的生理界限值。v夜航安全值夜間飛行是保證視覺功

7、能正常的生理界限值，高度1.5km。v功效保證值白天飛行時保證飛行人員不因缺氧而降低的生理界限值，高度2.5km。v功效允許值允許有輕度缺氧反應，但對功效無明顯影響的生理界限值，高度4km。v缺氧耐限值缺氧反應明顯，達到難以耐受的啟示生理界限值，高度5km。缺氧極限值引起意識障礙的生理界限值，高度7.5km。(2)低壓的危害低氣壓的危害程度取決于低壓程度與減壓速度。(3)壓力變化過速和爆炸減壓的危害所謂爆炸減壓是飛機的增壓座艙在高空突然失去氣密的一種事故。原因可能是在飛行期間，由于增壓座艙及連接件強度不夠，使座艙頂蓋、門、窗等結構突然遭到破壞；也可能是由于外來的因素。爆炸減壓的現象是飛機在瞬時

8、失去氣密而爆發巨響，艙內壓力迅速釋放，由于壓差過大，有時會出現氣浪沖擊，降人掀起甚至拋出機外。2、大氣溫度和濕度變化對人體的影響(1)溫度變化對人體的影響物體的散熱有對流、傳導和輻射三種形式。(2)濕度變化對人體的影響低濕度對人的工作效能沒有有害的影響，或者至少低濕度的任何影響不是立即就能顯示出來，有關癥狀的發生隨時間的增加而增加，所以在旅客機的飛行時間里一般都沒有考慮增濕的問題。(3)其它環境參數對人體的影響大氣中的臭氧、宇宙射線、環境噪音、空氣清潔度對人體也有不同程度的影響。二、飛機座艙空調系統的任務和氣密座艙(一)座艙空調系統的任務1、座艙空調系統的基本任務在各種不同的飛行狀態和外界條件

9、下，使飛機的駕駛艙、旅客艙、設備艙及貨艙具有良好的環境參數，以保證飛行人員和乘客的正常工作條件和生活環境、設備的正常工作及貨物的安全。飛機座艙空氣參數v座艙空氣的溫度、壓力和壓力變化率，v空氣的濕度、清潔度、噪音、艙壁內表面溫度v空氣的循環流動特性和氣流速度等。客艙空調具有以下特點：v重量限制：輕；v體積限制：小；v供氣量要求：大；v濕度要求：相對濕度低；v限制流量較大的氣流輸入座艙內；對座艙進行增壓；2、創造空中座艙環境的技術措施(1)供氧裝置為提高氧的濃度，以補償氧分壓隨高度增加而引起的下降，通常從4km左右高度開始供氧。(2)氣密座艙（又稱增壓艙）它是將飛機座艙密封，然后給它供氣增壓，使

10、艙內壓力大于外界大氣壓力，并對座艙空氣參數進行調節，以滿足人體生理和工作的需要。3、氣密座艙的類型和基本要求(1)氣密座艙的類型氣密座艙的基本結構形式有兩種：一種是再生式，另一種是大氣通風式。v再生式氣密座艙又稱自主式氣密座艙。它利用安裝在飛機上的氧氣瓶和冷氣瓶作為增壓氣源，瓶內氣體經過調節裝置后輸入密封艙，用以補充泄漏的空氣和消耗的氧氣，使用過的空氣經再生處理后重新進入座艙。大氣通風式氣密座艙就是通過密封系統將座艙與大氣隔絕開來，再由飛機發動機壓氣機的引氣系統或其它增壓裝置將高空稀薄的空氣壓縮后輸入艙內，向座艙供氣增壓，使座艙內形成較外界高空環境大氣壓力高的艙內氣體壓力環境。飛行高度超過10

11、萬米，抵達熱層X15A(2)對氣密座艙的基本要求對旅客機氣密座艙有以下三方面的要求：v座艙內空氣參數應符合人體生理衛生標準和一定舒適程度。v座艙具有一定的強度及空調系統工作安全可靠。v座艙應具有一定的氣密性。v4、氣密座艙的環境參數及其要求氣密艙的主要環境參數是座艙空氣的溫度、壓力、壓力變化率以及座艙余壓，還有空氣濕度和清潔度等。(1)對座艙溫度的要求最舒適的座艙溫度為：2022C，正常保持在1526C的舒適區范圍內。(2)座艙壓力的要求v座艙空氣壓力pcv座艙高度Hcv座艙余壓pcv座艙空氣的壓力變化率dpc/dt(二)對座艙氣密性的要求與檢查1、對座艙氣密性的要求座艙的允許泄漏量是按照下列

12、要求確定的：v在正常飛行條件下，經過經過不嚴密處從座艙流出的空氣量不應超過增壓源的最小可用供氣量，這是保持座艙余壓所必須的。v在應急情況下，停止向座艙供氣時，應能保證飛機以允許的垂直速度下降到某一安全高度。v座艙最大漏氣量加上必要的通風排氣量，應不超過部分增壓源失效后的供氣量。2、座艙氣密性的檢查（1）漏氣補償法認為艙內空氣的溫度保持不變。由座艙各漏氣處漏出的空氣量等于向座艙供入的空氣量。（2）座艙壓力降法壓力降法又稱壓差檢驗法。在規定的時間內測定壓力降低值；或者是座艙壓力降低至規定的壓力值時，測定相應的時間。在所研究的時間內座艙的空氣溫度可視為不變。漏氣補償法比較適應于座艙容積小而漏氣量較大

13、的座艙，而壓力降法則適應于座艙容積大而漏氣量較小的情況，目前，對于大、中型旅客機，普遍采用的是壓力降法。現代飛機座艙空氣調節系統的主要特點及發展趨勢現代飛機座艙空氣調節系統具有如下幾個方面的特點：1、采用多重控制，調節的準確性和穩定性高2、減少引氣量和降低燃油代償損失，工作效率高3、改善可靠性和維護性，提高部件的組合功能（1）針對可靠性最薄弱的環節進行改進（2）提高部件的組合功能4、大量采用先進的電子技術，使系統的控制、自檢和顯示技術日臻完善。第二節 氣源系統一、座艙通氣換氣條件及要求（一）通氣換氣量（一）通氣換氣量旅客機常用座艙的換氣次數K來表示座艙的通氣換氣水平，它是座艙通氣量L與座艙容積

14、Vc之比，即K=L/ Vc。在正常情況下，每人每分鐘大約需要0.70.9kg的新鮮空氣，每人所需要的合適的座艙容積大約為11.8M3，座艙每小時的通風換氣次數不能少于2530次。（二）空氣流速（二）空氣流速一般來說，客艙內的空氣流速小于0.1m/s時，不會引起乘客的感覺，當客艙內的空氣流動速度大于0.33m/s時，就會使乘客有穿堂風的感覺，一般客艙內的空氣流速為0.2m/s，但作為上方的單獨通風噴口處除外。二、氣源系統的基本構形（一）大氣通風式座艙座艙增壓氣源的基本（一）大氣通風式座艙座艙增壓氣源的基本形式形式1 1、發動機壓氣機、發動機壓氣機B-737-300型在起飛、爬升和大部分的巡航狀態

15、從第5級引氣，當第5級不能滿足要求時，則用第9級引氣。2 2、專用座艙增壓器、專用座艙增壓器子爵號VC-10（二）現代噴氣式客機增壓空氣的來源及（二）現代噴氣式客機增壓空氣的來源及用途用途增壓空氣的主要用途可以歸納為四個方面v飛機座艙的空調與增壓v飛機機翼前緣及發動機進氣道前緣的熱氣防冰v發動機啟動用電源v飲用水、燃油及液壓油箱等系統的增壓。（三）現代噴氣客機系統的基本結構（三）現代噴氣客機系統的基本結構v1 1、氣源系統的布局、氣源系統的布局vB-737飛機起源系統的布局，為兩臺渦輪風扇發動機的飛機的引氣系統，它可以作為現代大多數民用飛機氣源系統的典型代表，實際是對于三臺或四臺放大機的飛機也

16、是大同小異。對于起源系統的結構，一般來說，每臺發電機引氣分別形成兩套獨立的子系統，中間由隔離活門隔斷，并可在需要時連通。v2 2、典型飛機的氣源系統、典型飛機的氣源系統v（1）BAe-146飛機的氣源系統v（2）B-737-300飛機的氣源系統三、氣源系統的調節與控制三、氣源系統的調節與控制（一）引氣系統的壓力調節（一）引氣系統的壓力調節一般來說，引氣系統近常用的壓力調節裝置是通過控制機構改變供氣管路中活門的開度來保證引氣的壓力為一定值，或使得冷卻渦輪前后的壓力比基本保持為常數。現代飛機所采用的引氣壓力調節裝置多為電控氣動式，而且經常與引氣開關裝置合為一體，構成引氣壓力調節與關斷活門。（二）引

17、氣系統的溫度調節（二）引氣系統的溫度調節為了保證空調系統良好的工作，許多現代客機上都采用了引氣溫度控制裝置，即利用預冷器來降低發動機的引氣溫度。引氣預冷器的冷源為發動機風扇引氣或沖壓空氣。現代飛機所采用的引氣溫度控制系統是由預冷器和預冷器控制活門兩大部分組成，預冷器一般為叉流式熱交換器，冷卻流體為發動機風扇級引出的空氣，其熱路為發動機引氣。v（三）引氣活門的控制活門（三）引氣活門的控制活門為了確保引氣系統的正常工作，完成引氣系統的溫度、壓力及流量的控制與調節，現代飛機的氣源系統中都設置有許多具有各種功能的引氣控制開關裝置，按照工作原理的不同，可將引氣控制開關裝置分為以下幾種：v機械操縱式引氣活

18、門v氣動式引氣活門v電動式引氣活門v電控氣動式引氣活門v（四）輔助動力裝置引氣（四）輔助動力裝置引氣v輔助動力裝置APU的氣源通過APU引氣活門引出，為避免發動機供氣時增壓空氣倒流到APU內，在APU供氣管路上裝有單向活門。APU引氣可以用于地面空調、啟動發動機，另外在飛機起飛或復飛時，為了減少發動機功率的損耗，常常用APU引氣代替發動機引氣，尤其是對于波音和空中客車等在起飛、著陸時需要預增壓的飛機，更需要APU引氣。四、B-757飛機的氣源系統高壓級引氣是由高壓關斷活門控制的，該活門是由高壓及控制其控制的。引起預冷器對引起的溫度進行控制。第三節 座艙空氣調節系統一、座艙加溫系統一般來說，經過

19、發動機壓氣機或座艙增壓器的空氣就可以滿足座艙加溫的要求，因此，現代大多數客機的空氣調節系統同時可以完成加溫的任務。這種系統就是將熱空氣直接供入座艙，使座艙內的空氣形成對流，從而保證整個座艙內的空氣溫度達到要求。(一)燃燒加溫器加溫器的原理如圖所示：(二)電加溫器電加溫器一般作為噴氣式飛機輔助的加溫設備，它只有在一定的飛行狀態下，如下滑、爬升時才使用，有的飛機在地面停機狀態亦可使用。(三)廢氣加溫器利用發動機排氣作為熱源的加溫系統示意圖：二、座艙制冷系統 飛機上采用的制冷系統有空氣循環制冷系統和蒸發循環制冷系統兩種形式。(一)空氣循環制冷系統空氣循環制冷系統主要是采用有發動機帶動的座艙增壓器或者

20、直接由發動機引出的空氣供入座艙來對座艙進行制冷。1、簡單式空氣循環制冷系統原理圖如圖所示：2、升壓式空氣循環制冷系統升壓式空氣循環制冷系統也稱為渦輪-壓氣機式空氣循環制冷系統。如圖所示原理圖：升壓式空氣循環制冷系統中的熱交換器可以用沖壓空氣進行冷卻，也可以使用燃油或其他冷源。這種制冷系統具有以下特點：v由于渦輪輸出功使渦輪前的空氣增壓，與簡單式制冷系統相比，顯著改善了系統的性能；v系統可以以很高的效率提供所需的制冷量；v對高空工作條件，升壓使系統在很大的飛行條件范圍內都能提供額定的制冷量；為保證系統在地面具有制冷能力，裝有專門的電動風扇或動力渦輪驅動風扇來抽吸熱交換器冷邊空氣。、三輪式空氣循環

21、制冷系統三輪式空氣循環制冷系統也稱為渦輪壓氣機風扇式空氣循環制冷系統。原理如圖所示：、帶有濕度控制的空氣循環制冷系統帶有水分離器的空氣循環制冷系統示意圖：(二)蒸發循環制冷系統蒸發循環制冷系統是利用液態制冷劑的相變來吸收空氣中的熱量，它可使系統中的空氣在進入座艙或設備艙之前顯著地降低溫度。蒸發循環制冷系統具有以下特點：v系統的冷卻效率高；v在地面停機條件下，有良好的冷卻能力；v高空高速飛行時有良好的經濟性，節省燃油。v(三)復合式制冷系統(四)地面冷卻三、空調系統的主要附件(一)熱交換器熱交換器是把熱量從一種載熱介質傳遞給另一種載熱介質的設備，若設備以加熱流體為主要目的則稱為加熱器。按流體的流

22、動方向不同，可分為順流式、逆流式、叉流式和復合式 。逆流式熱交換器的冷卻效果最好 。熱交換器清洗方法有清洗液清洗法、蒸汽清洗法、超生波清洗法 (二)渦輪冷卻器渦輪冷卻器在空氣循環系統中的作用是將來自發動機壓氣機的空氣經過熱交換器預冷卻后再進一步降溫。渦輪冷卻器分為三類：渦輪風扇式、渦輪壓氣機式和渦輪風扇壓氣機式的渦輪冷卻器。四、座艙空氣的濕度調節（略）五、座艙的氣流組織客艙的供氣口和排氣口的位置不同，座艙內的空氣流動形式也就不同。如圖所示：第四節 座艙溫度控制系統座艙溫度控制就是使座艙內的空氣溫度保持在要求的預定溫度范圍內。一、座艙溫度控制的基本原理(一)氣密座艙的熱載荷及座艙的熱平衡所謂座艙

23、熱載荷是維持座艙內溫、濕度恒定時，單位時間內傳入(或傳出)座艙的凈熱量，即輸入座艙的熱量和從座艙排出熱量的代數和。客機的穩態熱載荷主要包括以下幾部分：1、人體所排出的濕氣潛熱部分沒有加給座艙，對座艙的熱載荷沒有影響（對座艙的濕度有影響）。2、電子和電氣設備的熱載荷QE3、通過透明表面的太陽輻射熱載荷QS4、通過座艙壁傳入或散出的熱量QB5、空氣泄漏熱載荷QL6、供入座艙空氣的熱載荷Qg(二)座艙溫度控制的基本原理和基本方法控制座艙空氣溫度的辦法是改變座艙供氣溫度，而控制供氣溫度的方法是控制供入座艙的熱空氣和冷空氣的混合比例。具體來說，有兩種基本方法，一種是混合比控制：保持總供氣量不變，只改變冷

24、、熱氣體的流量比例；另一種是所謂的旁路控制，只對熱空氣流量進行控制。二、座艙溫度控制系統的類型(一)入口管道溫度控制系統入口管道溫度控制系統是把管道中的空氣溫度調節到一個固定或選定的數值，然后送入座艙。如圖所示為入口管道溫度控制系統圖：(二)出口管道溫度控制系統出口管道溫度控制系統不適用于艙內溫度控制要求較高的場合。出口管道溫度控制系統如圖所示：(三)座艙溫度控制系統座艙溫度控制系統的主要作用原理是調節艙內本身的空氣溫度，而不是調節入口或出口溫度，系統原理如圖所示：二、座艙溫度控制系統的主要附件(一)溫度傳感器溫度傳感器的作用是感受所控制對象(座艙或管道內的空氣)的溫度，并將溫度信號轉換為電氣

25、(電阻、電勢)、位移、變形等信號，輸入控制器，它是信號轉換元件。座艙溫度控制系統中常用的溫度傳感器有電傳感器、雙金屬傳感器、充氣感壓箱等。1、電傳感器這類傳感器中包括熱敏電阻、熱電偶和電阻絲。2、雙金屬溫度傳感器雙金屬溫度傳感器是由兩種線膨脹系數相差很大的金屬片貼和（焊接或鉚接）而成。3、充氣感壓箱感壓箱內充以惰性氣體，氣體的膨脹和收縮以及由此而產生的壓力變化是溫度的函數。(二)溫度控制器溫度控制器分為電子式、電氣式和氣動式三類。1、溫度電橋溫度電橋利用感溫元件RK作為電橋的一個橋臂，安放在需要控制溫度的地方，由它反應座艙的實際溫度，利用溫度選擇器電阻RS作為電橋的另一個橋臂，即裝在駕駛艙的座

26、艙溫度選擇器，它代表座艙要求的溫度，另外兩個橋臂作為固定電阻，阻值R1=R2 。2、預感電橋為了削弱干擾的影響和改善系統的動態品質，防止過渡過程中艙溫的波動過大或超過艙溫允許值，可以使用預感電橋。預感電橋的作用是進行超前校正，改善過渡過程的快速性能和減少波動。3、帶延遲負反饋元件的電橋延遲負反饋元件的作用是當整個系統的加熱或制冷繼電放大器接通時，同時接通延遲負反饋元件上的脈沖加熱器，對延遲反饋電阻加溫，當電阻值改變時，加給電橋一個附加的電位差輸出，其符號是與接通相應加溫或制冷繼電放大器時的電橋初始輸出電位差的符號相反，因而使初始輸出迅速衰減，以減少被控溫度的波動。(三)其他主要附件1、放大器在

27、座艙溫度控制系統中常用繼電放大。2、執行機構執行機構的功用是按照控制器輸出信號去控制對象的輸入量，使控制對象恢復到原來的穩定狀態或者轉移到新的穩定工作狀態。四、B-737飛機的溫度控制系統波音飛機的溫度控制系統示意圖如圖所示：第五節 座艙壓力控制系統座艙壓力控制系統的基本任務就是保證在給定的飛行高度范圍內，座艙的壓力及其壓力變化速度滿足人體生理要求。一、座艙壓力控制的原理和方法大氣通風式氣密座艙是利用發動機壓氣機的引氣向座艙供氣，對座艙進行空氣調節。如圖為座艙增壓通風原理圖：二、座艙壓力制度座艙絕對壓力、座艙壓力對高度的變化關系以及座艙壓力對時間的變化率是座艙壓力控制中的重要參數。、座艙壓力先

28、以相當于海平面的絕對壓力保持到某一高度，然后又與外界大氣壓力保持等壓差變化至飛機設計高度。、座艙壓力從一開始就按下列曲線變化：)(100hhhhppmpp(一)運-7飛機的座艙壓力制度如圖所示為運-7飛機的座艙壓力制度：(二)B-737飛機的基本壓力制度如圖所示為B-737飛機座艙壓力調節的基本規律，左側曲線的縱坐標為高度，橫坐標為時間，稱為飛行剖面曲線；右側曲線的縱坐標為高度，橫坐標為環境壓力，即標準大氣壓力曲線。飛機起飛后座艙壓力連續變化，只有達到預定巡航高度時才達到余壓控制值。三、座艙壓力控制系統的類型(一)氣動式座艙壓力控制系統 1、氣動式座艙壓力調節裝置的基本結構 氣動式座艙壓力調節裝置包括壓力調節盒(控制結構)和排氣活門(執行機構)兩個基本部分。壓力調節盒是一個密封盒，盒內有絕對壓力調節機構和預壓調節機構。排氣活門是由壓力調節盒控制工作的，它由膜片1、膜片2、彈簧3和活門3組成。2、氣動式座艙壓力調節裝置的工作原理氣動式座艙壓力調節裝置原理