一个众说纷纭的问题的专业解释：飞机到底有没有空调？（已更新，在25～27楼））

共和国卫队

空调不光是指简单的调节空气的温度，也就是平时说的制冷和采暖。还包括了空气的湿度、净度、鲜度、静度、速度。根据飞机的用途不同，功能上也会有选择性的配备。

qiduzhilei

NWPU的再次帮顶

cfz8688

NUAA幕后黑手路过，快更新啊

iron_core

更新应该另开一帖还是就在这个帖里？

iron_core

是啊，绝大多数环控系统原理和结构都大同小异，不过不同用途的飞机对环控的要求不一样，比如客机要求舒适，军机则要求“可以正常工作即可”，所以环控系统的具体性能参数可能会不一样。

cfz8688

原帖由 iron_core 于 2010-3-12 14:33 发表 更新应该另开一帖还是就在这个帖里？

直接编辑原贴在后面加上就行了

Einstein

绝热过程算一下，外面-50度，增压后200多度……不冷却不行

眼镜猴

航空知识09年第9期看完了你就知道什么是飞机空调了!

Wolfhound0104

《航空知识》好像有说过这问题吧？忘了.....


果然登过.....谢谢LS，当时我没仔细读这文章今晚翻出来看看。

[ 本帖最后由 Wolfhound0104 于 2010-3-12 18:13 编辑 ]

iron_core

    有了前面的一大堆叙述，现在我们可以讲些比较专业但同时又比较乏味的东西了，主要包括四个方面：1.飞机上面如何制冷。2. 飞机座舱里的压力如何控制。3.飞机坐舱里的温度如何控制。4.换气如何实现。其实在前三个问题搞定后，第四个问题是自然解决的。
        1.在飞机上面怎么制冷
    “制冷”这个词虽然是个专业术语，但是相信我这里一说，大家都听着耳熟。的确，日常生活中我们接触制冷设备真的很多，家里的冰箱，空调都是制冷用的设备。但是我们要讲的飞机环控系统的制冷跟冰箱空调有原理上的不同。冰箱空调的制冷原理和所用的设备在初中物理里就有涉及，无非是制冷剂（通常就是万恶的氟利昂）在蒸发器里气化吸热，压缩机将变成气体的制冷剂加压，送到冷凝器里液化放热，再通过节流阀回到蒸发器这么个过程。利用制冷剂蒸发和冷凝制冷的这样一种制冷方法被搞制冷的家伙们称为“蒸气压缩循环”，简称“蒸气循环”。这种循环是现有制冷方式中最成熟高效的一种，因而也是用的最广的一种。但是它偏偏没有广到飞机上去（当然不是完全没有，早期的一些民航机如VC-10，DC-8，康维尔880等用过，现代老牛比了的一种战斗机——F-22也正在用）。至于为什么不用，本文将在后面给出它与现在常用系统的对比来解释这个问题。
     接下来环控系统的核心，本文的主角——“空气循环”制冷系统就要闪亮登场了！空气制冷的原理其实在初中物理书里也能找到。就是如何改变物体内能（这不是我们的术语，我如果现在用这个词会被老师严厉“表扬”的）这个事情，成绩优秀的同学们，回忆下子，有哪两种途径？很显然是做功和热传递。相应的要让物体内能降低，要么要让它对外放热，要么就得它对外做功。这里我们要利用的就是对外做功这一条。具体地说，就是要让气体膨胀做功，这在日常生活中是能见到的，比如拔掉自行车的气门芯，让车胎里的空气短时间内排出（这个过程中由于压力的骤降，空气会膨胀），这时用手摸气门嘴，会感觉到明显的温度降低；现像更明显的实验可以拿压力灌装的打火机气体或者杀虫剂做，当这些气体喷出时，喷口处都会有比自行车气门更加明显的温降，打火机气体有时会导致喷口处结冰！
上面几个简单的现像可以说明让压缩的气体喷出膨胀可以实现制冷，因为这个过程实际上就是气体对外做功的过程。但是这样的自由膨胀直接用来制冷还是不行的，效率太过低下了。在空气循环制冷设备中，我们让高压的空气在一个动力涡轮中做功，把自身的能量以机械功的形式输出，从而实现自身能量（热工专业通常用“焓值”来表征，下面我们也用焓降来表示能量的降低）的降低，温度当然也随之相应降低。空气制冷中最常用的涡轮结构如图1（有别于喷气发动机中的轴流式涡轮，制冷用的涡轮是径流式的），通常由涡壳，喷嘴环，叶轮和扩压器四部分组成。高压气体通过涡壳被引入喷嘴环，在这里高压气体的压力势能被转化为动能（这同时也是一个膨胀过程），气体的流速大大增加，此时气体的焓值已经开始降低了，因为动能不属于焓值的一部分。而后高速气体被喷嘴环“喷”向叶轮，冲击页轮做功，再把空气的动能变成机械功通过轴输出；同时叶轮里也进行膨胀，使空气的能量进一步释放（焓值进一步降低）。这里我们一直在强调焓值的降低，就是因为，焓值是直接同温度“挂钩”的，焓值降低意味着温度会随之降低，也就是实现了制冷。


                  图1.向心式涡轮结构示意图






（下面一段有几个公式，不太好发，只好截图了）








[ 本帖最后由 iron_core 于 2010-3-12 18:21 编辑 ]

iron_core

        2.飞机如何保持座舱内的压力
    还记得我们在前面讲过的吗？要实现温控，我们需要制冷系统，要实现给座舱增压，我们要一台空气压缩机。在这里，可能细心的读已经发现，刚刚讲过的空气循环这种制冷方式里，我们需要的也是一台空气压缩机！也就是说，增压和制冷两个系统的需求是统一的！那我们是不是要把图2中的这台机器装到飞机上呢？答案是：否！不知我有没有把大家绕进去，但是作为一个航空爱好者，我们应该都知道现在的以燃气涡轮发动机为动力的飞机都自带了巨大的空气压缩机——发动机的压气机。环控系统的增压和制冷用高压空气正是用一根管子从发动机压气机的某一级引来的。

               图2.常见活塞式空气压缩机

    实际上我们不需要两套分别的系统来实现增压和制冷，只要将飞机发动机引来的气体（术语称“引气”）通过涡轮作功，它的温度和压力就都会降低，把这些温度和压力合适的气体直接供给气密的座舱，就能同时实现制冷和增压。
但是问题又出现了，如果不停地向密封的座舱打气，它就会像吹过了头的气球一样炸得四分五裂。即使它不炸掉，里面的压力也会越来越高，达到人类不能承受的水平。因此还需要一个放气的口，以适当的速度放出多余的空气来保持座舱内压力的稳定。这个放气口在环控系统中被称为压调机构。它主要由一个感受座舱内外压力差的压调器和一个受压调器控制的放气活门组成。有了这个机构，我们就可以按照设计要求来调控座舱内的压力。一般民航机在高空飞行时，座舱内的压力保持在约相当于海拔2400米高度的水平，但波音787把这个值BT地降到了1800米以增加乘客的舒适度。而军机的飞行员其实比较惨，比如歼击机座舱内的压力只有7000米左右的水平（这时他必须吸高浓度氧气），当然在飞行高度低于7000米时，座舱是接通大气的，这样的环境不经训练的人显然无法承受。具体各种飞机的舱压怎么变化，有一个设计好的“座舱压力制度”来决定，本文由于篇幅关系不再详述。
    到这里我们还可以回答前文遗留的两个问题：
    第一、高空不是温度很低吗，为什么飞机还是需要制冷而不是加热？
答：从这一小节我们注意到，供给座舱的空气是经过发动机压气机压缩的，压缩除了使空气压力增大以外还会使它温度升高。为了有足够的引气压力，我们通常从压气机中间靠后的几级引气用于环控系统，这时引到的空气压力可能高达600-700甚至上千千帕，温度两三百摄氏度，即使进涡轮以前经过了初级散热器的冷却，其温度仍可能高达接近一百摄氏度。很显然这个温度太高了。再加上飞机上设备的产热，人的产热（尤其是客机，人员密度很高），太阳辐射热（高空的阳光可是非常充足的）以及高速飞行时的气动加热等热源，使得我们需要对座舱进行冷却。
    第二、为什么不把家里的“空调”直接搬上飞机？
答：的确，单从制冷方面讲，蒸气循环（啥东东？不明白的翻回去看“飞机上怎么制冷”的第一段）效率比空气循环高的多，从现有的家用空调来说，可能高3～4倍。但是如果把“空调”搬来，就得另外设计专门的增压和换气系统，这显然没有空气循环的一机多用来的简洁。再加上 “空调”的重量和体积比涡轮大的多（见图3），因此很显然出于简化结构和减轻重量（这对于飞机来说至关重要）等方面的原因，空气循环系统胜出。

          图3.涡轮


[ 本帖最后由 iron_core 于 2010-3-12 18:25 编辑 ]

iron_core

        3.飞机座舱内的温度如何控制
    我们已经实现了制冷但是，从涡轮出来的冷空气可能温度接近于零度甚至在零度以下，我们很显然不能要求乘客穿南极科考队员的行头去坐飞机。因此我们还需要对这些冷气进行一点调控。本小节我们给出了一个相对完整的环控系统示意图，顺便对前文进行一下总结。如图4，从发动机引出的气体在1处分为两路，一路去了制冷系统（称为冷路），一路绕过制冷系统后又与制冷系统给出的冷气在2处汇合（热路）。这样，通过调节蓝色方框中的温控活门的开度就可以调节冷热气的混合比例，也就可以控制供给座舱的空气的温度。这个温度控制活门是由一个自动控制装置根据座舱内的气温来控制的。
    事实上我们严重怀疑这张拍自教科书《飞行器环境控制》的图的正确性，因为据原书的描述，用于调节温度的热路气体是经过图中的热气喷管直接喷入座舱的领航轰炸员位置的。也就是说，冷气和热气不经混合地分别进入座舱，然后在座舱内混合。前面说过，引气的温度是很高的，如果直接喷入座舱，再加上没有混合过热气的冷气也直接喷进来，会不会导致座舱里冰火两重天的局面出现？笔者在这里提出这个疑问，也希望有了解具体情况的同仁解答。


                                                  图4.一种比较简单的环控系统
    除去上述这个问题以外，这张图是一张颇为经典的“简单式”空气循环环控系统。因此我们还是以它为样板，结合前面的介绍来实际了解一下真实的环控系统的样子。我们从下到上来看这张图。B-52C型飞机有八台J-57发动机，但他的乘员相对客机较少，不需要从八台发动机都引气，因此只从2和3号发动机短舱内引气。发动机引出的气经过互联活门和关断活门后，来到一个过滤器。这个过滤器负责对付引气中对人体有害的东西，其中比较重要的成分是发动机里的机油和它形成的油雾。我和某飞友交流乘坐飞机的感受时，他曾说国产运七飞机起飞后从头顶冒白烟出来，怪吓人的。其实就是这个过滤没做好，发动机轴承密封又不好，导致发动机里的机油雾进入环控系统所致。过滤器后的压力限制活门是一个用来保持活门后面的压力稳定的自动阀，它的作用是保证涡轮有合理的进口压力。接下来是冷热路空气分流，按原图热路空气直接进入了座舱，而冷路空气则进入了绿色框中，即进入了制冷系统。
在制冷系统中，空气经过一级和二级换热器，将被冷确到适合涡轮工作的温度。而这两级冷却的冷却源都是冲压空气。冲压空气通道中的风扇由涡轮驱动，同时带动一个引射器，风扇和引射器的作用都是在飞行中加快冲压空气的流动，而在地面上无相对速度时驱动空气，使系统即便在地面也有一定的冷却能力。
我们再回到冷路这边，被冲压空气冷却了的冷路引气最终进入涡轮，作功降温（这个功用于推动风扇了），然后在水分离器中除去一部分水。经过这些处理的冷空气已经可以拿来用了，接下去它们被分配管路分配给座舱里的人员和设备舱里的设备，执行自己的使命。
需要说明的两个问题是：1.在这个系统里，除水的原因是为了防止水进入电子设备舱，损坏那些金贵的电子设备。2.这种“简单式”系统不能把冷气温度降到零度以下，否则水会在涡轮出口结冰。后来出现的“升压式高压除水系统”则在空气进入涡轮以前除水，因此可以允许更低的涡轮出口温度，从而可以消耗更少的引气来达成相同的制冷效果。
    4.座舱通风换气。
    这个问题实际上已经被解决了，环控系统供给座舱的气虽然是经历了“千山万水”才到达座舱的，但是它的最初来源是外界大气。大家仔细回顾一下前面讲到压力调节的部分，空气从环控进，从排气活门出，本身就完成了换气这个过程。但是，客机，万恶的客机，它给乘客出风口供的是环控系统提供的气体和循环处理后的座舱原有气体按一定比例混合后的气体，只有驾驶舱才有资格享受全新风的待遇。
以上是对环控系统原理的介绍。其实环控系统的内容远不只这些。比如它除了给机上人员提供适当的生存环境，还给机载设备提供冷却，还承担为机载制氧制氮系统提供气源，为抗荷服和代偿服提供增压气源的任务，还肩负为防冰除冰系统提供气源和热源等任务。从结构方面讲，这个B-52C的图更是远远不能代表。后来发展出的三轮式，四轮式，甚至电涡轮系统等等结构更加合理的系统都已经成熟或得到应用，这些系统能更好的为机上的人员和设备保驾护航。
    现今环控系统的发展，民机多向使乘客更为舒适的方向发展。而军机则更注重于电子设备的冷却。在这方面典型的例子就是F-22“猛禽”战斗机。它的电子设备冷却负荷达到创记录的60KW级别，几乎是F-15E的两倍。因此它采用了一套极为负杂的环控/热管理综合系统来应对这一问题，蒸发循环制冷重新回到了这一系统中，并成为它的核心环节。这也成了战斗机环控系统的新标杆。
    写到这里，对环控系统基本原理的介绍已经算是完了。头一次写这么长的科普，经验不足，加上笔者还没有参与过太多的实际工作，仅是从课堂知识里节选一些出来码在了本文里，所以这篇文章肯定多有错漏之处。还请大家多提意见，也请行家多多指点。



[ 本帖最后由 iron_core 于 2010-3-12 18:32 编辑 ]

Mutha

MLGB的~

要是飞机上没有空调那就好了！

这么厚一本东西36学时搞完，还让人活不……

iron_core

哈哈哈，我就觉得嘛，坛子里这么多人，怎么会没个同专业的呢！
P.S.LS那本子我们班也有一台，够老的。

[ 本帖最后由 iron_core 于 2010-3-12 19:13 编辑 ]

dmh_27

NUAA伪军来顶出现的NUAA空调党~~满塞满赛