控制系统塞尔维亚军用机坠毁

收稿日期:1998-09-09;修订日期:1999-01-09文章编号:1000-6893(1999)增-0S01-03高性能军用机环境控制系统研究发展趋势的探讨袁修干(北京航空航天大学5系,北京100083)DEVELOPINGTRENDDISCUSSIONOFENVIRONMENTALCONTROLSYSTEMSOFHIGHPERFORMANCEMILITARYAIRCRAFTYUANXiu-gan(The5thDept.
,BeijingUniv.
ofAero.
&Astro.
,Beijing100083,China)摘要:讨论了未来高性能军用机环境控制系统发展可能采用的技术,例如:闭式空气循环技术;综合数字控制技术;蒸发循环技术;先进驱动的空气循环机和压气机技术;以及从属于综合机载机电系统的综合环境控制系统技术.
关键词:飞机环境控制系统;综合机载机电系统;综合环境控制系统;热/能管理组件中图分类号:V254.
3文献标识码:AAbstract:Thepossiblyadoptednewtechnologyofenvironmentalcontrolsystemsofhighperformancemili-taryaircraftisdiscussed.
Thetechnologyincludesclosedaircycletechnology,integrateddigitalcontroltech-nology,vaporcompresscycletechnology,aircycleunitandaircompressofadvanced-driventechnologyandalsotheintegratedenvironmentalcontrolsystemofthesubsystemintegrationtechnology.
Keywords:aircraftenvironmentalcontrolsystem;subsystemintegrationtechnology;integratedenvironmen-talcontrolsystem;thermalandenergymanagementmodule随着高性能军用机的发展及环境控制系统相关技术的进步,高性能军用机环境控制系统在21世纪的发展面临新的考虑因素[1~3].
(1)电子设备的冷却功率增大引起其制冷量需求增加.
高性能军用机电子设备制冷量已达到50kW及其以上的量级,占环境控制系统总制冷能力的85%以上.
例如,F-15电子设备制冷量要求约为50kW,座舱制冷量要求只有4.
5kW,电子设备制冷量已占环境控制系统总制冷量的90%以上.
这要求环境控制系统具有良好的节能设计.
(2)电子设备可靠性要求,提高了环境控制系统的冷却质量要求.
例如,对通风气流的温度、湿度要求,特别是对高热流密度的冷却能力要求等.
(3)发展综合机载机电系统,使飞机性能和经济性都得到改善.
飞机机载机电系统中,有供电、二动力、液压、燃油和环境控制系统等独立分系统.
但它们在热和能量的需求和使用上,又是相互紧密关联的.
所以存在从独立系统级优化向飞机级整体综合优化设计观念转变问题.
体现这种设计思想的技术称为分系统综合技术(SUIT=SubsystemIntegrationTechnology),用SUIT概念形成的机载机电系统称为综合机载机电系统.
SUIT的核心技术是热/能管理组件(T/EMM=ThermalandEnergyManagementModule),它是将飞机功率、发动机功率及冷却装置综合成一整体组件.
T/EMM具有环境控制系统的功能.
本文将从传统环境控制系统向T/EMM技术过渡的系统暂称之为综合环境控制系统.
上述3个方面的问题,是从不同角度出发,要求发展能耗低、经济性好及可靠性好、飞机整体性能又可得到改善的先进环境控制系统及相关技术.
1环境控制系统总体技术研究从飞机环境控制系统发展历程可知,国外十分重视环境控制系统总体技术的预先研究.
现在已广泛使用的高压除水环境控制系统,在50年代中期已可见到相关研究报告,到70年代中期后逐渐在飞机上得到广泛应用.
西方国家多采用升压式高压除水系统.
例如,俄罗斯采用以燃油作热沉的换热器,但采用的是简单式高压除水系统.
高压除水系统可改善系统的制冷效果和冷却涡轮的工作条件,并可明显降低通风冷却空气的含湿量.
在70年代末期已有空气/蒸发循环混合式闭式循环环境控制系统的研究报告.
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第20卷增刊1999年6月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAVol.
20Sup.
June1999将日趋成熟.
它可充分发挥蒸发循环连同载冷剂的闭式循环的优越性,不但可提高系统性能系数,也容易满足电子设备大功率、大热流密度的冷却要求.
动力涡轮驱动的环境控制系统,在80年代末已可见到研究报告.
它可显著提高系统性能系数.
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.
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[4].
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循环等不同方案.
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[5].
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.
80年代末期已有综合环境控制系统的研究报告,强调环境控制系统的研究发展应与飞机其它系统相关技术的发展综合考虑[6].
例如,采用综合数字控制技术以及充分利用燃油作热沉等,以适应高性能军用机对冷却系统的要求;发展闭式蒸发循环冷却系统.
这些研究成果在F-22环境控制系统中已可以见到具体应用.
基于全机优化的T/EMM系统,在80年代末期已可见到研究报告.
这项研究计划发展很快,它是综合机载机电系统的一个重要组成部分.
美国已把它列为联合攻击战斗机验证计划的一部分,促使综合机电系统技术发展成熟并装机使用[2,3].
将上述分析综合于表1中.
表1环境控制系统方案发展及应用方案环境控制系统方案型式应用及特点1升压式高压除水式环境控制系统50年代中期已有研究报告,70年代开始应用,现已广泛使用.
可明显改善系统制冷效果、冷却涡轮工作条件以及电子设备通风冷却空气品质.
2空气/蒸发循环混合式环境控制系统70年代末期已有研究报告.
系统性能系数高,可满足电子设备大制冷量的冷却要求.
3动力涡轮驱动的环境控制系统80年代中期已有研究报告.
容易构成闭式空气循环系统.
系统性能系数高,可满足电子设备大制冷量的冷却要求.
在F-15环境控制系统改进方案以及热/能综合管理系统计划中,均拟采用动力涡轮驱动技术.
4高速电动机驱动的环境控制系统80年代初期已有研究报告.
容易构成闭式空气循环系统.
可提高系统性能系数和改善控制性能.
工程应用有待高速电动机驱动技术的进展.
符合多电飞机系统发展设想.
5综合环境控制系统80年代末期已有研究报告.
采用综合数字控制技术,充分利用燃油作冷源,发展闭式蒸发循环电子设备冷却系统.
F-22环境控制系统采用此设计思想.
6热/能综合管理组件(T/EMM)技术80年代末期已有研究报告.
强调全机机电分系统的综合与优化.
对全机具有节能、重量、尺寸及经济性均可显著改善的优点.
已处于演示验证发展研究阶段.
表1中1~4项的研究,都是通过在系统自身的完善,来实现节能、提高制冷量和通风冷却空气品质等技术性能.
表中第6项相对于前4项,通过从各自系统优化转为全机性能优化的设计思想转变,使系统总体格局产生变化并使全机性能获得更多的改进.
表中第5项为达到第6项技术状态的过渡.
2T/EMM技术与综合环境控制系统研究T/EMM系统具有提供辅助功率、应急功率、热管理和发动机起动等4大功能.
热管理功能可向驾驶舱和电子设备提供冷却的能力.
可以说,T/EMM系统提供冷却能力的功能已取代了目前的环境控制系统.
T/EMM系统中各分系统的控制器将通过数据总线组合到飞行管理系统中,以实现综合数字式控制.
T/EMM系统由1个压气机、1个可调喷嘴动力涡轮、1个冷却涡轮、1个双向工作模式燃烧室和1台250kW的内装式开关磁阻起动/发电机组成.
正常情况下,T/EMM靠发动机压气机引气产生功率;由于双向工作模式燃烧室的作用,在发动机不工作时也可提供包括空中重新起动发动机在内所需的功率.
将环境控制系统功能综合在T/EMM中,在系统构成上是1个全新概念.
从研制、测试到应用,势必经历较长时间.
如果环境控制系统研制发展吸取其充分利用燃油作热沉、采用综合数字控S2航空学报第20卷制和闭式循环制冷技术,特别是吸取闭式蒸发循环制冷等主要设计思想,那么发展综合环境控制系统是比较现实的道路.
3核心关键技术(1)机载蒸发循环制冷技术及关键部件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.
由于电子设备吊舱的冷却需求,美国在70年代中开始,着手发展电子设备吊舱的蒸发循环制冷技术计划,制冷量大约为3~5kW等级,现在已是一项成熟技术.
由于蒸发循环制冷技术,特别是制冷压缩机技术的进步,现已具备在飞机上使用大制冷量蒸发循环制冷设备的条件.
例如,F-22飞机的电子设备冷却已采用蒸发循环制冷技术.
今后发展机载蒸发循环制冷技术及关键部件的研制,无论是从发展综合环境控制系统上考虑,或者从发展T/EMM技术上考虑,均应列入今后的研究计划.
(2)空气循环机的先进驱动技术从节能角度考虑,先进环境控制系统一般都希望构成闭式循环.
动力涡轮或高速电动机均可直接驱动压气机和空气循环机,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.
动力涡轮驱动与高速电动机驱动相比,虽在节能和控制律实现处于劣势,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.
(3)综合数字控制技术先进环境控制系统已由模拟/数字混合式控制技术转向综合数字控制技术.
它把环境控制系统各子系统,甚至与其它机电系统在功能和结构上综合起来,通过机上数据总线,组合到飞行管理系统中去,使系统可共享信息.
此外,它还可采用多变量控制系统,在控制律演算、容错方法、故障隔离/机内自检测等功能均有很大提高.
4讨论(1)从技术经济可行性为出发点考虑,应发展以燃油综合热管理、部分闭式空气循环、数字控制的环境控制系统为下阶段目标.
部分闭式是指电子设备冷却回路为部分闭式空气循环,座舱冷却仍采用开式循环.
蒸发闭式循环及空气闭式循环两者的技术均很重要,均应进行发展研究.
空气闭式循环可采用动力涡轮驱动的空气循环机或高速电动机驱动的空气循环机构成闭式循环系统.
(2)应重视燃油作为热沉的热管理技术研究.
未来高性能飞机,以冲压空气作热沉会受到飞行速度和隐身技术的很大限制,燃油势必会成为首选热沉.
(3)从长远发展考虑,应开展T/EMM系统研究.
从我国现有经济和技术基础考虑,宜从概念论证作起.
参考文献[1]袁修干.
高性能军用机环境控制系统发展展望[A].
见∶中国航空学会人体工程、航医、救生专业分会编.
第五届环控学会交流会论文集[C].
北京∶中国航空学会人体工程、航医、救生专业分会,1995.
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[3]于敦.
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航空信息研究报告,HY97028,北京∶中国航空工业总公司第628研究所,1997.
[4]MatulichD.
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[6]EdgarJM.
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SAETrans-actions,SAE901237,1990.
作者简介:袁修干男,1934年3月生,工学博士(RWTHAachen),北京航空航天大学教授,人机与环境工程学科博士生导师.
北航人机环境系统工程/空调制冷技术研究所所长.
兼任全军总装备部武器装备人机环境系统工程专业组顾问、全国军用人机环境系统工程标准化技术委员会副主任、中国航空学会理事、中国航空学会人体工程/航医/救生专业分会主任、中国系统工程学会人机环境系统工程专业委员会副主任.
研究兴趣∶航空航天环境控制及生命保障系统、人机环境系统计算机仿真、空调制冷技术等.
曾获科技进步奖国家级1项、省部级12项.
享受国家政府特殊津贴.
电话∶(010)82314373(H)、82317514(O).
传真∶82315802.
Email:yuanxg@buaa.
edu.
cn.
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